0 引言

冰川物质平衡是理解冰川状况最为直接和可靠的数据来源，也是气候、水文和冰川动态研究的重要内容［1］.冰川物质平衡变化对区域水资源和水电产生直接影响［2-4］，尤其在高寒山区流域，河源的冰川和积雪量对于水资源有特殊的重要意义［5］.长期以来，研究人员在不同区域对冰川面积和末端变化进行了大量观测和研究，为揭示区域的冰川变化状况提供了依据［2，6-8］.另外，冰川物质平衡的气候敏感性研究是冰川未来变化趋势预测的关键因素［9-10］.因此，全球变暖背景下的冰川监测已经成为全球气候监测系统（Global Climate Observing System，GCOS）的一个重要组成部分［11］.

青藏高原是全球除南北极之外冰川数量最多的区域，近年来多数冰川出现了加速退缩的趋势［6］.位于青藏高原腹地的唐古拉山冬克玛底流域，平均海拔在5000m以上，流域内冰川、多年冻土、积雪等冰冻圈要素齐全，寒区植被较为典型，湖泊、河流等水文过程受冰冻圈和生态变化影响显著，是开展冰冻圈变化对寒区水文、生态过程影响观测试验的理想场所.同时，冬克玛底冰川是国内除乌鲁木齐河源1号冰川外监测时间最长的冰川［1］，从1989年中日联合青藏高原冰川考察课题组对小冬克玛底冰川进行考察开始，至今已有24a.根据Pu等［7］、Fujita等［8］对小冬克玛底冰川物质平衡的观测研究，在1989—1993年间冰川物质平衡以正平衡主导，其累计积累量为970mm w.e.；从1994年开始，冰川由正的物质平衡转以负的物质平衡为主导，在1994—2002年间冰川累积物质平衡量达-3119mm w.e.，相当于冰川表面损失了约3.5 m厚度的冰层，2000年代初冬克玛底冰川有加速消融的迹象［7］.为更全面地开展冰川变化及相关研究，自2005年来，在已有的冰川监测基础上增加了一些冰冻圈要素的观测，研究人员对冬克玛底流域的降水［12］、度日因子［13］、冰川径流模拟［14］、反照率［15］等方面展开了一系列研究.

本文在已有研究成果的基础上，利用2008—2012年观测的物质平衡资料和冰川表面物质平衡线附近的气象资料（包括气温、降水、辐射等），计算给出最近5a来小冬克玛底冰川的物质平衡量、平衡线高度（ELA）和末端变化情况，并分析了影响冰川物质平衡变化的相关因素.在气候转型背景下，掌握小冬克玛底冰川变化情况对于研究青藏高原地区冰川和气候变化以及山区水资源预估和管理都有重要意义.

1 研究区概况

小冬克玛底冰川（33°04′N，92°04′E）位于青藏高原腹地唐古拉山口附近（图1），是长江源区具有典型代表性的大陆型冰川［16］.根据最新的实测资料，冰川面积为1.705km2，末端海拔5420m，最高点5919m；冰川表面主要集中分布在海拔5550～5790m之间，其面积为1.198km2，占冰川总面积的70.3%.零平衡线附近的年平均气温为-8.6℃，夏季（6—9月）［17］平均气温为0.0℃，气温年较差为21.1℃；年均净辐射强度15.4W·m-2，年均降水量680mm，夏季平均降水量510 mm，夏季降水量占年降水量的75%；冰川表面高度1.5m处年均风速5.0m·s-1，年均相对湿度为58%.由于高海拔和低气温，小冬克玛底冰川的消融期（6—9月）非常短［18］.此外，小冬克玛底冰川表面较平缓，没有冰面河发育，且较洁净，没有雪崩现象发生，是开展物质平衡相关研究较为理想的冰川［19］.

