【类型】期刊

【作者】刘巧，刘时银，张勇，张盈松（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；中国科学院成都山地灾害与环境研究所山地环境演变与调控重点实验室）

【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；中国科学院成都山地灾害与环境研究所山地环境演变与调控重点实验室

【刊名】冰川冻土

【关键词】 海洋型冰川；消融特征；冰川变化；海螺沟冰川

【资助项】科技部基础性工作专项项目　　（2006FY110200）；国家重点基础研究发展计划（973计划）项目　　（2007CB411501）；中国科学院知识创新工程重要方向项目　　（KZCX2...

【ISSN号】1000-0240

【页码】P227-236

【年份】2019

【期号】第2期

【期刊卷】1;|7;|8;|2

【摘要】冰川消融过程与水热条件、气象要素、冰面局地和周边地形以及冰川表面状况等密切相关.利用海螺沟冰舌段GPS测量的结果,对冰舌段的冰川近期变化包括规模变化和厚度减薄进行了新的评估.结果表明:自1989年以来冰舌段冰川厚度减薄约26%,远显著于20世纪60年代以来冰川面积的减少比例4.05%.基于对海螺沟冰川消融区冰舌段详细消融过程的观测,从冰川消融同气温的关系入手,分析了海洋型冰川的消融过程和特征,并探讨了影响冰川消融的其它因素.

【全文】 文献传递

贡嘎山海螺沟冰川消融区表面消融特征及其近期变化

刘 巧1，2， 刘时银1， 张 勇1， 张盈松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，甘肃兰州 730000；2．中国科学院成都山地灾害与环境研究所山地环境演变与调控重点实验室，四川成都 610041）

摘 要：冰川消融过程与水热条件、气象要素、冰面局地和周边地形以及冰川表面状况等密切相关．利用海螺沟冰舌段GPS测量的结果，对冰舌段的冰川近期变化包括规模变化和厚度减薄进行了新的评估．结果表明：自1989年以来冰舌段冰川厚度减薄约26%，远显著于20世纪60年代以来冰川面积的减少比例4．05%．基于对海螺沟冰川消融区冰舌段详细消融过程的观测，从冰川消融同气温的关系入手，分析了海洋型冰川的消融过程和特征，并探讨了影响冰川消融的其它因素．

关键词：海洋型冰川；消融特征；冰川变化；海螺沟冰川

0 引言

冰川是重要的水资源，冰川变化会影响下游水资源利用、生态环境以及引发相关的自然灾害，全球冰川储量变化对海平面升降有重要影响［1-2］．近几十年以来，除少数冰川有前进或稳定现象外［3］，我国大部分冰川表现为持续后退和面积减少［4-7］，在西北干旱区对水资源利用已产生重要影响［4，8-10］．近期，利用高精度全球定位系统（GPS）、卫星雷达（激光）测高技术或冰川探地雷达（GPR）等手段，直接探测发现一些典型冰川冰面高程降低或冰川厚度减薄［11-16］．冰川后退、面积减少以及厚度减薄所导致的冰川储量减少，是冰川对区域气候变化的响应过程，是冰川消融强度变化、物质平衡变化以及冰川运动等综合作用的结果［17］．为研究冰川物质平衡变化以及与其相关的冰川径流变化，需要建立起冰川消融过程同相关气象等其他要素的关系，对冰川径流和冰川物质平衡模拟，进而预测未来气候情境下的冰川动态和对水资源的影响．

气候变暖背景下，海洋型冰川物质平衡变化及特征与大陆型冰川明显不同，主要表现在：具有较高的物质交换水平［18］，对气候变化更敏感［6，19］，冰川动态性强（运动速度快）［20］等．冰川消融过程与水热条件、气象要素、冰面局地和周边地形（如坡度、坡向和遮蔽度）以及冰川表面状况（如表碛覆盖、冰塔林及裂隙发育）等密切相关，因此，本文首先利用海螺沟冰舌段GPS测量的结果，对冰舌段的冰川变化包括规模变化和厚度减薄进行了新的评估；基于对海螺沟冰川消融区冰舌段详细消融过程的观测，从冰川消融同气温的关系入手，分析了海洋型冰川的消融过程和特征，并探讨了影响冰川消融的其它因素．

