【类型】期刊

【作者】王国亚，沈永平（中国科学院寒区旱区环境与工程研究所冻土工程国家重点实验室；中国科学院寒区旱区环境与工程研究所）

【作者单位】中国科学院寒区旱区环境与工程研究所冻土工程国家重点实验室；中国科学院寒区旱区环境与工程研究所

【刊名】冰川冻土

【关键词】 冰川面积变化；物质平衡；乌鲁木齐河源1号冰川

【资助项】全球变化研究国家重大科学研究计划项目(2010CB9514042010CB951402)；中国科学院冰冻圈科学国家重点实验室开放基金项目(SKLCS2010-04)；国家自然科学基金项目...

【ISSN号】1000-0240

【页码】P1-7

【年份】2019

【期号】第1期

【期刊卷】1;|7;|8;|2

【摘要】应用天山乌鲁木齐河源1号冰川8期不同时期测绘的冰川地形图,结合冰川物质平衡的实测资料,研究了1号冰川的面积变化及其对物质平衡计算的影响.结果表明:自1962年以来,1号冰川面积处于持续的退缩状态.到2008年8月为止,1号冰川东、西支已经分别退缩了208.2m和110.5m,同时冰川面积退缩为1.645km2,比1962年的冰川面积减小了0.305km2,即15.6%.结果显示,冰川面积的变化不仅表现在冰川末端退缩引起的面积减小上,而且还表现在表面高程下降引起的不同高度带冰川面积的重新分布上,即冰川的表面形态也发生了较大的变化.当不考虑冰川面积变化时,所计算的物质平衡值可能偏大,即高估了物质平衡的变化.计算结果表明,1988/1989年度—2005/2006年度间,1号冰川面积变化对物质平衡计算影响最大为4.5%,最小为2%,平均为3.5%.总之,冰川面积或表面形态变化不大时,对物质平衡的计算影响较小,反之,则影响较大.

【全文】 文献传递

天山乌鲁木齐河源1号冰川面积变化对物质平衡计算的影响

王国亚1， 沈永平2

（1．中国科学院寒区旱区环境与工程研究所冻土工程国家重点实验室，甘肃兰州730000；2．中国科学院寒区旱区环境与工程研究所，甘肃兰州730000）

摘 要：应用天山乌鲁木齐河源1号冰川8期不同时期测绘的冰川地形图，结合冰川物质平衡的实测资料，研究了1号冰川的面积变化及其对物质平衡计算的影响．结果表明：自1962年以来，1号冰川面积处于持续的退缩状态．到2008年8月为止，1号冰川东、西支已经分别退缩了208．2m和110．5 m，同时冰川面积退缩为1．645km2，比1962年的冰川面积减小了0．305km2，即15．6%．结果显示，冰川面积的变化不仅表现在冰川末端退缩引起的面积减小上，而且还表现在表面高程下降引起的不同高度带冰川面积的重新分布上，即冰川的表面形态也发生了较大的变化．当不考虑冰川面积变化时，所计算的物质平衡值可能偏大，即高估了物质平衡的变化．计算结果表明，1988／1989年度—2005／2006年度间，1号冰川面积变化对物质平衡计算影响最大为4．5%，最小为2%，平均为3．5%．总之，冰川面积或表面形态变化不大时，对物质平衡的计算影响较小，反之，则影响较大．

关键词：冰川面积变化；物质平衡；乌鲁木齐河源1号冰川

0 引言

冰川对气候变化反映敏感．20世纪以来，随着气候变暖，全球多数山岳冰川出现退缩，最近20a这一退缩又出现了加速的趋势［1-2］．在中国，冰川的加速退缩亦十分显著，尤其在西北地区，表现为冰川融水径流剧增，面积缩小，末端后退，雪线升高，许多小冰川已接近消亡的边缘［3-4］．冰川对气候状况的动力调整需要几十年到几百年的时间［5］．但目前精确计算冰川的瞬时动力响应是不可能的，因为对大多数冰川来说，所需要的信息是无法获取的．一些研究者提出稳定状态的冰川的储量与面积之间存在一定的比例关系［6-8］，如果这种关系保持不变，当冰川面积减小时，我们可以推导出储量的变化．使用这种方法的计算结果表明，在以后的70 a，由于面积的缩小，将导致过高估计冰川物质平衡损失约15%～20%［9］．如果忽略冰川面积的变化，按照到2100年的气候情景，可能导致过高估计约25%的净物质平衡损失［10］．乌鲁木齐河流域＞1 km2的冰川面积缩小率在5．6%～17．7%之间，平均为10．8%，而面积＜1km2的冰川面积缩小率在3．4%～65．3%之间，平均为18．8%．规模小的冰川面积缩小率明显大于规模较大的冰川，但后者缩小的绝对量较前者大［11］．因此，在积累-消融的直接物质平衡观测计算中，每年或冰川面积变化较大时对计算时应用的冰川面积大小进行调整是非常必要的．

