【类型】期刊

【作者】孙维君，秦翔，任贾文，吴锦奎，杜文涛，刘宇硕，侯典炯（中国科学院寒区旱区环境与工程研究所冰冻圈科学国家重点实验室/祁连山冰川与生态环境综合观测研究站；中国科学院寒区旱区环境与工程研究流域水文及应用生态实验室；Institute for Landscape Ecology and Resources ManagementJustus-Liebig-University Giessen；Giessen35392Germany）

【作者单位】中国科学院寒区旱区环境与工程研究所冰冻圈科学国家重点实验室/祁连山冰川与生态环境综合观测研究站；中国科学院寒区旱区环境与工程研究流域水文及应用生态实验室；Institute for Landscape Ecology and Resources Management,Justus-Liebig-University Giessen；Giessen35392,Germany

【刊名】冰川冻土

【关键词】 老虎沟12号冰川；积累区；消融期；能量平衡

【资助项】国家重点基础研究发展计划(973计划)项目(2007CB411501)；国家自然科学基金项目(41071046)；中国科学院冰冻圈科学国家重点实验室课题(SKLCS-ZZ-2009...

【ISSN号】1000-0240

【页码】P38-46

【年份】2019

【期号】第1期

【期刊卷】1;|7;|8;|2

【摘要】为研究冰川消融期积累区的能量平衡,利用2006年6月21日—7月31日祁连山老虎沟12号冰川海拔5 040m气象观测资料,分析了冰川的能量平衡各分量变化特征,估算了冰川表面的能量平衡组成.结果表明:冰川消融期,净辐射是冰川的主要热量来源(占82.1%),其次是感热通量(占17.9%);冰川消融耗热是主要的能量支出项(占70.8%),其次是潜热通量(占29.2%).通过能量平衡方程计算的冰川蒸发/升华量日平均值为0.8mm w.e.,物质亏损量为473mm w.e.,与实测物质亏损量492mm w.e.相差不大,冰川累积物质亏损量计算值和观测值的趋势变化吻合较好.

【全文】 文献传递

祁连山老虎沟12号冰川积累区消融期能量平衡特征

孙维君1， 秦 翔1， 任贾文1， 吴锦奎2，3， 杜文涛1， 刘宇硕1， 侯典炯1

（1．中国科学院寒区旱区环境与工程研究所冰冻圈科学国家重点实验室／祁连山冰川与生态环境综合观测研究站，甘肃兰州730000；2．中国科学院寒区旱区环境与工程研究流域水文及应用生态实验室，甘肃兰州730000；3．Institute for Landscape Ecology and Resources Management，Justus-Liebig-University Giessen，Giessen 35392，Germany）

摘 要：为研究冰川消融期积累区的能量平衡，利用2006年6月21日—7月31日祁连山老虎沟12号冰川海拔5 040m气象观测资料，分析了冰川的能量平衡各分量变化特征，估算了冰川表面的能量平衡组成．结果表明：冰川消融期，净辐射是冰川的主要热量来源（占82．1%），其次是感热通量（占17．9%）；冰川消融耗热是主要的能量支出项（占70．8%），其次是潜热通量（占29．2%）．通过能量平衡方程计算的冰川蒸发／升华量日平均值为0．8mm w．e．，物质亏损量为473mm w．e．，与实测物质亏损量492mm w．e．相差不大，冰川累积物质亏损量计算值和观测值的趋势变化吻合较好．

关键词：老虎沟12号冰川；积累区；消融期；能量平衡

0 引言

冰川表面的能量交换过程与冰川的消融和积累有密切的关系［1-3］．能量交换在时空分布上的变化，一定程度上决定着冰川动态和进退变化，研究冰川下垫面的能量平衡，对于揭示现代冰川发育的水热条件以及冰川与气候的关系有重大意义［4］．我国在山地冰川冰／雪面开展的能量平衡与转化研究始于20世纪50年代末，很长一段时间的观测研究都是以人工为主的单点观测研究［5-9］．进入21世纪以后，在珠穆朗玛峰东绒布冰川［10］、天山科契卡尔巴西冰川［11］和祁连山七一冰川［12-13］进行了一些能量平衡观测研究，但是这些观测多集中在冰川消融期的消融区，而有关冰川消融期积累区的能量平衡观测研究较少．