1 研究区概况

贡嘎山位于青藏高原东南缘横断山最高峰，主峰海拔7 514m［21］，周围共发育冰川74条［22］，是我国主要海洋型冰川分布区之一［23］（图1）．海螺沟冰川为贡嘎山东坡较大山谷冰川，长13．1km，面积25．71km2，零平衡线位于海拔4 880m附近［20］，为较大山谷冰川．冰川区气候显著特征为雨热同季，海拔3 000m多年平均气温为4．1℃，年降雨量为1 956mm，其中，夏季（7-9月）降雨量占43．89%．积累区雪崩频繁，雪崩补给量占雪线以上冰川总补给量的44%［24］．冰舌末端海拔2 990 m，伸入峨嵋冷杉林线以下，大部分为表碛所覆盖．

2 数据获取与处理

2008年4月，我们在海螺沟冰川冰舌消融区共布置了24根花杆（图1），分别在海拔3 520、3 450、3 200、3 125和3 075m左右的5个高程段进行冰面消融观测．海拔3 300和3 400m两个段间因冰裂隙多、冰面坡度大，2008年未布设花杆，2009年花杆布设改为沿冰川主流线分布，从海拔3 100～3 500m 左右共布设了15根纵向的花杆，在海拔3 200～3 300m之间增设了4根花杆，海拔3 300～3 400m间仍由于冰裂隙多而缺少观测．2008年花杆观测至10月底，2009年观测从5月份开始还在继续，本文使用5-8月的观测资料，观测周期均为7～10d左右．

2008年4月、6月和10月考察期间，采用易测E640型RTK-GPS［11］对消融区冰舌段进行了多次详尽的冰面高程测量（约91 140个碎步点），并生成调查冰舌段的数字高程模型（DEM），该DEM用于同1989年航测1∶5万地形图生成的DEM比较得出冰面高程变化信息．由于贡嘎山地区地形起伏大，1989年地形图高程误差较大，利用冰川外围附近若干参考测点前后两次的高程测量的误差分析，得出两期地形图高差平均误差约±11．2m．

冰面消融过程与消融强度特征分析中，采用度日模型［25-28］的概念，即通过计算一定时段消融量同正积温（the positive degree-day sum，PDD）间的关系得到消融强度，即度日因子（the degree-day factor，DDF）．本文计算了DDF在冰舌段的空间变化，进而分析冰面消融强度的空间差异及其影响因素．气象数据使用中国科学院贡嘎山高山生态站3 000m站的气象观测，图2是2008年4-10月期间海拔3 000m逐日气温和降水分布，冰面上花杆处日平均气温通过气温递减率推算．据3 000m气象站记录，2008年4月10日至10月31日，平均气温9．8℃，最高气温15．8℃（8月20日），最低气温0．5℃（4月23日），其中7-8月平均气温12℃；4-10月间降雨总量1 600mm，占多年平均年降雨量的81．6%．

海螺沟冰川谷局地小气候差异较大，不能简单的按海拔从3 000m往上推算各点日平均气温，本研究中采用苏珍等的结果［29］，各海拔段取气温递减率分别取海拔2 880～3 010m为0．23℃，海拔3 010～3 210m为0．9℃，海拔3 210～3 510m为0．2℃．

3 结果分析

3．1 消融区冰面消融特征分析

3．1．1 季节消融变化及其空间差异特征分析

海螺沟冰川冰面消融，一般始于3月，结束于12月，5-10月为冰川的主要消融期［20］．图3为2008年所观测的不同海拔段各花杆日平均消融量变化过程，日平均消融量通过每个观测周期内单个花杆的消融总量与观测时间间隔给出．气温是控制冰川消融的首要因素，观测结果显示，消融期内日平均消融量同气温的季节变化关系明显．强消融大多发生在7-8月，最大在海拔3 520m的3号花杆，7月27日至8月5日期间日平均消融深为109．4mm·d-1，对应正积温110．1℃，计算DDF为9．74mm·d-1·℃-1．从各海拔段平均值来看（图3f），海拔3 200m平均消融最大，各时段DDF介于2．1～10．1mm·d-1·℃-1间；3 075m海拔段的两根花杆最低，各观测时段DDF介于1．6～4．9mm·d-1· ℃-1间．表碛覆盖及其厚度变化是影响冰面消融量的另一主要因素，海螺沟冰川舌在海拔3 500以上基本上是裸露冰面，3 200m左右冰面坡度大，无法形成稳定的表碛覆盖，而海拔3 075m一带表碛平均厚约30cm，到末端附近表碛最大厚度达60～100cm［30］．