1 研究区概况

天山乌鲁木齐河源1号冰川（以下简称1号冰川）位于欧亚大陆腹地，我国天山中部天格尔山北坡的乌鲁木齐河源头（86°49′E，43°05′N），距新疆自治区首府乌鲁木齐市120km．该冰川由东、西两支流组成（图1），为双冰斗-山谷冰川．2008年1号冰川长度约为2．21km，面积为1．645km2．冰川最高海拔4 486m，冰舌末端海拔东支为3 740m，西支为3 830m，雪线（积消零平衡线）多年平均海拔4 059m，垂直高差约750m，其流域海拔最低为水文观测点（3 693m）．

1号冰川区属于大陆性气候，气温常年低于0℃．根据位于其附近的大西沟气象站1961—2008年的观测资料可知，多年平均气温为-4．1℃，夏季降水丰沛，多年平均降水为458mm，气候条件有利于冰川的发育．气候变化可分为四季：春季（3—5月）气温大都在0℃以下，多年平均为-5．3℃，降水较少，多年平均为80．1mm，仅占全年降水的18．2%；夏季（6—8月）气温大多在0℃以上，多年平均为4．2℃，降水主要集中在这个季节，多年平均为302．7mm，占全年总降水的66．8%，降水多以雪、雹、霰等固态形式出现；秋季（9—11月）气温逐渐转为0℃以下，平均为-4．7℃，降水也显著减少，多年平均为58．8mm，仅占全年降水的13．1%；冬季（12月至翌年2月）气温大都很低，平均为-14．5℃，降水也很少，多年平均为8．6mm，仅占全年降水的1．9%．由此可见，夏季既是冰川的消融期，也是冰川的主要积累期．

2 资料来源及处理

自20世纪60年代以来，不同研究者应用平板仪（1962年）和地面立体摄影（1973、1980、1986、1994年）以及GPS（2001年）测量方法对1号冰川进行过6次较正规的大比例尺（1∶10 000和1∶5 000）地形测量制图．另外，在1964、1992年和2002年对乌鲁木齐河流域冰川还进行了重复航空摄影测量．冰川末端位置和运动速度测量除1962和1973年的两次外，从1980年开始，每年进行测量，这些都为1号冰川规模变化研究提供了可靠依据［12］．2008年8月中旬，笔者所在的项目组采用实时动态GPS（RTK）对1号冰川又进行了比例尺为1∶5 000的地形图的施测，点位误差＜10cm，GPS接收机为南方灵锐86及灵锐82各两台，台标称精度为±5mm＋2ppm．2008年8月施测的1号冰川地形图的测绘坐标系采用WGS84坐标系，并以此作为各期图件的统一坐标基础，采集各期冰川图上重合的特征点或控制点（即该点在WGS84坐标系下及原扫描图下均有坐标），通过二维坐标变换（平移、旋转、尺度）将各期冰川地形图统一到2008年的坐标系下．二维坐标变换采用平面四参数转换模型，公式如下：

式中：x0，y0为平移参数；α为旋转参数；m为尺度参数；x2，y2为WGS84坐标系下的平面直角坐标；x1，y1为原坐标系下平面直角坐标．该模型至少需要两个重合点，如果重合点数多于两个，则用最小二乘法计算平移、旋转和尺度参数．

