青藏高原唐古拉山口冰川、水文和气候学观测20a:意义与贡献
【类型】期刊
【作者】姚檀栋，张寅生，蒲健辰，田立德，Yutaka Ageta，Tetsuo Ohata（中国科学院青藏高原研究所；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；日本名古屋大学；日本地球海洋科学技术研究开发机构）
【作者单位】中国科学院青藏高原研究所；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；日本名古屋大学；日本地球海洋科学技术研究开发机构
【刊名】冰川冻土
【关键词】 青藏高原；唐古拉山口；观测；冰川；气候环境
【资助项】国家重点基础研究发展计划(973计划)项目(2010CB951701)；中国科学院知识创新工程重要方向项目(K2CX2-YW-BR-22)；国家自然科学基金项目(48071038;41071042...
【ISSN号】1000-0240
【页码】P1152-1161
【年份】2019
【期号】第6期
【期刊卷】1;|7;|8;|2
【摘要】1989年中日联合青藏高原冰川考察在唐古拉山口开始进行冰川、水文气候学观测,距今已经整整20 a.时过境迁,合作双方的研究所均已重组、更名,然而1989-1993年间考察研究所起到的开创性作用、当时取得成果至今仍具有重要科学意义.而且当时建立的一些观测站点,借助一些大型课题,如GAME/Tibet、国家自然科学基金重点项目和国家重点基础研究发展计划(973计划)项目的支持一直持续工作至今.最近,完善了位于冬克玛底冰川末端的冰川监测系统,将对该地区的冰冻圈和气候环境变化研究做出更多的贡献.
【全文】 文献传递
青藏高原唐古拉山口冰川、水文和气候学观测20 a:意义与贡献
摘 要：1989年中日联合青藏高原冰川考察在唐古拉山口开始进行冰川、水文气候学观测,距今已经整整20 a.时过境迁,合作双方的研究所均已重组、更名,然而1989-1993年间考察研究所起到的开创性作用、当时取得成果至今仍具有重要科学意义.而且当时建立的一些观测站点,借助一些大型课题,如 GAM E/Tibet、国家自然科学基金重点项目和国家重点基础研究发展计划(973计划)项目的支持一直持续工作至今.最近,完善了位于冬克玛底冰川末端的冰川监测系统,将对该地区的冰冻圈和气候环境变化研究做出更多的贡献.
关键词：青藏高原;唐古拉山口;观测;冰川;气候环境
0 引言
唐古拉山是长江和怒江流域的分水岭,海拔5 231 m的唐古拉山口,地处青藏高原中心、是青海省和西藏自治区两省区的天然分界线.不仅是青藏铁路、公路的最高点,也是世界公路、铁路海拔最高点.气候学意义上讲,唐古拉山是西南季风进入我国大陆内部的第二道障碍,是一条重要的气候分界线:唐古拉山以南主要以西南季风水汽输送为主,而唐古拉山以北地区水汽以大陆性气团水汽为主.因而在唐古拉山口进行冰川、水文气候学观测具有更加显著的科学意义.
1 观测研究历史
唐古拉山口的冰川与气候环境观测始于1989年,最初的观测研究是以冰川考察为主体,冠名以中日联合青藏高原冰川考察的课题.当时的中国科学院兰州冰川冻土研究所与日本名古屋大学水圈科学研究所合作,继中日天山冰川考察和中日西昆仑山冰川考察之后的又一次大规模的冰川考察研究.时过境迁,合作双方的研究所均已更名,但从此开始的观测研究工作一直持续至今.
1989年的考察参加人数总计超过50人次,双方负责人分别为中国科学院兰州冰川冻土研究所姚檀栋研究员(现为中国科学院青藏高原研究所研究员,中国科学院院士)和日本名古屋大学水圈科学研究所的上田丰教授(现为名古屋大学名誉教授).考察分为两个阶段,第一阶段始于1989年5月,于6月初结束;第二阶段的工作始于同年8月下旬,9月底结束.考察路线是从格尔木出发,向南途经西大滩、昆仑山垭口、五道梁、沱沱河、唐古拉山口、安多、那曲、拉萨等地,再向东南途经林芝到达西藏东南著名的海洋性冰川——则普冰川.考察第一阶段途中,在西大滩、唐古拉山口和则普冰川设立了3个定位和半定位观测站,其中唐古拉山口观测站以地理位置最重要、观测项目最多、延续历史最长、影响最大而著名[1].
1989年唐古拉山口观测主要集中于冬克玛底河流域,其地理位置位于青藏高原腹地的唐古拉山中段(92°04′E,33°05′N), 是长江源区具典型代表性的高寒山区流域,流域面积50.96 km2.在冬克玛底河源头发育着面积为16.40 km2的冬克玛底冰川,该冰川是由一条朝南向的主冰川(又名大冬克玛底冰川)和一条朝向西南的支冰川(又名小冬克玛底冰川)汇流而成的复式山谷冰川.主冰川面积14.63 km2,长5.4 km,末端海拔5 275 m,粒雪线海拔为5 600 m,冰川表面平缓.支冰川面积1.77 km2,长约2.8 km,位于主冰川东侧,最高点海拔5 926 m,多年平均粒雪线为海拔5 620 m,冰川表面亦较平缓,没有冰面河发育,且很洁净,无表碛(图1).该流域没有明显的四季之分,仅有寒、暖季之别.冬半年在西风环流控制下,寒冷晴燥而又多风,冷季长达8个月(10月至翌年5月);夏半年受西南印度洋湿暖气流影响,气候温凉较湿润.暖季仅有4个月(6-9月).流域年平均气温为-6.0℃,气温年较差为24.9℃,全年只有6-9月平均气温在0℃以上,年平均相对湿度为65%,降水集中于6-9月[2].