上述是通过单个观测时段消融量和正积温的关系计算DDF对各点消融强度及其季节变化进行分析．冰川消融主要与气温呈正相关，但同时受海拔、冰面状况、风速、反照率以及谷地遮蔽度、坡度坡向等地形因素的影响．为总体评估冰面上各点消融期内的消融强度，有必要建立整个消融期内的消融量同相应正积温的关系．图4是对各观测时段消融量同相应正积温做散点相关图，1～24号花杆分别拟合出一个“平均消融强度”，即图中直线的斜率k，同时给出基于正积温的相应DDF（用总消融量同正积温计算）．有完整记录的花杆观测结果显示，4月初到10月底，消融区冰面累积消融深度最大为3 200m海拔段的12号花杆9 392mm，最小为接近末端的24号花杆5 502mm，平均消融深为7 281mm．计算的DDF最大的11号花杆为6．39 mm·d-1·℃-1，最小的17号花杆为2．63mm· d-1· ℃-1．

3．1．2 历年消融特征

1990年中苏贡嘎山冰川联合科学考察期间，在海螺沟冰川冰舌段设立了一系列消融和冰川运动观测断面及测点［31-32］，1990-1994年花杆观测相对连续，1995-1998年大部分花杆融完后未补，只有一些零星的观测数据，所记录为花杆点的年消融量和年运动速度．图5为1990-1998年各海拔段花杆平均年消融量的对比．为对比消融量随海拔的变化，2008年4-10月及2009年5-8月所观测数据也列入其中．

图5显示，各年消融量在空间分布上具有一致性，即随海拔上升，距冰川末端越远，消融越强烈．主要原因是末端附近表碛较厚，向冰川上游表碛厚度变薄，海拔3 500～3 600m一带基本上是裸露冰面［20］．消融强度梯度在3 250～3 350m左右出现一个拐点，可能与冰面朝向变化有关．冰舌自海拔3 200m以下基本上是朝向东，3 200～3 400m改为朝向东北，3 400～3 600m朝向为东南．冰舌两侧山体高大，平均海拔达6 000m以上，与冰面有约3 000m的高差，谷地遮蔽度对冰面太阳入射角度和入射时间影响很大，冰面太阳辐射总量在不同朝向上必然有较大差异．

1993-1994年度同海拔段消融量明显较前3a大，在冰舌下游表现尤为明显，平均要高出100～150cm．计算了3 000m气象站1990-1994年各年的正积温，结果依次为1 934．4、1 918．9、1 881．6、1 974．8和2 033．6℃，后两年正积温明显高于前3a，是1993-1994年度消融量大的主要原因．2008年和2009年现有观测数据表现出一致的梯度变化，且均在海拔3 200～3 350m消融量出现一峰值，与基于花杆观测值计算的该海拔段具有相对较大的DDF也相吻合．由于2008年在海拔3 300～3 400m段缺少花杆观测，2009年更好地反映了消融强度随海拔的梯度变化．近年来冰川消融呈加速趋势，2008-2009年虽无完整年消融观测，但在3 400m以下海拔段消融量显然将高于1990-1998年同一海拔的平均消融量．