1号冰川物质平衡的系统观测始于1959年，除正常进行冬、夏和年平衡观测外，夏季每10～30d还进行一次物质平衡和相应平衡线高度的测量，积累了详细的冰川物质平衡、平衡线高度与冰川末端位置变化的逐年观测结果．1号冰川曾在1969—1978年中断观测，张金华等［13］根据物质平衡各分量与气候要素的关系插补了这一时段的物质平衡值．所以，在文章中仅选用中国科学院天山冰川观测研究站1979—2006年近30a的花杆点净物质平衡的直接观测数据进行计算．

3 1号冰川面积的变化

3．1 冰川总面积变化

自1962年有观测记录以来，1号冰川面积处于持续的退缩状态（图2，图3）．根据2008年的测量结果，1号冰川东、西支已经分别退缩了208．2m和110．5m，退缩速度分别为4．43m·a-1和2．35m·a-1，东支的退缩速度明显大于西支，主要是由于东支冰川规模较大，且所处的海拔区间及地形不同所致．到2008年为止，1号冰川面积已经退缩为1．645km2，比1962年的冰川面积减小了0．305 km2，即15．6%．1962—1992年间的30年冰川面积才减小了0．12km2，即6%，而1992年之后，冰川退缩明显加快（图3）．1992—2008年间的仅16 a，冰川面积就减小了0．188km2，即10．3%．

根据不同年份的地形测图，将冰川变化划分为不同的时段，然后计算其年平均面积缩小率．由各时期冰川年均面积缩小率（图4）也可以看出，1992—1994年间，冰川年均面积缩小率最大，为2．48%，原因可能与1993年东、西支冰川的分离有关；其次为2001—2008年间与1964—1973年间冰川年均面积缩小率较大，分别为0．53%和0．41%．1980—1992年间冰川年均面积缩小率最小，仅为0．03%，主要因为1980年代的平均气温是近几十年来最低的，降水也是最少的，所以冰川形态变化不大．1962—1964年及1973—1980年间的冰川年均面积缩小率相等，为0．23%．可能与1960年代及1970年代的气温、降水状况相当有关．曹梅盛等［14］对稳定状态下冰川纵向断面计算得出，1号冰川达到稳定状态，总面积将比1980年减少0．304 km2．而到2008年为止，1号冰川面积已经比1980年减少了0．195km2．可见，如果气候保持在1987年的状况不变时，1号冰川面积还要继续减少0．109km2，方能达到稳定状态．

3．2 冰川东、西支不同高度面积变化

近几十年来，1号冰川面积和表面形态已经发生了巨大的变化．根据海拔变化将冰川表面划分为50m间隔的高度带．对比1980年与2008年的冰川面积随海拔的分布情况（图5，图6）可以看出，东支冰川上部海拔4 150m以上及下部海拔3 750～3 850m的高度带内冰川面积均减小，而处于海拔3 850～4 150m之间的冰川高度带中的冰川面积有增有减，说明自1980年以来冰川东支上、下部在消融季节都会出现消融状况．亦有研究指出［15］，1号冰川1980年以后，就未观测到渗浸带特征，1982年7—8月，东支冰川海拔4 100m处有11m深以上全为0℃和30m深处为-0．1℃的记录．1980年代末，由于气候变暖，冰川成冰带谱发生改变，冰川上部的冷渗浸-重结晶带特征消失，被渗浸带所取代［16-17］．由于温度升高，成冰带谱特征由冷向暖转化，雪层剖面特征趋于简化的现象出现［18］．并于2004年11月16日在海拔4 225m的东支顶部发现一个小的冰面湖［19］，表明冰川顶部也发生了强烈消融．但是从冰川边界变化（图2）可以看出，中、上部的冰川边界范围变化并不大，这部分冰川面积的减少，主要是由于冰川表面海拔变化引起的．因为如果某一高度带的冰川表面下降，虽然它的两侧边界没有缩小，但是这部分面积已经不属于这个高度带的范围了．所以冰川面积减小，不仅表现在冰舌末端的退缩上，而且也会表现在冰川表面海拔的降低上．而西支冰川除海拔4 100～4 150m及4 200～4 300m高度带之间的面积变化不大外，其余各个高度带上的面积均有减小，面积减少最大的高度带是顶部及海拔4 050～4 100m之间，减少面积达0．02km2．