老虎沟12号冰川（以下简称12号冰川）是祁连山最大的山谷冰川，同时还是中国冰川监测研究的第一个野外观测站所在地［4］．它属于极大陆型冰川［4］，因其物理特性的典型性，为中国众多冰川学者所关注．该地区属于典型的大陆性气候，海拔4 200m地区夏季平均气温大于0℃，冬季严寒，且低温持续时间长，降水主要集中在5—9月，常年盛行西风，以西北气流影响的降水为主［14］．自1958年以来，我国老一辈科学家先后于1958—1962年、1975—1976年和1985年对老虎沟12号冰川地区进行了3次气象、水文和冰川等多学科综合考察［14-18］，但有关老虎沟12号冰川表面能量平衡的研究基本处于空白．此后多年观测停滞，2005年开始，又恢复了对老虎沟12号冰川的全面观测，包括冰川物质平衡、冰川变化、冰川化学和气象水文等多方面的研究．本文以祁连山老虎沟12号冰川为对象，开展冰川表面的能量平衡研究．利用架设在老虎沟12号冰川积累区自动气象站的总辐射、反射辐射、大气和地面长波辐射以及气温、湿度和风速等气象要素的梯度观测资料，采用空气动力学法，计算了冰川表面的感热和潜热通量，并分析了冰川表面的能量平衡特征，结合雪深变化的资料，验证了能量平衡方程估算的冰川物质亏损量．为进一步探讨在气候变暖背景下冰川对气候变化的响应奠定基础．

1 研究区概况

老虎沟12号冰川（图1）（39°26．4′N，96°32．5′E）由东西两支组成，汇合于海拔4 560m处，全长10．8km，面积约为21．9km2，冰储量达2．6292 km3，上线为海拔5 483m，冰舌末端海拔为4 250m，相对高差达1 000多m，平衡线平均海拔约为4 830m［17］．该冰川积累区宽大，坡度平缓（3°～6°），具有稳定性特征（稳定系数达0．36）［19］，是祁连山老虎沟流域中最具代表性的冰川．

2 观测方法和数据处理

2．1 观测方法

自动气象站（AWS）架设在老虎沟12号冰川的积累区（如图1，39°25′39．5″N，96°33′21．8″E，海拔5 040m）．气象传感器技术参数及安装高度见表1，观测项目包括两层气温、相对湿度、风速风向，一层大气压、总辐射、反射辐射、大气和地面长波辐射、雪深等气象要素．气象仪器经过中国气象局的标定和调试后，严格按照《地面气象观测规范》［20］进行架设．所有气象传感器都与耐低温（-55℃）数据采集器CR1000（Campbell，美国）连接，每10s采集1次数据，30min输出1次平均值．观测期间开展了相应的天气现象观测（观测时段为每天08：00、12：00、16：00和20：00）．自动气象站于2006年6月20日开始正常工作，一直到7月31日保持完好工作，由于夏季冰川消融强烈，AWS于8月中旬出现倒伏．本文选取6月21日—7月31日期间（以下简称观测期间）的气象资料用作分析使用．文中的时间均采用北京时间，气象站地方时比北京时间大约晚1h34min．

2．2 计算方法

气象站下垫面常年为积雪，冰川表面的能量平衡方程可表示为：

式中：QM为用于冰雪融化所消耗的能量；Rn为冰雪表面辐射平衡；HS和HL分别为雪面与大气间的感热交换和潜热交换；G为冰雪层中热交换通量；P为降水释放的热通量．上述各项均以冰川表面获得能量为正，失去能量为负，单位为W·m-2．冰／雪层中的热交换通量相对较小，接近于0，故G一般忽略不计．老虎沟12号冰川积累区降水主要以固态降水为主，液态降水非常稀少，因此由液态降水释放的热通量P一般也忽略不计．

辐射在近地面的传输可以分为太阳总辐射、反射辐射、大气和地面长波辐射，4个辐射分量都是通过AWS的辐射传感器直接测得．净辐射是短波净辐射和有效辐射之和，冰川表面的净辐射可以表示为：

式中：Snet为短波净辐射；Lnet为长波净辐射；Sin为太阳总辐射；Sout为反射辐射；Lin为大气长波辐射；Lin为地面长波辐射；α为雪面反射率．

本文采用稳定度订正的块体空气动力学法［21］计算感热和潜热通量，此方法适合应用于冰川下垫面为积雪的湍流热交换的计算中［22］．冰川表面的感热和潜热通量可表示如下：

式中：v，Ta，ea分别为zm＝zh＝zv＝1．5m高度处的风速、气温和空气水汽压；ρo（＝1．29kg·m-3）为标准大气压Po（＝1013．25hPa）下的空气密度；P为当地大气压；cp为空气定压比热（＝1010J· kg-1·K-1）；k＝0．4为卡曼常数；Ts和Es分别为冰川表面温度和该温度下的水汽压（假定是饱和的）．一般来说，冰川消融期间冰面的温度处于0℃，但是夜晚气温下降后，冰面温度可能低于0℃，由于本次观测没有测量冰川表面温度，采用斯蒂芬-波尔兹曼定律计算：