1989年的考察研究主要目的是通过冰芯和冰雪化学环境研究,揭示研究地区气候环境特征及其变化趋势;通过冰川物质平衡研究和冰川变化研究,阐述青藏高原不同地区冰川变化特征及空间差异性;通过冰川区小气候与水文过程的研究,揭示冰圈、水圈与大气圈之间的相互关系.与以前的研究相比,本次考察研究的突出特点:是将冰芯记录所反映的气候环境的变化和冰雪化学环境作为研究重点.为了研究冰芯记录及其所反映的气候环境的变化和冰雪化学环境特征,此次考察特别研究了降水中稳定同位素与温度的关系和降水中稳定同位素与水汽来源的关系.这些主题在青藏高原冰川学研究中都是开拓性的.在青藏高原腹地系统地进行冰川物质平衡研究也属首次.此外,在青藏高原冰川区气候特征、水文特征以及冰川变化研究方面也有所发现[3].
此次考察研究中,最为引人瞩目应该是在冬克玛底冰川表面海拔5 700 m和5 800 m处成功钻取的两根冰芯,取样深度分别为17和14 m[4-5].这在今天看来是微不足道的取样深度,可是这两根冰芯的成功钻取在青藏高原是开创性的,标志着中国气候环境、冰芯和冰芯冰雪化学环境研究已经达到一个新的高度.同时,建立的冬克玛底冰川物质平衡观测系统也成为青藏高原唯一的、我国冰川变化的第2个长期监测点.另外,冰川区小气候与水文过程的研究也是在1989年考察期间奠定了观测研究的基本经纬:3种不同时空规模,4个观测重点[6-7]:
图1 冬克玛底河流域地理位置和观测点示意
Fig.1 Map of the Dongkemadi Glacier
3种不同时空尺度:1)100 km尺度:冬克玛底流域内,夏季集中观测;2)101 km尺度:唐古拉山口地区,年度连续观测(利用自动站);3)102 km尺度:五道梁至那曲多年冻土区,观测方式主要为委托采样.
4个观测重点:1)积雪变化及其对地表水·热交换的影响;2)积雪与云之间的辐射反馈;3)冻土区水文特征;4)冰、雪表面蒸发(升华)观测.
唐古拉山口观测研究的第二次高潮是1993年,该年度观测主题是集中观测(Intensive observation).中日双方于1993年4-11月合作出动100人(次)以上,以1989年建立的观测系统为依托,在以冬克玛底流域为中心地区开展了全方位的、立体的气候水文观测[6].观测重点除气候环境特征及其变化趋势;冰川变化特征及小气候与水文过程研究外增加了地表过程、对流层气候过程、降水气象学、近地面层水文学等领域的观测研究,其研究重点为:
(1)阐明冰冻圈变化在水文循环要素季节变化中的作用,包括降水、蒸发、径流和土壤水分变化,并诠释其变化趋势以及其相互作用关系.
(2)研究青藏高原大气层,尤其大气边界层在大气-地表相互作用中的的作用.
(3)各种卫星资料(包括可见光、红外和微波遥感)在青藏高原气候环境特征及其变化趋势应用研究.
(4)青藏高原冰冻圈与气候环境变化对全球变暖响应规律研究.
研究区域观测以自动记录为主、辅以手动观测.大规模时空尺度的进行自动记录观测,在我国冰冻圈的观测研究中这也是首次.水文站的布设如表1所示,径流、电导率和气象要素利用仪器自动记录,时间间隔为1 h,其中径流是以水位资料计算得到的.降水和土壤蒸发是以手动方式观测的,观测时间均以天为单位.自动气象站的布设详细情况如表2所示,观测项目为气温、湿度、气压、地面温度、风速、风向及太阳辐射.另外还在以下各点进行降水、地温、土壤含水量和冻土活动层深度观测:105道班(D105)、唐古拉山口(TS)、100道班(D100)等.其中考察营地附近设立了不同地形部位土壤蒸发观测及其 Tretyakov防风圈雨量计的对比观测.
此次大规模观测研究硕果累累,除发表数十篇期刊论文外,中日合作出版资料数据集1部[8],Bulletin of Glacier Research期刊专刊1集[9],专著1部[10].除此之外,该区域建立的观测系统被随后的 GAM E/Tibet、国家自然科学基金重点项目和国家重点基础研究发展计划(973计划)项目等引用、整合,并新建了水文站.
