基于度值法的紅川物質(zhì)平衡模擬研究

基于度值法的紅川物質(zhì)平衡模擬研究

0冰川作用區(qū)及全球氣候變化研究由于寒冷天氣的產(chǎn)物，其積累和分解強(qiáng)度受季節(jié)和降水的控制。冷氣候平衡反映了冷氣候收入和支出之間的關(guān)系。它是冷氣候發(fā)育條件的綜合反映。這是反映氣候變化最敏感的指標(biāo)之一。冷氣候的平衡與冷氣候表面的熱量平衡、冰內(nèi)和冰下之間的水文狀態(tài)、冰的作用、活動層的溫度和冷氣候的速度密切相關(guān)。因此，對冷氣候平衡的科學(xué)研究對于研究冷川作用區(qū)和世界氣候變化具有重要的科學(xué)意義。冰川物質(zhì)平衡是聯(lián)結(jié)冰川波動與氣候變化的關(guān)鍵因子.自20世紀(jì)50年代世界范圍內(nèi)開展冰川監(jiān)測以來,冰川物質(zhì)平衡就是一項(xiàng)非常重要的研究內(nèi)容,隨著國際社會對全球變化的廣泛關(guān)注,冰川物質(zhì)平衡研究在全球氣候變化研究中扮演的角色越來越重要.在國內(nèi)外眾多的冰川物質(zhì)平衡相關(guān)研究中,大多采用對冰川物質(zhì)平衡的年際和多年[10,11,12,13,14,15,16,17]變化研究,對一個物質(zhì)平衡年內(nèi)時段特征的變化過程研究較少.本文依據(jù)2010年6月30日-9月5日獲得的七一冰川物質(zhì)平衡和相關(guān)氣象資料,對冰川物質(zhì)平衡及其對氣候變化的敏感性進(jìn)行了分析研究.1研究區(qū)域的概況和數(shù)據(jù)來源1.1地質(zhì)平衡線七一冰川(39.5°N,97.5°E)位于祁連山中段托賴山北坡,冰川融水流入北大河支流柳溝泉河.根據(jù)1975年地形圖量算,該冰川面積為2.87km2,末端海拔4304m,冰川最高峰海拔5158.8m.依據(jù)本次考察期間用GPS實(shí)測冰川邊界測算,冰川最新面積為2.76km2,比1975年時減小3.8%.物質(zhì)平衡采用最新冰川面積計(jì)算.七一冰川規(guī)模較小,按冰川物理特性分類,屬亞大陸性冰川.最近的研究表明:七一冰川的平衡線高度在1958-2008年呈上升趨勢,并在2006年達(dá)到最高值(海拔5131m),近50a來該冰川的平衡線高度上升了約230m.1.2觀測方法及數(shù)據(jù)本研究數(shù)據(jù)主要包括:2010年6月30日-9月5日七一冰川考察期間的物質(zhì)平衡、氣溫和降水觀測資料以及冰川區(qū)詳細(xì)的數(shù)字高程(DEM)數(shù)據(jù).物質(zhì)平衡觀測采用傳統(tǒng)的測桿法進(jìn)行.觀測網(wǎng)的布設(shè)為橫斷面測桿相距約100m,縱斷面測桿為相對高度相距約50m.在冰面布設(shè)有11個物質(zhì)平衡觀測橫斷面,共計(jì)26根測桿(圖1).測桿主要集中于冰舌下部和粒雪盆中部.物質(zhì)平衡觀測從6月30日開始,每5d觀測1次,最后一次觀測時間為9月5日.觀測內(nèi)容包括測桿高度(即冰川的積累和消融深度)和雪坑剖面以及相應(yīng)的雪層密度.冰川及附近區(qū)域氣溫和降水資料是通過布設(shè)在不同海拔高度的溫濕度計(jì)(HOBO),自動氣象站(AWS)和雨量筒觀測獲得.自大本營(海拔約3700m)至冰川區(qū)埡口(海拔約4900m),高度每隔200m(海拔4700m處未設(shè))架設(shè)有6個(包括AWS)溫度觀測點(diǎn)和6個降水觀測點(diǎn).溫濕度計(jì)(HOBO)數(shù)據(jù)采集器每隔10min自動采集一次數(shù)據(jù).自動氣象站(AWS)的溫度傳感器分別架設(shè)在距離冰面1.5m和3.5m高度,本研究采用1.5m處(與HOBO溫度傳感器距冰面高度相同)的數(shù)據(jù),降水觀測間隔為每月一次.