式中：ε为冰雪面的发射率；σ为斯蒂芬-玻尔兹曼常数（＝5．67×10-8W·m-2·K-4）．根据观测资料估计，可以把冰雪面认为是黑体（ε≈1），则冰雪表面的温度可根据下式获得［23］：

冰川表面的饱和水汽压Es可以有以下公式［24］获得：

当Ts＝0℃时，潜热项Lv为水的蒸发潜热（＝2．514MJ·kg-1）；当Ts＜0℃时，Lv为冰的升华潜热（＝2．848MJ·kg-1）；zom，zoh，zov分别为动量、热量和水汽通量的粗糙长度，计算过程中可以认为它们相等［25］．分别为动量、热量和水汽通量的无量纲函数，可表示为理查逊数Rib的函数［26］：

当Rib＞0时：式中：理查逊数Rib为表征大气边界层稳定性参量．当Rib为较大负值时，表示大气处于不稳定状态；当Rib为较大正值时，表示大气处于稳定状态；当Rib接近零时，表示大气处于中性层结状态．可由下式计算得到［27］：

式中：g为重力加速度（＝9．8m·s-2）；Ta和v分别为z高处的气温和风速；zo为表面粗糙长度，可根据不同高度处的风速获得［28-29］：

式中：z1和z2分别取1．5m和3．5m；v1和v2分别为其相应高度处的风速．

冰川消融量和蒸发／升华量之和称为冰川物质亏损量．利用式（1）获得的QM和HL分别计算冰川消融量M［30］和ME蒸发／升华量：

式中：ρw为水的密度（1 000kg·m-3）；Lm为冰的融解潜热（3．34×105J·kg-1）；Lv为蒸发／升华潜热．再结合海拔5 040m的AWS雪深传感器（测量传感器探头距离冰川表面的高度）的观测资料，观测表层雪的密度接近180kg·m-3，正值代表着冰川表面物质积累厚度，负值代表着冰川表面的物质亏损厚度（没有考虑风吹雪对冰川表面的影响）．

3 结果与讨论

3．1 老虎沟12号冰川海拔5 040m气象特征

从图2中可看出，观测期间1 2号冰川海拔5 040m的平均气温为-0．6℃，平均最高和最低气温分别为7．7℃和-6．4℃．41d中08：00—20：00间平均气温超过0℃的天数有23d，主要分布在7月中下旬；平均相对湿度为69%，由于观测期间降水较多，平均相对湿度接近和超过80%的天数有21d；平均风速为2．8m·s-1，日最大和最小平均风速分别为5．3m·s-1和1．1m·s-1．图3中可看出，主风向来自偏西风（W和WSW），频率达到31%，主要是受西风带的影响，次风向来自北风（N），可能与白天太阳辐射增强后的谷风影响有关．

老虎沟12号冰川夏季对流十分旺盛，积云经常布满天空，再加上高原上的大气透明度高以及周围山体的散射辐射等因素，使得该地区的总辐射强度比较大，太阳能资源非常丰富．与晴天条件下的敦煌戈壁地区［31］相比较，观测期间7月23日出现的总辐射日总量最大值32．64MJ·m-2，比戈壁地区的28．68MJ·m-2大了14%；与唐古拉垭口［32］相比较，7月的总辐射月总量718．4MJ·m-2，大于垭口的646．2MJ·m-2．在夏季观测期间，由于这个时间段阴天较多，总辐射日总量变化波动比较大（图2），太阳总辐射日总量平均值为24．15MJ· m-2．6月下旬天气晴朗，总辐射日总量维持在较高的数值．由于连续的阴天，7月中旬总辐射日总量出现连续的低谷值，这反映了天气条件的变化对总辐射的影响．