表1 水文观测点布设简况
Table 1 Descrip tion of the hydrological observations’situations
站名 简称 海拔/m 流域面积/km2 冰川覆盖率/% 观测项目雁石坪 LWS 4 800 4 538 4.5 降水、土壤蒸发、径流、电导率、气象考察营地 SWS 5 100 50.5 33 降水、土壤蒸发、径流、电导率、气象冰川末端 GWS 5 300 21.49 76 降水、径流、气象
表2 自动气象站布设情况
Table 2 Descrip tion of the automatic weather stations’situations
注:A T:气温;RH:相对湿度;WS:风速;WD:风向;AP:气压;SR:太阳辐射;GST:地表温度;SD:雪深.
站名 简称 位置 海拔/m 下垫面状况 观测项目 观测时段100道班 D100 33°55′N,92°01′E 4 800 稀草 A T,RH,WS,WD,SR,GST 1991-1993 103道班 D103 33°41′N,92°03′E 4 850 稀草 A T,RH,WS,WD,SR,GST 1990-1991 105道班 D105 33°04′N,91°56′E 5 020 稀草 A T,AP,RH,WS,WD,SR,GST 1989-1993考察营地 WL 33°04′N,92°05′E 5 100 密草 A T,RH,WS,WD,SR,GST 1991-1993唐古拉山口 TP 32°52′N,91°55′E 5 206 稀草 A T,RH,WS,WD,SR,GST 1992-1993冬克玛底冰川 DG 33°04′N,92°03′E 5 600 冰雪 A T,RH,WS,WD,SR,SD 1991-1993
2 20 a来研究成果简介
2.1 青藏高原在全球变化中的重要地位
青藏高原上冰雪、大气和水圈组成相互影响、依存的气候系统,这一特殊复合体的存在既与高原本身的特点密切相关,也与水汽输送特征密切相关.大气圈处于主导地位,其他两圈以能量和水分输送反馈大气圈.
大气圈对冰冻圈的影响在冰川物质平衡上表现得十分明显.在夏季,高原的热岛效应加强对流交换,导致了降水多以阵性天气为主.这种阵性天气过程十分短暂,不会像一个大的天气过程那样产生足以造成冰川断流的降雪.因此,即使在降雪天气过程中,冰川消融仍十分强烈,这种特征导致了高原冰川盛夏以消融过程为主,春末、夏初和秋季才会有积累发生的独特物质平衡变化季节分布[11].
青藏高原对全球的水分循环影响十分显著,被称为世界的水塔[12].大气圈对冰冻圈和水圈的影响的一个重要途径是气团的水汽输送.1989年以来,在以唐古拉山口为中心的同位素分析表明,唐古拉山是一条重要的气候分界线:唐古拉山以南主要以西南季风水汽输送为主,而唐古拉山以北地区水汽以大陆性气团水汽为主.显然,海洋性气团和大陆性气团水汽输送对冰冻圈和水圈的影响是大不相同的.唐古拉山口附近南、北坡夏季季风期间降水过程的发生频率、日变化特征十分相似,但是其降水量可相差50%[13],由此可推断唐古拉山口两侧分布的冰川积累量差别将更加明显.
2.2 冰雪化学研究
唐古拉山口附近开展的冰雪化学研究包括冰芯研究和现代降水的同位素研究两部分;前者以揭示历史时期气候环境变化为主要目的,后者则以探讨大气的水分输送、再循环过程为研究目标,并为前者提供理论基础.1989年5月在冬克玛底冰川表面成功钻取两根冰芯,是该地区的首次冰芯研究.利用δ18 O对14 m的冰芯确定了其45 a的时间序列,提取了该期间的气候环境变化信息;即自1944年以来该冰芯记录了1944-1947、1952-1954、1969-1973和1979-1982年的4次变冷波动,同时也记录了1948-1951、1955-1968、1974-1978和1983年开始的4次变暖波动;利用冰芯时间序列恢复的冰川积累量认识到该区域1944年以来有4个变干阶段:1944-1948、1952-1962、1976-1978和1982-1987年和有4个变湿阶段:1949-1951、1963-1975、1979-1981和1987年以后;而且冰芯记录的温度和降水具有同步变化特征,即高温基本对应高降水,低温对应低降水,但变化周期长短不一.
现代降水的同位素研究需要以一定空间和时间尺度的观测对比作为依托.作为青藏高原现代降水的同位素观测网络的重要站点,唐古拉山口附近的现代冰雪、降水的同位素观测为青藏高原乃至中国的历史环境变化监测做出了不可替代的贡献.早自1989年的第一次考察研究中,姚檀栋等[3]就通过冬克玛底河谷内降雪δ18 O分析了唐古拉山口地区大气循环的季节变化从而界定了青藏高原上南亚季风的进退.
以上述研究为基础,中国科学院兰州冰川冻土研究所(现中国科学院寒区旱区环境与工程研究所)在青藏高原从北至南建立了10个站点的取样观测网络,研究降水过程中δ18 O的变化特征.通过大范围多年监测研究,清晰地揭示出青藏高原北部和南部地区降水中稳定同位素的变化受“温度效应”控制.在青藏高原北部,降水中稳定同位素与气温变化的关系可定量表示,即气温每变化1℃,降水中δ18 O大约变化0.65‰;在青藏高原南部,降水中δ18 O受西南季风降水的影响,即存在“降水量效应”,但在长时间尺度上仍然受“温度效应”控制.这一研究不但揭示了现代高原气候变化过程的重要特征,也为冰芯记录解释奠定坚实基础.