2 数据与方法

冰川物质平衡的花杆观测法是计算冰川物质平衡的传统冰川学方法，是定量测量冰川物质平衡变化的直接方法，也是最为精确和详细的方法［20］.小冬克玛底冰川物质平衡观测方法为花杆/雪坑法.2008年在小冬克玛底冰川布设8排23根花杆，海拔从5470～5675m，相对高差为205m；2009年在积累区补插3排12根花杆.目前共有花杆11排35根，其中第35号花杆海拔最高，为5715m.和花杆观测同时进行的雪层剖面观测是在花杆旁有积雪存在的情况下，观测积雪深度h（mm）和用雪特性仪（snow fork，Finland）分层测量积雪密度ρ（g·cm-3）.分层以5cm作为间隔，不足5cm以一层处理.2007年夏季在冰川表面平衡线附近（海拔5600m）和冰川中脊（海拔5630m）分别安装了一套冰川环境自动监测仪器和降水观测自动气象站T200B（图1）.记录的冰面数据资料有：气温、辐射、湿度、风速风向和雪深；降水气象数据资料有：降水量、气温、湿度、风速和风向.分析中所用降水量是通过气温和风速参数修正T200B降水原始数据得到的［12］.

在青藏高原唐古拉山地区，物质平衡年开始于夏季消融期末，即9月底或10月初［7］.根据气温和消融状况［2］，冰川物质年平衡可以分成冬季（10月至翌年5月）和夏季（6—9月）平衡.2008年7月至2012年9月间，对小冬克玛底冰川表面进行了花杆和积雪的人工观测，观测时间主要是在夏季进行，一般从每年的5月底或6月初开始，9月底或10月初结束，在观测期间内平均每月观测一次.

冰川总物质平衡的计算是用ArcGIS软件对获得的DEM地形数据进行分带处理，间隔为30m，计算各高度带的面积，再将得到点物质平衡数据应用到各个高度带，最后计算冰川总物质平衡用以下公式：

式中：B为冰川总物质平衡（mm w.e.）；si为第i高度带面积（km2）；为第i带平均物质平衡（mm w.e.）；S为整条冰川面积（km2）.

3 冰川物质平衡变化

3.1 物质平衡随高程的变化

图2显示了小冬克玛底冰川2008/2009—2011/2012年度4a的物质平衡量与海拔的关系.可以看出，物质平衡随海拔增高而增加，平均年物质平衡梯度为7.0mm w.e.·m-1.在物质平衡为正的年 份 （2010/2011 年），其梯度为 5.9mm w.e.·m-1，明显小于物质平衡为负的3个年份（6.8～7.7mm w.e.·m-1）.物质平衡较小的年份，由于气温较高、固态降水相对较少和更低的表面反照率，导致积累量减少和消融区更为强烈的消融，因此其梯度增大；相反，在物质平衡较高的年份，较低的气温、较大的降雪可能性和更高的反照率导致了消融量的减少，梯度相应减小.

图3显示了从2008年7月至2012年9月小冬克玛底冰川表面不同海拔上的物质平衡累积过程.从图中可以明显看出，海拔较低的区域物质平衡过程线更为陡峭，说明其物质亏损也更为严重；2008年7月至2012年9月期间，海拔为5470m和5670m处的物质平衡量分别为-7430mm w.e.和-1000mm w.e.，分别相当于冰川减薄8.26m和1.11m.

小冬克玛底冰川的物质亏损主要发生在夏季（6—9月）的7—8月两个月内（表1）.各海拔高度物质平衡量与夏季总物质平衡量的比例随着海拔升高而增大，原因是海拔较高的地方6月和9月份气温相对更低，冰川消融微弱甚至存在积累.在海拔5670m处比例值为110%，其原因是冰川物质平衡在6月和9月为正（也可能受风吹雪的影响），从而使得夏季总物质平衡量（-1295mm w.e.）大于7—8月份间的物质平衡量（-1427mm w.e.）.在海拔5470～5670m的消融区域内（其面积占冰川面积的40%），7—8月的物质平衡量占夏季总物质平衡量的比率为82.0%.其中，在2011年6月份，整条冰川都有较大的物质积累，积累量从低海拔（5470m）消融区到物质平衡线附近（海拔5670m）为43～201mm w.e.（图3）.

3.2 冰川末端、面积和平衡线（ELA）的变化

气候变暖导致的冰川整体状况变化主要体现在冰川厚度减薄（冰川表面物质亏损）、冰川面积减小、物质平衡线上升和冰川末端退缩4个方面［21-23］.