3．2 冰川近期变化特征

3．2．1 冰川规模变化

有关海螺沟冰川规模的近期变化，已有较多研究［4，23，33］．近年来，在气候变暖的大背景下，该冰川后退趋势明显．各种研究结果和资料记录表明［33-35］，自20世纪30年代至2006年，冰川退缩达1 800m有余［33］．图6是根据各期Landsat遥感数据（1975年10月MMS和1994年9月TM影像）和地形图（1966年测绘，分辨率30m，为该地区第一次冰川编目参考底图［22］）反映的冰川末端后退情况．其中，1930年为根据Arnold Heim［36］考察描述冰川末端大体位置而勾勒出的边界，2008年为野外GPS现场堪定边界．结果表明，海螺沟冰川自1930年以来共退缩了约1 878m，其中1930-1966年间共后退1 150m，1966-1975年共后退约（295±60）m，自1975-1994年19a间共后退（252 ±45）m，而1994-2008年14a间共后退约（181± 23）m．冰川面积相对于第一次冰川编目时（1966年）的25．583km2，2008年减少了4．05%，为24．554km2．

3．2．2 1989—2008年间消融区冰面高程变化

海螺沟冰川左侧3 200m附近大磨光面近年来的暴露过程一定程度上反映了冰川的减薄事实［33］．2008年通过冰舌段冰面详尽的GPS测量得到新的冰面DEM，用1989年航空测绘地形图DEM（分辨率15m）减去上述DEM，得到调查冰舌段冰面的高程变化，即冰川减薄，如图7和图8所示．调查冰舌段长4．8km，宽360到642m，海拔范围从2 922到3 582m，冰面平均减薄（33．9±11．2m），平均减薄速度为（1．8±0．6）m·a-1．最大减薄出现在冰舌末端，为（81．5±11．2）m，主要由于冰川后退和末端冰下河出水口的坍塌所致［37］．总体上，冰舌两侧减薄较中部明显，冰川下游较上游明显．

20世纪90年代初，海螺沟冰川冰舌段平均厚度在为130m左右［38-39］，由此推算，从1989年到2008年，冰舌段平均减薄占冰川厚度的26%左右，其结果相当可观．同冰川长度和面积的减少比例相比，冰川消融区的厚度减薄更为明显，是冰川响应气候变暖而消退的重要过程．

4 讨论和结论

受野外条件限制，海拔3 600m以上冰川区特别是占冰川面积67．6%的积累区，本研究未涉及，因此无法估计整条冰川的物质平衡．对海螺沟冰川积累区的考察研究仅限于1990年中苏贡嘎山冰川联合考察［31］，当年通过积累区粒雪盆的若干雪坑观测资料，Aizen［40］和谢自楚等［18］分别推算整条冰川物质平衡分别为-120mm（1989-1990年）和-98mm（1990-1991年）；谢自楚等［18］又用水量平衡法和零平衡线法重建了海螺沟1990-1998年间的物质平衡．消融区冰舌段的冰川减薄已是不争的事实，冰舌以上区域其实也经历着变薄，如冰瀑布上部近年来每到消融期末便有基岩出露［33］．

通过对比近几年观测的消融区冰舌段的冰川单点物质平衡以及冰川后退历史，发现海螺沟冰川呈加速消融趋势明显，这与海洋型冰川物质交换水平高、对气候变化敏感及响应气候变化的周期短有关［6，18］．海螺沟冰川下游1km左右的水文站记录了自1990年以来的冰川河水位和流量，结果显示径流增加明显，而降水变化却不明显［41］．1990年以来该冰川面积减少比例并不大，径流增加主要是冰川消融强度变大的结果，同时表现为冰川厚度的大幅减薄，自1989年以来冰川减薄约占冰川厚度的26%．冰川变化会引发径流变化，只有当冰川面积大幅减少，即产流面积减少时，径流才有可能逐渐降低．由于海螺沟冰川形态为消融区狭长的山谷冰川，冰川面积减少比例不可能很大，即使考虑未来冰川舌表碛增厚对冰川消融的抑制作用，在将来一定时期内，冰川径流可能不会很快转变为降低．

通过花杆观测分析了海螺沟冰川消融期内冰面消融强度的变化及其同正积温的关系，发现消融量同正积温具有较好的正相关关系．但消融强度还受表碛、冰面及其周边地形等其他因素控制，导致度日因子在冰川上不同位置差异较大，各观测点介于2．63～6．39mm·d-1·℃-1之间．由冰川侵蚀和运动而发生的表碛输送过程，使表碛在末端附近富集［42］．海螺沟冰川越到末端表碛越厚，对靠近末端的冰川消融有明显的抑制作用，使其消融速率远低于海拔3 500m以上的裸冰区．