冰川區(qū)詳細(xì)的數(shù)字高程(DEM)數(shù)據(jù)是以航測地形圖為基礎(chǔ),以2010年8月22日-8月25日利用高精度手持GPS(測量精度為1m)對七一冰川邊界及冰川表面測量的7542個控制點(diǎn),通過ArcGIS軟件空間插值生成.2學(xué)習(xí)方法2.1利用單次線法進(jìn)行物質(zhì)平衡的計(jì)算物質(zhì)平衡是冰川表面積累量和消融量的代數(shù)和,反映了冰川表面單位面積上相對于上一個冰川物質(zhì)平衡年末冰面的平均升降變化狀況.其傳統(tǒng)的計(jì)算方法主要有等值線法和等高線法兩種,劉潮海等在天山烏魯木齊河源1號冰川和蒲健辰等在小冬克瑪?shù)妆ǘ荚眠@兩種方法進(jìn)行過物質(zhì)平衡計(jì)算和對比,其結(jié)果較為一致.本研究采用等值線法,根據(jù)野外觀測資料,分別計(jì)算出各測點(diǎn)不同時段的純積累量和純消融量,得出單點(diǎn)物質(zhì)平衡,并通過ArcGIS軟件利用空間差值方法繪制積消等值線圖,實(shí)現(xiàn)對整個冰川純積累量,純消融量以及物質(zhì)平衡的計(jì)算.2.2冰、雪消化劑模型國內(nèi)外在冰川物質(zhì)平衡的模擬研究中,主要有兩種模型:一種是物質(zhì)平衡關(guān)于氣溫的經(jīng)驗(yàn)公式,目前,應(yīng)用最廣泛的是度日因子模型[7,23,24,25,26,27];另一種是詳細(xì)描述冰川表面物理過程的能量平衡模型.能量平衡模型計(jì)算需要的參數(shù)較多且不易得到,應(yīng)用并不廣泛.度日因子模型相對比較簡單,所需參數(shù)相對容易獲取,在流域尺度上可以給出類似于能量平衡模型的輸出結(jié)果,得到了比能量平衡模型更為廣泛的應(yīng)用.本研究以度日因子模型為基礎(chǔ),將最為重要的參數(shù)度日因子作為一個隨海拔高度變化的變量引入模型,以實(shí)現(xiàn)對冰川物質(zhì)平衡空間分布特征的模擬.以bs表示冰川的物質(zhì)平衡(mmw.e.),該模型描述如下:bs=as+cs=∫t[(1?f)?m+P]dt(1)bs=as+cs=∫t[(1-f)?m+Ρ]dt(1)式中:as和cs分別為冰川消融量和積累量(mmw.e.);f為融水滲浸凍結(jié)率,取0.1;t為選取的時段,本研究為2010年6月30日—9月5日考察觀測期間;m為冰川與積雪的消融水當(dāng)量(mmw.e.);P為冰川表面固態(tài)降水(mmw.e.).對于冰川與積雪消融量m的模擬,采用的度日模型為:m=DDF×PDD(2)m=DDF×ΡDD(2)式中:DDF為冰川冰/雪的度日因子(mm·d-1·℃-1);PDD為某時段內(nèi)的正積溫,由下式獲取:PDD=∑i=1nHt?Tt(3)ΡDD=∑i=1nΗt?Τt(3)式中:Tt為某天(t)的日平均氣溫(℃);Ht為邏輯變量,當(dāng)Tt≥0℃時,Ht=1;當(dāng)Tt<0℃時,Ht=0.即僅對時段內(nèi)的正積溫做累加.依據(jù)2010年考察期間6個氣溫觀測點(diǎn)的資料計(jì)算,七一冰川的氣溫遞減率為0.68℃·(100m)-1,冰川區(qū)不同海拔處的氣溫資料用該遞減率插值得到.在度日模型中,度日因子DDF是最重要的參數(shù).以往的研究表明,2002年夏季七一冰川海拔4305,4483和4619m處的度日因子分別為5.5,7.2和8.8mm·d-1·℃-1,度日因子隨海拔的遞增率為0.0105mm·d-1·℃-1·m-1.依據(jù)2010年考察期間實(shí)測的冰川消融量和正積溫資料,得出海拔4310,4510,4670和4900m的度日因子分別為4.8,5.6,7.5和8.8mm·d-1·℃-1,度日因子隨海拔的遞增率為0.0072mm·d-1·℃-1·m-1.相同海拔處的度日因子明顯低于2002年,且隨海拔的遞增率也較2002年為小.模擬過程中采用本次野外實(shí)驗(yàn)獲得的0.0072mm·d-1·℃-1·m-1的遞增率計(jì)算不同海拔的度日因子.考察觀測期間,七一冰川區(qū)氣溫相對較高,冰川區(qū)多為液態(tài)降水,尤其是冰舌段液態(tài)降水頻率更高.