图4描述了2009年夏季至2012年夏季小冬克玛底冰川末端退缩的过程，期间冰川末端共退缩19.7m，平均每年约退缩4.9m.Pu等［7］的研究结果表明，1994年前冰川末端处于前进或是相对稳定的状态；1994年至2002年，小冬克玛底冰川一直处于不断退缩状态.在1994年6月至2002年10月期间，小冬克玛底冰川末端累计退缩19.4m，年退缩量约为2.2m.最近4a冰川末端年退缩速度为1990年代中末期的2.3倍，有加速退缩的趋势.同时，冰川末端高程也从1995年的海拔5380 m上升到现在的海拔5420m.

根据观测和计算，1995、2005和2012年，小冬玛底冰川面积分别为 1.8km2［8］、1.767km2［16］和1.705km2.1995年至今，小冬克玛底冰川面积减少了0.095km2，相当于目前面积的5.6%.

2009—2012年ELA分别为海拔5675m、5840m、5640m和5725m，平均为海拔5720 m，相比1990年代初的海拔5600m［10］上升了120 m.消融季末ELA与当年的冰川物质平衡量有直接的关系［24］.2008/2009-2011/2012年度的年物质平衡与ELA有很好的相关性（图5）.在小冬玛底冰川，年物质平衡量为零时，ELA约为海拔5649m.

3.3 冰川物质平衡的多年变化

观测期间（2008年7月至2012年9月），小冬克玛底冰川总物质平衡量为-1584mm w.e.，冰川减薄1.76m.2008年物质平衡为较小的负平衡，2011年物质平衡为较小的正平衡；与之相反，2010年物质平衡（-996mm w.e.）则出现极大的负值，其物质平衡量是1989年至今观测到的最大负平衡值（图6），冰川消融剧烈.

为了便于了解小冬克玛底冰川物质平衡的多年变化，将 Yao等［6］、Pu等［7］和Fujita等［8］的物质平衡研究计算结果一并绘入图6中.从图中可以看出，在1980年代末和1990年代初，小冬克玛底冰川物质平衡主要以正平衡为主导；然而1990年代中期以来，冰川物质平衡转以负平衡为主导，1994—2012年的19a间，只出现过2次物质平衡正值.1989—2012年，小冬克玛底冰川累积物质平衡量为-5573mm w.e.，相当于冰川减薄6.2m.

4 冰川物质平衡的影响因素

冰川物质平衡变化是冰川对气候变化的直接反应，它反映了在不同平衡年度内冰川总积累量与总消融量之间的差异程度.气温、降水以及太阳辐射是影响冰川物质平衡的关键气候因素，冰川本身特征（如冰川类型、冰川面积、污化程度等）也在一定程度上影响其物质平衡变化程度.

4.1 气温

在全球升温背景下，气温是影响物质平衡变化的主导因子［7，25］.表2给出了1992年［26］和最近几年小冬克玛底冰川物质平衡线附近的气温状况（1992年为该处1990年代仅有的气象资料观测完整年）.可以看出，与1992年相比，最近几年的年平均气温、正积温都有升高，尤其是正积温升高明显.即使是与1992年年平均气温较为接近的2008年，其年正积温值也为1992年的2倍.这进一步说明了青藏高原内部区域近20a来夏季增温相比冬季显著，夏季气温的升高加剧了冰川物质平衡的亏损.小冬克玛底冰川2010年夏季冰川表面消融异常强烈（图7），物质平衡量是小冬克玛底冰川有观测记录以来的最大负平衡值.对比同期观测的气象数据，2010年夏季平均气温（0.6℃）高于2008—2012年夏季多年平均气温（0℃）.2008和2011年夏季平均气温分别为-0.6℃和-0.4℃，与2010年夏季平均气温相比，分别低了1.2℃和1℃.

为了更好地对比气温与冰川物质平衡间的关系，本文将距研究区较近且有多年时间序列气象资料的安多气象站夏季气温与冰川物质平衡进行对比（图6），发现冰川物质平衡减小和夏季气温升高有很好相关性（相关系数r=-0.75）.因此，夏季气温升高可能是小冬克玛底冰川表面物质加速亏损的直接原因.

4.2 降水

降水是冰川物质积累的重要来源，此外降水还通过改变冰川表面反照率影响冰川物质平衡过程.2008—2011年小冬克玛底冰川物质平衡线附近年降水量平均为680mm，相比1992年（560mm）增加了120mm.其中，2009年降水增加明显（804 mm），在5月份降水就达207mm，这在其他年份实属罕见.2009年和2012年的夏季平均气温以及正积温都较为接近（表2），但冰川物质平衡量却存在较大差异（图7），其原因是2009年降水增多直接导致冰川物质积累增加，致使冰川物质在气温相对较高情况下也未有严重亏损.在大多数年份降水量变化较小，因此对冰川物质平衡的影响也较小.