2.3 冰川变化研究
中国冰川编目统计了青藏高原发育有现代冰川36 918条,冰川面积49 903 km2,冰川冰储量4 572 km3,分别占我国冰川总数的79.6%、84.0%和81.6%,是世界上中低纬度地区最大的现代冰川分布区[14].从小冰期到现在冰川的长期变化结果看,青藏高原的冰川在持续退缩过程中,其退缩速率呈加剧的趋势.近百年来,青藏高原的冰川虽然出现过两次退缩速率减缓或相对稳定甚至小的前进阶段,但总的过程仍然呈明显的波动退缩趋势.随着全球气候的波动变暖,特别是进入20世纪80年代以来的快速增温,使高原冰川末端在近几十年间出现了快速退缩.但近几年冰川的变化略有减小并出现前进的现象;唐古拉山口附近、马兰山和普若岗日地区小冰期以来的冰川变化量比较小.无论是在整个青藏高原,还是羌塘内流区域,小冰期以来的变化量都是小的[15].
图2 天山1号冰川物质平衡(a)和冬克玛底冰川1989-2002年间物质平衡(b)、累积物质平衡(c)和零平衡线高度(d)变化[11]
Fig.2 Annual variationsof themass balance observed in the Glacier No.1,Tianshan Mountains(a),themass balance(b),the cumulativemass balance(c)and the equilibrium line altitude(d)observed in the Xiao Dongkemadi Glacier in the central Tibetan Plateau[11]
高原冰川的变化具有明显的区域特征.以高原东部和南部边缘山地的冰川变化幅度最大,而高原中北部山区和羌塘地区的冰川变化幅度较小,相对比较稳定.比高原南部希夏邦玛峰区的冰川和高原东部的贡嘎山海螺沟冰川的退缩量小得多.显示出青藏高原冰川对气候变化响应的敏感性在边缘山区较中腹地区更为敏感.1989年,当时的中国科学院兰州冰川冻土研究所在唐古拉山口冬克玛底冰川设立了青藏高原唯一的冰川变化长期监测点,这一观测积累了系列的冰川表面物质平衡、零平衡线高度、冰层温度和冰川末端变化资料,是我国目前仅次于天山乌鲁木齐河源1号冰川监测年限的较为系统的记录,目前为青藏高原监测序列最长的冰川.
蒲健辰等[2]利用前面提到的14 m长的冰芯重建了冬克玛底冰川50 a的物质平衡系列,结果显示1944-1993年间冬克玛底冰川的物质平衡是以正平衡为主,有33 a为正平衡,17 a为负平衡.累积平衡量为5 214.4 mm,平均年平衡量为104.4 mm,相当于冰川每年增厚11～12 cm,50 a增厚约6 m左右.然而,物质平衡观测结果表明,正平衡的趋势只持续到1993年(图2),1989-1993年间的累积积累量为970 mm.1994年起冬克玛底冰川以负物质平衡为主,尤其1998年,物质平衡为-701 mm.1993-2002年间负平衡积累超过3 000 mm,其变化趋势与天山乌鲁木齐河源1号冰川的物质平衡非常相似.
冬克玛底冰川零平衡线高度平均为海拔5 600 m,1989-2002年间大致上升了近400 m.Zhang等[16-17]利用冰川零平衡线高度变化状态模型,探讨了冬克玛底冰川零平衡线高度对气候变化的敏感性.结果显示冬克玛底冰川零平衡线高度对气温、降水和净辐射的敏感性系数分别为58.2 m·K-1、38.0 m·(100mm)-1和55.2 m·MJ-2·d-1;而天山乌鲁木齐河源1号冰川敏感性系数分别为85.8 m·K-1、29.0 m·(100mm)-1和44.5 m·MJ-2·d-1.显然,冬克玛底冰川零平衡线高度对降水的变化更加敏感.其原因是此类高海拔分布冰川物质平衡受表面升华量影响很大,冬克玛底冰川零平衡线高度年升华量占消融量近1/4[17].因而,冰川物质平衡与温度的相关关系相对弱一些.
2.4 气候过程研究
1989年中日青藏高原冰川考察研究在冬克玛底河流域海拔5 020 m处设立了自动气象站,随后每年增加,至1993年第二次大规模观测为止,自动气象站多达6个,其中冰川表面一个,站点分布海拔4 800～5 600 m.记录项目包括大气温、湿、压、风、降水以及太阳辐射和土壤温度.截止1993年,该观测最为引人瞩目的进展应该是冰川区气候过程经年序列的取得.受客观环境条件限制,在此之前的观测多集中于夏季,高海拔、寒区的冬季的气候资料基本是空白领域.冬克玛底河流域不同下垫面连续的观测记录更新了高寒区气候过程的认识.
连续的资料序列获取使得我们有能力全面认识冰川、冻土表面气候过程的季节变化.除大气温、湿、压、风、降水外,冬克玛底冰川流域气候过程观测的重点之一是高寒区地表能量交换过程特征的研究.冬克玛底冰川表面自动气象站设立在海拔5 600 m,即零平衡线高度附近.因而,其观测结果基本代表整个冰川平均的能量交换状态,这是该观测的另一引人瞩目的进展.受客观环境条件限制,在此之前的冰川表面能量平衡过程观测基本集中于冰川消融区.其结果亦只能揭示冰川消融区的能量交换过程而非整个冰川.