實(shí)際觀測發(fā)現(xiàn),液態(tài)降水不但不能增加冰川的積累量反而可以促進(jìn)冰川的消融,只有固態(tài)降水才能產(chǎn)生積累效應(yīng).因此,在冰川積累量c的模擬中,某一海拔的固態(tài)降水量,采用臨界氣溫法計(jì)算.ch=Ps=???????PTl?TTl?TsP0T<TsTs≤T≤TlT>Tl(4)ch=Ρs={ΡΤl-ΤΤl-ΤsΡ0Τ<ΤsΤs≤Τ≤ΤlΤ>Τl(4)式中:ch為h海拔處的冰川積累量(mmw.e.);Ps和P分別為固態(tài)降水量和降水總量(mm);Ts和Tl為固態(tài)和液態(tài)降水的臨界氣溫,分別取0℃和2℃.根據(jù)2010年考察期間實(shí)際觀測資料計(jì)算,冰川區(qū)降水梯度為10.1mm·(100m)-1,不同海拔的降水總量按此梯度推算.3結(jié)果與討論3.1物質(zhì)平衡與正容積和降水量的關(guān)系依據(jù)七一冰川表面花桿觀測資料計(jì)算結(jié)果,繪制出整個冰川表面物質(zhì)平衡過程和時段物質(zhì)平衡變化曲線(圖2).從圖2可以看出,考察期間七一冰川物質(zhì)平衡過程以7月20日和8月15日為時間節(jié)點(diǎn),明顯分為“微弱積累-強(qiáng)烈消融-微弱消融”3個階段:7月初至7月中旬冰川略有積累,物質(zhì)平衡為正平衡狀態(tài);7月下旬到8月中旬,隨著氣溫的升高并達(dá)到全年的最暖期,冰川進(jìn)入強(qiáng)烈消融期,其消融強(qiáng)度達(dá)到全年的最大值,平均每天超過了32mmw.e.;8月下旬至9月初,隨著氣溫的下降,冰川消融逐漸減弱,整個冰川呈現(xiàn)微弱的負(fù)平衡狀態(tài).冰川物質(zhì)平衡作為反映氣候變化最敏感的指標(biāo)之一,其變化過程受到氣候因素的強(qiáng)烈影響.為確定冰川物質(zhì)平衡與氣溫降水等主要?dú)夂蛞蜃拥南嗷リP(guān)系,選取時段觀測的冰川物質(zhì)平衡(mmw.e.)分別與大本營(圖1)處相同時段的正積溫(℃)和降水量(mm)進(jìn)行了線性相關(guān)分析.圖3和圖4是以5d為時段間隔的冰川物質(zhì)平衡與同時段內(nèi)正積溫和降水量之間關(guān)系的散點(diǎn)圖.從圖3中可以看出,當(dāng)正積溫小于50℃時,物質(zhì)平衡基本處于±50mm之間波動變化,而隨著正積溫的增加冰川物質(zhì)平衡逐漸減小,正積溫值越大冰川物質(zhì)平衡的變化越顯著.冰川物質(zhì)平衡與正積溫相關(guān)的變化趨勢呈現(xiàn)出較好的負(fù)相關(guān),相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.88.在圖4中,整體來看點(diǎn)的分布非常分散,物質(zhì)平衡與降水量之間似乎沒有明顯的相關(guān)性.進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn),在物質(zhì)平衡過程的不同階段,物質(zhì)平衡對降水量的響應(yīng)是不同的.在消融初期,物質(zhì)平衡隨降水量的增加而增大,這一時期氣溫相對較低,降水量對冰川積累的補(bǔ)給作用明顯,物質(zhì)平衡和降水量之間為正相關(guān)關(guān)系;強(qiáng)消融期,物質(zhì)平衡隨降水量的增加而減小,實(shí)際觀測結(jié)果顯示,這一時期氣溫高,冰川消融隨氣溫的升高而不斷增強(qiáng),即使降水量有所增加也難以彌補(bǔ)強(qiáng)消融形成的物質(zhì)虧損而使物質(zhì)平衡減小.同時,高溫季節(jié)降水多為液態(tài),降水量對冰川消融的促進(jìn)作用明顯.這一時期冰川物質(zhì)平衡過程顯示出明顯的溫度效應(yīng).