本文没有探讨降水对冰面消融过程的影响，其实已有研究发现降水过程对积雪或冰面消融具有促进［43］或抑制效应［44］．海螺沟冰川消融区活动层温度，接近0℃，处于压力融点［20］，除冰面消融外，冰内及冰下也存在消融，目前尚无研究划分其所占比例．从海螺沟冰川广泛发育的冰内及冰下河道可推断［39］，冰内及冰下消融可能是冰川融水径流的重要组成部分，且存在季节变化特征［45］．同大陆型和极地冰川相比，海洋型冰川消融过程更为复杂，有待深入研究．

近年来随着气候变暖加剧，贡嘎山地区冰川退缩明显，表现为冰川末端后退和冰川厚度减薄．冰川变化引起的径流变化，对下游地区主要是大渡河流域近年来的水电开发势必产生深远影响；冰川后退形成大量的松散堆积物，与冰川强烈消融或强降雨极易产生冰川溃决洪水或冰川泥石流灾害［37，46-49］，如2005年8月东坡几个沟群发的降雨型泥石流，给下游居民生活财产造成了重大损失［50］．今后应加强海洋型冰川流域径流模拟以及对冰川变化引起的潜在冰川泥石流、冰川湖（或冰下河、湖）溃决灾害预测预警等方面的研究．

致谢：中国科学院贡嘎山高山生态研究野外站为本研究提供了气象等数据，并为野外工作提供了平台及后勤协助，特此致谢．

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Surface Ablation Features and Recent Variation of the Lower Ablation Area of the Hailuogou Glacier，Mt．Gongga

LIU Qiao1，2， LIU Shi-yin1， ZHANG Yong1， ZHANG Ying-song1
（1．State Key Laboratory of Cryospheric Sciences，Cold and Arid Regions Environmental and Engineering Research Institute，Chinese Academy of Sciences，Lanzhou Gansu 730000，China；2．Key Laboratory of Mountain Environment Evoluement and Regulation，Institute of Mountain Hazards and Environment，Chinese Academy of Sciences，Chengdu Sichuan 610041，China）

Abstract：Glacier ablation process is controlled tightly by energy．Ablation intensity is influenced by spatial and temporal changes of air temperature，ice surface conditions and surrounding terrain，and so on．In this study，a detailed ablation observation was carried out on the ice surface of lower ablation area of the Hailuogou Glacier during 2008ablation seasons，from April to October．Relationship between ablation and cumulative positive air temperature was analyzed．It is found that strong ablation occurred from July to August．Total ablation considerably varied between different stakes and degree-day factors（DDFs）were calculated in a range from 2．63to 6．39mm·d-1·℃-1．Generally，in the upper part of the ablation area，DDF is more than 4mm·d-1·℃-1．Large concentration of debris near the end of glacier tongue restrains ice ablation，where DDF is less than 4mm·d-1·℃-1．Long term ice thinning spatial distribution was derived by comparing two surface digital elevation models，of which one was obtained from a 1989＇s topographic map and the other was obtained from 2008＇s RTK-GPS measurements．Ice thinning was a principal process of the glacier retreating（26%of total ice thickness was lost between 1989and 2008），relative to glacier area shrinkage（by about 4．05%since 1960s）．

Key words：temperate glacier；ablation features；glacier variation；Hailuogou Glacier

中图分类号：P343．6

文献标识码：A

文章编号：1000-0240（2011）02-0227-10

收稿日期：2010-09-16；

修订日期：2010-11-25

基金项目：科技部基础性工作专项项目（2006FY110200）；国家重点基础研究发展计划（973计划）项目（2007CB411501）；中国科学院知识创新工程重要方向项目（KZCX2-YW-GJ04）；国家自然科学基金项目（40801030；40701032）；西部之光在职博士项目资助

作者简介：刘巧（1980-），男，湖北随州人，助理研究员，2005年在中国科学院成都山地灾害与环境研究所获硕士学位，现为中国科学院寒区旱区环境与工程研究所在职博士研究生，主要从事冰川和水文学研究．E-mail：liuqiao＠imde．ac．cn