辐射平衡观测结果显示冰川表面净辐射近半年(11至次年3月)为负值,从而认识到全年近一半时间冰川表面的能量耗散是以湍流交换作为能量来源的.与净辐射相反,冰川表面感热交换作为冰川表面主要的能量来源,全年均为正值(冰川表面获得能量),并且显示双峰型季节变化.冬季的感热交换峰值的形成过程与非冰川区相同,辐射冷却形成的大气逆温层,造成了感热通量的峰值;夏季感热通量的峰值是冰川表面特有的能量季节变化过程,消融过程形成的大气近地面稳定的0℃层与上层大气升温的逆向变化形成的大气逆温层造成了感热通量的峰值.
冰川表面能量平衡连续的经年变化观测取得所带来的另一重大进展是冰川表面升华量在物质平衡中作用方面的定量研究.我国的冰川多为大陆型冰川,分布西部地区,其环境以夏季高温、降水稀少为特点.对于这样的环境下发育的冰川众多研究者作了大量工作,认为除冰川的积累和消融过程均发生在夏季而处于低水平物质交换这一特点外,西部干旱的气候条件因冰雪面潜热交换(升华)过程显著亦是干旱气候条件下大陆型冰川发育的另一特点.观测结果表明:冬克玛底冰川零平衡线附近蒸发量占总消融量的20%.众所周知,蒸发潜热是消融潜热的6倍.总消融量的20%的升华过程(冬克玛底冰川平均相当于150 mm水当量),实际减少了6倍的冰川消融.而且当湿度降低时,使潜热(蒸发)量增加,导致冰川表面总消融量减少.为此,张寅生等[18]提出以冰川表面的融化耗热与潜热的比值(简称M E系数),作为冰川耗热与消融过程的参数,并以此划分冰川消融过程类型.当M E系数＜2.0时,蒸发占整个耗热量的1/3以上,消融过程为蒸发型,当M E系数＞5.5时,蒸发的影响很小,消融过程为融化型.
2.5 水文过程研究
唐古拉山口冬克玛底冰川流域的地表水文过程观测项目是以水分平衡的分量来设置的:降水、蒸发、地表土壤水分变化和径流.
降水是大气与地表水分交换过程中的最基本因子,降水的时空变化特征是探讨区域水文过程的基础.唐古拉山口冬克玛底冰川流域地处青藏高原内部,虽然海洋性气团可以达到该区域[3],但经过长途输送,其水汽输送量并形成的降水量比南部小的多[13].研究区域降水的季节分布基本受高原季风控制,冬季为冷高压,盛行的下沉气流使冬季降水很少.唐古拉地区的常规气象站多年观测记录显示夏季(6-8月)降水占全年降水的72%～76%,而冬季(12月至翌年1月)降水只有0.8%～2.0%.1989-1993年间的观测亦揭示了高原中部对流天气在降水过程中的重要作用,全年降水的90%以上发生在对流天气频发的暖季(5-9月),而且月降水的发生频率与地表温度成正相关关系[19].
地表蒸发过程是1993年第二次大规模观测研究重点之一,观测项目包括水面蒸发、土壤蒸发、潜在蒸发、冰雪面蒸发和各种自然下垫面蒸发.研究手段包括Lysimeter法、梯度廓线法、表层土壤水量平衡法和相关涡度法.观测结果对于地表蒸发的日、季节变化特征,空间变化特征,控制因子和年蒸发量的估算进行了深入的研究探讨.地表蒸发量与水面蒸发和潜在蒸发成线性关系,同时与地表含水量变化成指数关系,而且地表蒸发量的变化对地表含水量的变率在不同湿度条件有所不同,即地表蒸发量除决定于地表含水量的变化幅度外,还与其本身大小有关.例如当地表含水量为50%时,1%的波动可导致0.11 mm的蒸发量变化;地表含水量为80%时,1%的波动可导致0.15 mm的蒸发量变化.地表蒸发日变化过程观测表明地表蒸发主要发生于12:00～20:00时之间,最大值出现于午后15:00时左右.以地形对蒸发影响为目标的观测揭示了一旦地形条件稍稍离开山坡下部,蒸发量便会发生剧烈变化,但随后变化趋缓,所以流域上部蒸发量一般低于下部.
唐古拉山口地区地表土壤水分的观测是以冻融过程与土壤含水量变化相互关系为主要研究目的的.就土壤的冻融过程来说,它显然要受到土壤含水量和土壤岩性及组分的影响,同时也会受到地表状况的影响[20].由于水的热容量较大,其冻结相变过程可以放出大量热量,而其消融过程又需要吸收大量的热量.因此土壤含水量的多少会极大的影响土壤的冻融过程及土壤热量的分布状况[21].同时随着冻融过程往复循环,其融化面上部形成的富含水带亦上下波动.