因此,物質(zhì)平衡和降水量之間出現(xiàn)負(fù)相關(guān)關(guān)系;消融后期,降水量與強(qiáng)消融期基本接近,但物質(zhì)平衡明顯大于強(qiáng)消融期,顯然這是氣溫和降水綜合影響的結(jié)果.這一時期氣溫逐漸降低,冰川消融減弱,又有比較穩(wěn)定的降水及時補(bǔ)給,使冰川有所積累,因此物質(zhì)平衡處于較小負(fù)平衡狀態(tài).由此可見,氣溫和降水等氣候因子共同影響七一冰川的物質(zhì)平衡過程,而在夏季強(qiáng)消融期,氣溫起主導(dǎo)作用,是影響冰川物質(zhì)平衡的關(guān)鍵因子.以往的物質(zhì)平衡觀測結(jié)果表明,七一冰川1974-1977年3個物質(zhì)平衡年的平衡值分別為35\,384和350mmw.e.,1983-1988年5個物質(zhì)平衡年的平衡值分別為226\,-31\,-165\,38和-49mmw.e.,到2001/2002年度和2002/2003年度出現(xiàn)強(qiáng)烈虧損,冰川物質(zhì)平衡分別為-810mmw.e.和-316mmw.e..可以看出,七一冰川物質(zhì)平衡自20世紀(jì)70年代至21世紀(jì)初經(jīng)歷了從正平衡-零平衡-較大負(fù)平衡的變化過程,冰儲量也從較大積累逐漸過渡為強(qiáng)烈虧損.2001-2003年這兩個物質(zhì)平衡年內(nèi)的夏季平均消融深度分別是-951mmw.e.和-542mmw.e.,而2009/2010年度的夏平衡為-856.2mmw.e.,高于2003年的-951mmw.e.,而低于2002年的-542mmw.e.,說明冰川的物質(zhì)虧損仍在繼續(xù),冰川仍處于較大負(fù)平衡狀態(tài).3.2冰流速區(qū)域模擬結(jié)果利用2010年考察期間七一冰川氣溫降水實(shí)測資料,基于度日因子模型,對七一冰川物質(zhì)平衡隨海拔的分布進(jìn)行了模擬(圖5).分析模擬和觀測結(jié)果(圖6)發(fā)現(xiàn):(1)模擬結(jié)果整體反映了冰川物質(zhì)平衡隨海拔上升而增大的空間分布特征,代表了冰川物質(zhì)平衡隨海拔分布的平均狀態(tài).模擬結(jié)果與冰川主流線附近的花桿觀測點(diǎn)的實(shí)測物質(zhì)平衡很吻合,僅在海拔4767m處模擬值明顯偏小.其原因很可能是該點(diǎn)處于粒雪盆中,受到風(fēng)吹雪的影響,模擬過程對固態(tài)降水量估計(jì)偏小;而積雪反照率大于冰川冰反照率,從而對正積溫估計(jì)偏高所造成.(2)主流線兩側(cè)的實(shí)測物質(zhì)平衡值在模擬曲線附近上下波動,且主流線東側(cè)花桿點(diǎn)實(shí)測的物質(zhì)平衡多位于曲線上方,模擬結(jié)果偏小;相反,主流線西側(cè)的花桿點(diǎn)實(shí)測的物質(zhì)平衡多位于曲線下方,模擬結(jié)果偏大.這種現(xiàn)象主要與冰川兩側(cè)地形和太陽輻射強(qiáng)度有關(guān).在1975年地面立體攝影成圖的七一冰川地形圖上,冰舌兩側(cè)山脊的海拔高度東側(cè)明顯高于西側(cè),最高點(diǎn)東側(cè)為海拔5062m,而西側(cè)只有海拔4892m.受地形遮蔽作用的影響,冰川主流線西側(cè)受太陽輻射時間長于東側(cè);七一冰川區(qū)太陽輻射強(qiáng)度的日變化過程顯示,從日出至日落,太陽凈輻射呈現(xiàn)出迅速增加至最大值,然后是緩慢降低的變化趨勢,最大值出現(xiàn)在13:00-14:00.因此冰川主流線西側(cè)比東側(cè)接受到更多的太陽輻射量.從而造成物質(zhì)平衡的區(qū)位差異,出現(xiàn)模擬結(jié)果的上述特點(diǎn).3.3冰的敏感性試驗(yàn)結(jié)果出現(xiàn)以氣溶劑為基礎(chǔ),出現(xiàn)在地層基礎(chǔ)和單20世紀(jì)80年代以來,我國西北受西風(fēng)環(huán)流影響為主體的地區(qū)氣候正在發(fā)生由暖干向暖濕的轉(zhuǎn)型,降水和冰川融水增加顯著.七一冰川所在的祁連