4 冰川面积变化对物质平衡计算的影响

4．1 冰川面积插值

在1号冰川物质平衡序列资料的计算过程中，由于冰川地形图的测图时间间隔较长，而且一般成图时间滞后，因此，无论冰川的变化大小，多年总是采用相同的冰川面积（表1）（例如，1979／1980年度—1995／1996年度共6a都采用的是1．84km2．众所周知，1993年东、西支冰川分离，冰川总面积减少很多，因此还采用1．84km2来计算显然是不合理的），所以要进行物质平衡估算，必须对以前的物质平衡资料重新进行计算．首先，需要对计算中采用的冰川面积进行调整．目前，利用8次不同时期的实际冰川观测面积，对每年的冰川面积进行了插值计算，结果如图7所示．由图7可以看出，在1962—1973年间，冰川面积处于逐渐减小的状态；1974—1992年间，冰川面积的变化量很小，基本保持稳定；1993—1994年间，冰川面积急剧减小，可能与东、西支冰川分离有关；1994年至今，冰川面积处于一种持续的缩小状态中．

4．2 物质平衡的计算方法

整个冰川物质平衡的计算，是将各点年纯积累量与年纯消融量综合起来计算，即得到整个冰川的年净平衡，目前主要有两种方法：等值线法和等高线法．曾经在乌鲁木齐河源1号冰川上的试验［20-23］表明，等值线法与等高线法计算物质平衡所得到的结果相近．

（1）等值线法．在每根物质平衡花杆下定期测量积雪和附加冰的厚度及其相应的密度，计算单点水层深度，即将单点观测得到的平衡值bi点绘在大比例尺冰川地形图上，绘制整个冰川年净平衡等值线图，以面积加权方法计算整个冰川的平均积消量．这种方法是1号冰川物质平衡测量和计算的传统手段，整个冰川的年净平衡用以下公式计算：

式中：Bn为整个冰川的净平衡；sdzi为两相邻等值线间的投影面积；bi为sdzi的平均净平衡；n为sdzi总数；S为冰川的总面积．

（2）等高线法．在物质平衡研究中，常常需要了解净平衡及其他分量随海拔的变化，某海拔处的净平衡称为比净平衡．计算方法是在地形图上，依海拔将流域冰川划分为若干高度带（区间），在每一高度带内选择若干点定期测量单点物质平衡，求取所有测点积累（消融）量的平均值，作为该区间的单位物质平衡；然后用相邻等高线间的冰川面积与对应的平均平衡量相乘，累计得到整条冰川净物质平衡量，并折算为单位面积物质平衡值，即依面积加权方法计算流域或冰川整体的积累（消融）量［24］．用等高线法计算整个冰川的年净平衡用以下公式计算：

式中：Bn为整个冰川的净平衡；sdgi为两相邻等高线间的投影面积；bi为sdgi的平均净平衡；n为sdgi总数；S为冰川的总面积．

4．3 等高线法计算的冰川物质平衡

由于历年1号冰川物质平衡的计算均采用等值线法，为了研究冰川面积变化对物质平衡计算的影响时便于比较，因此采用等高线法对有观测资料的1988／1989年度—2005／2006年度的物质平衡重新进行了计算，结果如图8所示．可以看出，1988／1989年度—1997／1998年度等高线法计算的物质平衡比等值线法稍大之外，1998／1999年度—2005／2006年度二者的计算值却是相差无几．造成这种误差的主要原因是，1997／1998年度之前积累区中、上部的测点少，在有的高度区间内仅有1～2个，而消融区某些高度区间的测点数可高达8～9个．各高度区间测点数不一，而造成权重不一的状况是影响等高线法精度的主要原因．而1997／1998年度之后，在冰川积累区中、上部增加了一些测点，消除了测点不一的影响，因此所计算的物质平衡值也就比较接近了．