1989-1993年间的分别在海拔4 800、5 100和5 300 m设立了自动水文站,后两个均位于冬克玛底河流域内,控制面积内冰川覆盖面积分别为33%和76%,观测的主要项目之一是冰川区径流不同时间尺度的变化特征.利用水量平衡法对观测的径流观测序列进行分割得到流域冰川覆盖区径流模数和径流系数分别是非冰川覆盖(多年冻土)区的6倍和2倍,即冰川覆盖区的产流能力要大大高于冻土区,从而揭示了研究区域冰川上积雪消融及冰川融水产流在水分输出中的重要作用.数年连续的观测序列给出了冬克玛底河这一高海拔、冰雪广泛分布的流域水量平衡组成特征:水量平衡收入项中冰川和非冰川区降水所占比重相差无几,分别为57%和43%;水分支出项中蒸发占38%,其中非冰川区32%、冰川表面升华占6%;径流占水分支出54%、其中冰川融水径流为27%;流域储水量变化占水分支出8%,其中绝大部分为冰川物质平衡变化.
2.6 地表过程研究
基于连续的地表微气候和能量交换过程的观测,对于高海拔地区地表过程的研究亦取得了如下进展:
2.6.1 地表对大气的加热作用
地表对大气的加热作用的定量定义为地面与大气的净能量收支,若下垫面在某时段有能量流入大气称为热源,反之则称为冷源.图3是冬克玛底冰川表面和附近105道班(多年冻土)地表冷、热源的季节变化.由结果可见:除冬季12月外,冻土下垫面几乎全年均为热源,或者冻土区地表几乎全年都向大气层提供能量,其强度最大值并非是气温最高的夏季,而是春季4月.在11-12月的某个很短的时段内,冻土表面的能量输入与收入处于动态平衡状态.值得注意的是在气温最高的7月,冻土区与冰川表面的热源强度相等.此时的整个高原下垫面可以认为是处于一种均衡热力状况,其热源强度一致,表明其由于水平交换所带来的扰动较小,前面提到的冻土区与冰川表面的风速在夏季均比较低的观测事实就说明了这一点.就全年总的情况来看,冻土下垫面总的热源强度为1 817.8 MJ·m-2·a-1.
与冻土区相反,冰川表面的冷热源季节变化要复杂得多.其表面能量输入处于动态平衡状态有两个时段,分别为4月和10-11月,在能量交换系统中的表现为净辐射输入量为低水平的绝对值;感热交换量亦处于季节变化的低谷;潜热交换所控制的水汽通量正处在改变方向的阶段.所以研究区域的冰川表面自4月至11月为热源,其强度最大值出现在7月,通量月平均值达60 N·m-2左右.11月至翌年4月冰川表面为冷源,其强度在整个时段均较高,最大值出现在1月,月平均强度达96 W·m-2.就全年总的情况来讲,冰川表面为冷源,其强度值为-159.2 MJ·m-2·a-1.
图3 105道班与冬克玛底冰川表面冷热源强度季节变化[19]
Fig.3 Monthly variations of the surface energy flux on the Dongkemadi Glacier and at the Maintenance Squad 105[19]
2.6.2 地表能量交换水平的评价
地表能量平衡的本质是下垫面的能量交换的动态平衡,但是其交换水平(能量因子的绝对值)具有不同时间尺度的变化规律.张寅生等[19]在进行冬克玛底河流域地表过程研究时引入一个新的概念,称之为“能量交换水平系数(Eb)”,以定量评价研究区域不同下垫面的能量交换水平.任一下垫面的能量支出或能量收入绝对值(Qb)可认为是通过该下垫面单位面积上的总能量通量,即能量交换水平.但Qb值受地域性与季节性诸因子影响很大,为此将能够反映区域性与季节性的因子——总辐射(Qg)作为能量交换水平评价的修正量,其关系表示为:
式中:Eb即为反应某一下垫面在某一时段内能量交换水平的参数“能量交换水平系数”.由于 Qb与Qg的单位相同,所以 Eb是无方向无量纲的标量.
从图4显示的105道班站和冬克玛底冰川表面能量交换水平系数的季节变化过程,可以看出在两个不同性质的下垫面上其能量交换强度的季节分布差别很大.5-9月是冰川表面稳定而较强的能量交换期,该期冰川表面大量的融化耗热与蒸发耗热便是例证.但其更强烈的能量交换发生的冬季12月至翌年1月,其历时短而强度大,这是由于冰川表面该期间辐射过程造成的能量损失而其他因子对其进行补偿过程所造成的能量流动所造成的,1月冰川表面的能量交换水平系数达到0.58.冰川表面4月与10月的能量交换强度较低,而此时正是冻土区能量交换强度较高的时期.5-9月地表融化,使冻土区的能量交换强度变化相对较为平稳.其最大强度的能量交换发生在4月,能量交换水平系数达到5.0左右,强度最弱能量交换出现在冬季12月,此时冻土表面的净辐射为微小的负值,能量交换系数只有1.0左右.总的来看,冰川表面的能量交换的强度高于冻土区,并且较大的净辐射正值与负值均能导致强度较大的能量交换过程.