4.3 反照率

反照率直接影响冰川表面的辐射能量平衡状况，进而影响冰川物质消融量.在云量条件一定情况下，反照率与净辐射直接相关，因此本文利用净辐射量变化分析冰川物质平衡变化（图7）.2008—2011年小冬克玛底冰川物质平衡线附近夏季净辐射为365～744MJ·m-2（表2），2010年夏季净辐射最高（744MJ·m-2），其也是当年冰川物质亏损严重的主要原因之一.2011年夏季净辐射最小（365MJ·m-2），较2010年减少379MJ·m-2，其冰川物质平衡量相差约1000mm w.e..根据王杰等［15］的研究，小冬克玛底冰川在消融期的反照率呈波动减小的趋势，变化速率约为-0.0083a-1，其原因在于夏季气温的升高和冰面污化程度的加大.

在小冬克玛底冰川消融季（5—9月），不考虑太阳总辐射量和云量影响条件下，根据在海拔5610m处花杆实测的物质平衡数据和同期的气象资料，分别得到正积温和反照率与物质平衡的关系（图8）：

式中：B为冰川物质平衡；T为正积温；α为反照率.可以看出，小冬克玛底冰川消融季，物质平衡量受气温和反照率的共同影响由此可以得出，在冰川物质平衡线附近，假设冰川表面反照率不变，当正积温升高1℃，冰川物质平衡量将减小5mm w.e.；假设气温一定条件下（即正积温不变），当反照率α减小0.01时，物质平衡量将减小11mm w.e..与气温相比，冰川物质平衡对反照率变化更为敏感.

4.4 冰川类型

不同类型冰川的物质平衡对气候变化的响应存在差异.图9显示了分别位于青藏高原北部、中部及南部的七一冰川、小冬克玛底冰川和帕隆藏布12号冰川最近几年的物质平衡变化情况［6，27］.其中，七一冰川和小冬克玛底冰川属于大陆性冰川，帕隆藏布12号冰川属于海洋性冰川.帕隆藏布12号冰川的物质平衡减少趋势大于小冬克玛底冰川和七一冰川，这是海洋性冰川物质平衡对气温升高较大陆性冰川更为敏感的结果.在2010年，小冬克玛底冰川与七一冰川的物质平衡一致性出现偏离.出现偏离的原因可能是当年小冬克玛底冰川附近因公路施工增加了冰面污化程度，从而致使冰川反照率急剧减小，增加了冰面能量的吸收（图9）.

5 结论

观测期间（2008年7月至2012年9月），小冬克玛底冰川物质平衡总量为-1584mm w.e.，相当于冰川整体减薄1.76m.在海拔5470m和5760m处的物质平衡量分别为-7430mm w.e.和-1000mm w.e.，相当于冰川减薄8.26m和1.11m.其中，2009/2010年度物质平衡量（-996 mm w.e.）是小冬克玛底冰川有观测记录以来的最大负平衡值，导致其冰川物质平衡值异常小的原因是高的气温和高净辐射量.在海拔5470～5670m的消融区域内，7—8月的物质平衡量占夏季总物质平衡量的比例为82.0%.2009—2012年冰川末端共退缩19.7m，年退缩量为4.9m，是1990年代中末期的2.3倍；物质平衡线高程为海拔5720 m，相比1990年代初的海拔5600m上升了120 m.冰川末端从1995年的海拔5380m上升到现在的海拔5420m.1995年至今，小冬克玛底冰川面积减少了0.095km2，相当于现在冰川面积的5.6%；1989年至今，小冬克玛底冰川累积物质平衡量为-5573mm w.e.，相当于冰川减薄6.2m.进入21世纪以来，在气候再次由暖干转为暖湿背景下，小冬克玛底冰川表面物质处于加速的亏损状态，冰川末端也有加速退缩的趋势.通过相关要素对比分析发现，气温的升高和由反照率降低引起的冰面净辐射增加是导致冰川消融强烈的主要原因.

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