3．2 辐射各分量特征

图4是观测期间总辐射、反射辐射、大气和地面长波辐射的小时平均序列变化，可看出总辐射和反射辐射变化趋势一致，呈周期性变化，每天中午都出现一个典型的峰值．在6月底和7月中旬受冰川下垫面消融强烈的影响，反射率降低，反射辐射出现明显的较低值；7月上旬受新降雪的影响，反射率升高，反射辐射出现明显的较高值，观测期间总辐射和反射辐射的日平均值分别为279．7W· m-2和167．8W·m-2．大气和地面长波辐射的变化趋势一致，而且地面长波辐射要大于大气长波辐射，受每天云量变化尤其是低云量的影响，在7月初大气长波辐射出现一个异常高值，超过了地面长波辐射；在7月中旬由于阴天较多，云量增加，使得总辐射减弱，大气长波辐射增强，并维持在较高值，观测期间大气和地面长波辐射的日平均值分别为257．8W·m-2和303．1W·m-2．净辐射日平均值变化波动较大，全为正值，净辐射日平均值为66．7W·m-2，不到总辐射日平均值的1／3．冰川表面的反射率和净辐射变化呈负相关，图5中也可看出6月下旬和7月上旬冰川表面的反射率较高，随着净辐射不断增强，气温的不断升高，积雪消融，冰川表面的反射率降低，新降雪后，反射率又增大．由于观测期间下垫面为积雪，反射率较高，日平均值为0．6．

3．3 感热和潜热通量

感热和潜热通量大小取决于近地面层的湍流发展状况，即取决于冰川表面和大气间的温度差、湿度差和风速大小等因素．从图6中可以看出，观测期间感热通量的日平均值为14．4W·m-2，大部分都为正值，冰川表面日平均温度低于日平均气温，大气向冰川表面输送热量．受冰川表面日平均温度高于日平均气温的影响，6月21日、7月8日、7月 21—22日这几天感热通量出现了负值，能量由冰川传向大气．观测期间气温较高，冰川消融，冰川表面的水汽压超过了空气的水汽压，潜热通量全为负值，属于蒸发／升华潜热，其日平均值为-23．9 W·m-2．在7月15—16日，受冰川表面和大气之间温度差、水汽压差和风速较大的影响，感热和潜热通量的绝对值出现明显的较大值．可得出，一般在冰川表面温度和气温较高、风速较大、相对湿度较低的天气里，有利于能量由大气传向冰川和蒸发／升华的进行；在风速较小、空气湿度较大的天气里，不利于冰川上湍流的发展，稍微有所降温，导致温差较小，水汽便会发生凝结或凝华，出现感热较小，潜热为正的现象．

从图6中感热和潜热通量的平均日变化可以看出，感热通量在午后出现最小值，为-0．2 W·m-2，主要是由于太阳辐射的影响，冰川和大气升温，在午后二者的温差最小．20：30时太阳落山后，冰川与大气的温度差增大，感热通量不断增强；到午夜后变得相对稳定，一直持续到次日07：00，太阳升起后，冰川表面温度不断升高，与气温之间的温度差变小，大气与冰川之间的感热交换不断变弱。不同的是，潜热通量出现最小值的时间要比感热通量滞后2h，为-36．6W·m-2，随后不断增大，蒸发／升华能力减弱，20：00以后随着风速变大，蒸发／升华能力不断增强，到午夜出现相对稳定，一直到次日太阳日出后的09：00潜热通量又逐渐减小．

3．4 能量平衡特征

根据能量平衡方程、观测的净辐射和计算获得的感热潜热通量，估算出6—7月12号冰川海拔5 040m的能量平衡组成．在表2中，冰川表面能量平衡收入项中净辐射和感热所占比例平均值分别为82．1%和17．9%，特别是在7月上旬收入项中净辐射比例达到最高，为94．2%．可以看出，净辐射是冰川表面的主要热量来源，其次是感热；冰川表面能量平衡支出项中潜热和用于融化冰雪的热量所占比例平均值分别为29．2%和70．8%．潜热通量在6月下旬出现较高值，所占比例超过了用于消融冰雪的热量，主要是6月下旬冰川下垫面反照率较大，向上短波辐射增强，使得净辐射变小，从而导致潜热所占耗热能量的比例增加．可以看出蒸发／升华潜热对能量的消耗作用不可忽略，但是从表中也可以看出冰雪消融才是主要的耗热项．

3．5 冰川表面的消融特征

在冰川物质平衡中，净辐射是冰川消融的主要能量源，冰川反射率的变化也是冰川消融的一个主要因素［33］．冰川反射率的变化会引起冰川表面净辐射的变化，进而影响冰川消融量的变化．图7中可以看出，冰川反射率和冰川消融之间存在着紧密的联系（相关系数R＝-0．77，n＝41）：当冰川反射率较高时，冰川上出现较小的消融量，随着冰川反射率不断降低，冰川消融量不断增大．尽管观测期间08：00—20：00间平均气温超过0℃的天数有23 d，但是日平均值为0．6的高反射率也抑制了冰川积累区的快速消融．