图4 105道班站与冬克玛底冰川表面“能量交换水平系数”(Eb)的季节变化[19]
Fig.4 Monthly variationsof“heat exchanging level coefficient”(Eb)on the Dongkemadi Glacier and at Maintenance Squad 105[19]
2.6.3 不同下垫面气温与能量因子的关系
冰川与冻土下垫面所具有的是一个非绝热系统,主系统的辐射能输入发生变化时,系统内部就要进行能量结构的调整,以达到新的动态平衡,这个调节作用的结果就会使系统内部的温度发生变化.所以对于冰川与冻土气候子系统来讲,气温是内部能量的表现指标,而能量本身才是变化的本质,二者之间存在着相互影响的关系.张寅生等[19]统计分析了冬克玛底冰川表面与多年冻土区(105道班)气温与净辐射日总量季节变化过程发现:首先是气温与净辐射变化曲线的极值出现时间不一致,其次是两曲线变化趋势相同,但变化幅度不一致.这实际上可以归结为不同下垫面气温对太阳辐射通量变化的反应不同.从图5给出的冬克玛底冰川表面1991年9月至1993年9月的月平均气温对总辐射通量变化敏感性系数
,反射率(α)和吸收辐射通量 Qg(1-α)的季节变化过程易见,由于
与反射率α成负相关,所以其值在冬季较低,而夏季较高,所以同样的总辐射通量波动值,冬季所导致的冰川表面气温波动值要小于夏季,冬克玛底冰川表面
的变化范围为0.031～0.063 K·W-1·m-2,即总辐射通量波动100W·m-2,只能导致0.31～0.62℃的气温波动,当然气温的波动值还与当时总辐射波动有关.
图5 冬克玛底冰川表面气温敏感系数(a)、反射率(b)和吸收辐射(c)的季节变化过程[19]
Fig.5 Monthly vari
ations of the sensitivity coefficient of air temperature ,albedo(α)and abso rpt radiation Qg(1-α)on the Dongkemadi Glacier
3 结语
自1989年在唐古拉山口开始进行冰川、水文气候学观测,距今已经整整20 a.随着一些大规模的研究项目和计划,如 GAM E/Tibet、国家自然科学基金重点项目和国家重点基础研究发展计划(973计划)项目的开展,该地区气候与变化研究已经取得极大的进展,尤其以冰芯为主的冰雪化学研究在诠释历史气候环境的变迁,以及青藏高原在全球气候变化中的作用已经取得了令世界瞩目的成果.然而1989-1993年间考察研究所起到的开创性作用和当时取得成果至今仍具有重要科学意义.例如1989年建立的冬克玛底冰川物质平衡观测系统至今仍在观测并数次被大型科研项目引用、整合.最近在冬克玛底冰川新建了水文站,对这一地区的水流量、酸碱性及其水矿物质进行调查和搜集综合数据,使该冰川的监测系统更加完善.这将对该地区的冰冻圈和气候环境变化研究做出更大贡献.
参考文献(References):
[1] Yao T,Ageta Y,Ohata T.Glaciological studies on Qingzang Plateau 1989 Part 1,Outline of the p roject[J].Bulletin of Glacier Research,1994,9:23-26.
[2] Pu Jianchen,Yao Tandong.Mass balance and glacial variation.[C]//Variation Features of Cryosphere in M iddle Tibetan Plateau.Beijing:Geological Press 2002:207-233.[蒲健辰,姚檀栋.现代冰川物质平衡和冰川变化[C]//青藏高原中部冰冻圈动态特征.北京:地质出版社,2002:207-233.]
[3] Yao Tandong,Ageta Y.Glacial Climatic and Environment of Tibetan Plateau[M].Beijing:Science Press,1993:1-147.[姚檀栋,上田丰.青藏高原冰川气候与环境[M].北京:科学出版社,1993:1-147.]
[4] Sheng Wenkun,Wang Ninglian,Pu Jianchen.The hydrochemical characteristicsin the Dongkemadi Glacier area,Tanggula Range[J]Journal of Glaciology and Geocryology,1996,18(3):235-243.[盛文坤,王宁练,蒲健辰.唐古拉山冬克玛底冰川作用区的水化学特征[J].冰川冻土,1996,18(3):235-243.]
[5] Hou Shugui,Qin Dahe,Huang Cuilan.Preliminary study on the Ion elution of snowpacks over Qinghai-Xizang Plateau[J].Journal of Glaciology and Geocryology,1996,18(3):227-233.[侯书贵,秦大河,皇翠兰.唐古拉山冬克玛底冰川雪层中淋溶作用的初步研究[J].冰川冻土,1996,18(3):227-233.]
[6] Ageta Y,Yao T,Jiao K,etal.Glaciological studieson Qingzang Plateau,1989 Part 2,Glaciology and geomorphology[J].Bulletin of Glacier Research,1991,9:27-32.
[7] Ohata T,Yasunari T,Ohta T,etal.Glaciological studies on Qingzang Plateau,1989 Part 3,Meteorology and hydrology[J].Bulletin of Glacier Research,1991,9:33-37.
[8] Ohta T,Ageta Y.Data Repo rt of Cryosphere Research on Qingzang Plateau,1991-1993[R].Nagoya University,Institute for Hydrospheric-A tmospheric Sciences,Research Report 2,1996:1-207.
[9] Ageta Y,Yao T,Ohata T.Outline of the study p rojecton the role of snow and ice in the water cycle on Qingzang Plateau 1990-93[J].Bulletin of Glacier Research,1994,12:87-94.