4．4 冰川面积变化对物质平衡计算的影响

根据冰川不同高度带面积的插值，应用等高线法对物质平衡重新进行了计算，计算结果如图9所示．由图可以看出，利用不变的面积所计算的物质平衡值比利用插值后面积所计算的物质平衡值偏大，相差最大的为1997／1998年度，达-128mm，即20．1%．但是1997／1998年度冰川总面积变化却不是最大的一年，面积变化对物质平衡的影响主要是因为不同高度带的冰川面积大小发生变化引起的．1997／1998年度西支冰川末端3 800m以下的面积就缩小了0．004km2，东支海拔3 850～3 900m高度带的面积缩小了0．005km2，而冰川下部又是物质平衡亏损的最大区域．气候变化与山地冰川几何形态变化都对冰川消融有着重要的影响［25］，在冰川长度、面积和体积变化中，以体积变化最大，面积次之，长度最小［11，26-28］．因此，虽然冰川总面积的大小变化不大，但冰川表面形态的变化依然会对物质平衡的计算结果产生较大的影响．由于冰川面积测量的时间间隔不一，分别计算1988／1989年度以来各时段的冰川面积变化对物质平衡计算的影响值．其中最大为1996／1997年度—1999／2000年度的4．5%，最小为2000／2001年度—2004／2005年度的2%，平均为3．5%．总而言之，如果冰川面积或表面形态变化不大时，对物质平衡的计算影响较小，但冰川面积或表面形态变化较大时，则影响较大．

5 结论

1号冰川面积自1962年来总共已经减小了0．305km2，即15．6%．应用8期不同时期实测的冰川地形图，对没有测量的年份的冰川面积进行了插值计算．通过对不同时期、不同高度带冰川面积变化的比较可知，冰川面积的变化不仅表现在冰川末端退缩引起的面积减小上，而且还表现在表面高程下降引起的不同高度带冰川面积的重新分布上，即冰川的表面形态也发生了较大的变化．不考虑冰川面积变化时，所计算的物质平衡值可能偏大，即高估了物质平衡的变化．如果冰川面积或表面形态变化不大时，对物质平衡的计算影响较小，但冰川面积或表面形态变化较大时，则影响较大．计算结果表明，1号冰川面积变化对物质平衡计算影响最大为4．5%，最小为2%，平均为3．5%．

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The Effect of Change in Glacierized Area on the Calculation of Mass Balance in the Glacier No．1at the Headwaters ofÜrümqi River

WANG Guo-ya1， SHEN Yong-ping2
（1．State Key Laboratory of Frozen Soils Engineering，Cold and Arid Regions Environmental and Engineering Research Institute，Chinese Academy of Sciences，Lanzhou Gansu 730000，China；2．Cold and Arid Regions Environmental and Engineering Research Institute，Chinese Academy of Sciences，Lanzhou Gansu 730000，China）

Abstract：Based on eight topographic maps of the Glacier No．1at the headwaters ofÜrümqi River（Glacier No．1for short）in different periods and the data of mass balance，the change in glacierized area and its impact on the calculation of mass balance were studied．The results show that the area of Glacier No．1has been retreating since 1962．Until August 2008，the east and west branches of the Glacier No．1had retreated 208．2mand 110．5 m，respectively，while the glacier shrank to 1．645 km2，i．e．，decreased by 0．305km2or 15．6%than that in 1962．The change in glacierized area is not only in the decrease of glacierized area owing to the glacier end retreating，but also in the re-distribu-tion of glacierized area with altitude owing to the decline of surface elevation，namely，the surface morphology of glacier has also undergone a great change．When the glacierized area change does not take into account，the mass balance change may be overestimation．It is found that the maximum，minimum and average errors due to the effect of the change in the glacierized area on the calculation of mass balance is 4．5%，2%and 3．5%，respectively，during 1988／1989—2005／2006．In short，little change in the glacierized area or surface morphology results in little influence on the calculation of mass balance，on the contrary，larger influence．

Key words：change in glacierized area；mass balance；Glacier No．1at the headwaters of theÜrümqi River

中图分类号：P343．6

文献标识码：A

文章编号：1000-0240（2011）01-0001-07

收稿日期：2010-06-06；

修订日期：2010-10-18

基金项目：全球变化研究国家重大科学研究计划项目（2010CB951404；2010CB951402）；中国科学院冰冻圈科学国家重点实验室开放基金项目（SKLCS 2010-04）；国家自然科学基金项目（40771047）；国家重点基础研究发展计划（973计划）项目（2007CB411507）资助

作者简介：王国亚（1972—），女，山西永济人，工程师，2010年在中国科学院寒区旱区环境与工程研究所获博士学位，现为博士后，主要从事寒区水文和全球变化研究．E-mail：guoya＠lzb．ac．cn