受多种因素的影响，冰川消融过程是非常复杂的，冰川消融的准确观测也是相当困难的．本文把雪深的变化作为观测值，对能量平衡方程估算的冰川物质亏损量进行验证．观测期间，冰川蒸发／升华量的计算值为34mm w．e．，日平均值为0．8mm w．e．，冰川消融量计算值为439mm w．e．．从图8中可看出冰川累积物质亏损量的计算值和观测值变化趋势基本一致，但是计算值要小于实际的观测值．观测期间，冰川累积物质亏损量的计算值为473mm w．e．，比实测值492mm w．e．小了19mm w．e．，也可以看出冰川累积物质亏损量的计算值和观测值比较接近．

4 结论

利用2006年6月21日—7月31日老虎沟12号冰川海拔5 040m的观测资料，分析了气象变化特征，运用能量平衡原理，估算了消融期能量平衡组成，结合雪深的观测资料，验证了能量平衡方程估算的冰川物质亏损量，得出以下结论：

（1）冰川消融期，净辐射是冰川的主要热量来源（占82．1%），其次是感热通量（占17．9%）；冰川消融耗热是主要的能量支出项（占70．8%），其次是潜热通量（占29．2%）．

（2）冰川反射率是影响12号冰川消融的主要因素之一（相关系数R＝-0．77），尽管观测期间气温较高，但是日平均值为0．6的高反射率抑制了冰川积累区的快速消融；

（3）通过能量平衡方程计算的冰川蒸发／升华量日平均值为0．8mm w．e．，物质亏损量为473 mm w．e．，与实测物质亏损量492mm w．e．相差不大，冰川累积物质亏损量计算值和观测值的趋势变化吻合较好．

冰川与大气间的物质能量交换制约着冰川的变化，能量平衡中感热和潜热通量并不是直接观测到的，虽然本文对利用能量平衡方程计算的冰川物质亏损量进行了验证，但是还需要对湍流通量观测研究的进一步完善，比如用涡动相关系统，而且对冰川的蒸发／升华量还需要进一步的实测验证，因此，还需要开展冰川表面能量平衡的深入研究．

致谢：杨兴国研究员对文章的修改提出了宝贵的意见；蒋友严架设的野外气象站以及2006年祁连山老虎沟12号冰川全体科考队员对野外工作的大力支持，在此一并感谢．

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Surface Energy Balance in the Accumulation Zone of the Laohugou Glacier No．12in the Qilian Mountains during Ablation Period

SUN Wei-jun1， QIN Xiang1， REN Jia-wen1， WU Jin-kui2，3，DU Wen-tao1， LIU Yu-shuo1， HOU Dian-jiong1
（1．State Key Laboratory of Cryospheric Sciences／Qilian Shan Station of Glaciology and Ecologic Environment，Cold and Arid Regions Environmental and Engineering Research Institute，Chinese Academy of Sciences，Lanzhou Gansu 730000，China；2．Key Laboratory of Ecological Hydrology and Basin Sciences，Cold and Arid Regions Environmental and Engineering Research Institute，Chinese Academy of Sciences，Lanzhou Gansu 730000，China；3．Institute for Landscape Ecology and Resources Management，Justus-Liebig-University Giessen，Giessen 35392，Germany）

Abstract：Little is known about the surface energy balance in the accumulation zone of glaciers during the ablation period．In this paper，the characteristics of the components of the surface energy balance are analyzed，and the compositions of energy balance are estimated based on observed meteorological data from June 21to July 31，2006，at an elevation of 5 040meters of the Laohugou Glacier No．12in the Qilian Mountains．It is found that during the ablation period，the net radiation is the principal energy source（82．1%）on the glacier surface，followed by the sensible heat flux（17．9%），whereas the main energy expenditure is the heat flux for snow／ice melting（70．8%），followed by the latent heat flux（29．2%）．The daily mean of evaporation and sublimation is 0．8mm w．e．，and there is less difference between calculated and observed mass loss．The calculated accumulative mass loss is agreed well with the observed one．

Key words：Laohugou Glacier No．12；accumulation zone；ablation period；energy balance

中图分类号：P422．4

文献标识码：A

文章编号：1000-0240（2011）01-0038-09

收稿日期：2010-05-12；

修订日期：2010-08-13

基金项目：国家重点基础研究发展计划（973计划）项目（2007CB411501）；国家自然科学基金项目（41071046）；中国科学院冰冻圈科学国家重点实验室课题（SKLCS-ZZ-2009-04）资助

作者简介：孙维君（1982—），男，山东邹城人，2009年在中国科学院寒区旱区环境与工程研究获硕士学位，现为中国科学院寒区旱区环境与工程研究所在读博士生，主要从事冰川气象研究．E-mail：sun1982wj＠163．com