[10]Yao Tandong.Variation Features of Cryosphere in Middle Tibetan Plateau[M].Beijing:Geology Press,2002:1-308.[姚檀栋.青藏高原中部冰冻圈动态变化特征[M].北京:地质出版社,2002:1-308.]
[11]Pu Jianchen,Yao Tandong,Yang Meixue,etal.Rapid decrease of mass balance observed in the Xiao(Lesser)Dongkemadi Glacier,in the central Tibetan Plateau[J].Hydrological Processes,2008,22:2953-2958.DO I:10.1002/hyp.6865.[12]Xu X,Lu C,Shi X,etal.World water tower:An atmospheric perspective[J].Geophysical Research Letters,2008,35,L20815,doi:10.1029/2008GL035867.
[13]Yang Meixue,Yao Tandong,Gou Xiaohua,etal.Comparison analysisof the summer monsoon p recipitation between northern and southern slopes of Tanggula Mountains,Qinghai–Xizang(Tibetan)Plateau:a case study in summer 1998[J].Hydrological Processes,2007,21(14):1841-1847.DO I:10.1002/hyp.6319.
[14]Shi Yafeng.Concise Glacier Inventory of China[M].Shanghai:Shanghai Popular Science Press,2005:17-32.[施雅风.简明中国冰川目录[M].上海:上海科学普及出版社,2005:17-32.]
[15]Pu Jianchen,Yao Tandong,Wang Ninglian,etal.Fluctuations of the glaciers on the Qinghai-Tibetan Plateau during the past centery[J].Journal of Glaciology and Geocryology,2004,26(5):517-522.[蒲健辰,姚檀栋,王宁练,等,近百年来青藏高原冰川的进退变化[J],冰川冻土,2004,26(5):517-522.]
[16]Zhang Yinsheng,Fujita K,Ageta Y,etal.The response of glacier ELA response to climatic fluctuation on High-Asia[J].Bulletin of Glacier Research,1998,16:1-11.
[17]Zhang Y,Yao T,Xie Z,etal.An experimental study of climate and ablation at the equilibrium line of Dongkemadi glacier,Tanggula Mountains,Qing-Zang Plateau[J].Zeitschrift f.Gletscherkunde und Glazialgeologie,1996,32:67-74.
[18]Zhang Yinsheng,Yao Tandong,Pu Jianchen,etal.Energy budget at ELA on Dongkemadi Glacier in the Tanggula M ts.Tibetan Plateau [J].Journal of Glaciology and Geocryology,1996,18(1):10-19.[张寅生,姚檀栋,蒲健辰,等.唐古拉山冬克玛底冰川平衡线高度附近的能量平衡[J].冰川冻土,1996,18(1):10-19.]
[19]Zhang Yinsheng,Yao Tandong.M icro-climatology featureson different surface condition area[M]//Yao Tandong.Variation Features of Cryosphere in Middle Tibetan Plateau.Beijing:Geology Press,2002:60-102.[张寅生,姚檀栋.不同下垫面微气候学特征[M]//姚檀栋.青藏高原中部冰冻圈动态变化特征.北京:地质出版社,2002:60-102.]
[20]Yang Meixue,Yao tandong,Wang Shaoling,etal.The features of soil temperature and moisture on Northern Tibetan Plateau[J].Geographical Research,1999,18(3):312-317.[杨梅学,姚檀栋、王绍令,等.藏北高原土壤的温湿特征[J].地理研究,1999,18(3):312-317.]
[21]Yang Meixue,Yao Tandong.Water and energy distribution in soil,freezing and thaw ing p rocessesaswater cycle[M]//Yao Tandong.Variation Featuresof Cryosphere in Middle Tibetan Plateau.Beijing:Geology Press,2002:103-136.[杨梅学,姚檀栋.土壤水热分布特征、冻融过程和地气之间的水分循环[M]//姚檀栋.青藏高原中部冰冻圈动态变化特征.北京:地质出版社,2002:103-136.]
Twen ty-Year Observations of Glacier,Hydrology and Meteorology at the Tanggula Pass of the Tibetan Plateau:Sign ificance and Achievements
Abstract：The Glaciological and hydro-climatologically observations at the Tanggula Pass of the Tibetan Plateau have been lasted fo r 20 years,w hich started w ith the China-Japan Joint Project of Cryosphere Research on Qingzang Plateau at 1989.The collaboration institutions have been reconstructed or renamed.However,the innovative observational works and the scientific p rogress are still benefiting the cryospheric sciences. The observation frameworks started at the beginning of the p roject are working up to now by the supports from the Project of GAM E/Tibet and others.Recently,the framewo rks at Dongkemadi Glacier tongue have been reconstructed by the Institute of Tibetan Plateau Research,Chinese Academ y of Sciences.It w ill contribute more to the research work in the Tibetan Plateau.
Key words：Tibetan Plateau;Tanggula Pass;observation;glacier;climatic environment
中图分类号：P343.6
文献标识码：A
文章编号：1000-0240(2010)06-1152-10
收稿日期：2010-03-04;
修订日期：2010-08-07
基金项目：国家重点基础研究发展计划(973计划)项目(2010CB951701);中国科学院知识创新工程重要方向项目(K2CX2-YW-BR-22);国家自然科学基金项目(48071038;41071042)资助