冰川运动速度对气候变化的响应—以天山乌鲁木齐河源1号冰川为例

周在明,井哲帆,赵淑惠,韩添丁,李忠勤

1)中国地质科学院,北京 100037;

2)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

冰川运动速度对气候变化的响应—以天山乌鲁木齐河源1号冰川为例

周在明1,2),井哲帆2),赵淑惠2),韩添丁2),李忠勤2)

1)中国地质科学院,北京 100037;

2)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

山地冰川对气候变化的响应最为敏感,在全球变暖的大背景下山地冰川和极地冰盖正在发生显著的变化。冰川运动速度的变化是气候变化的结果之一。乌鲁木齐河源1号冰川是中国西部山地冰川的代表,本文以1981-2007年27a的运动速度资料与1982年以来的季节运动速度资料为基础,结合冰川物质平衡、气温、降水等资料分析冰川运动速度对气候变化的响应。研究发现,27a来1号冰川运动速度下降趋势明显,冬、夏季节运动速度波动较大,但夏季运动速度较大。气候变化通过冰川物质平衡的改变作用于冰川运动速度,物质平衡的持续亏损最终导致了冰川运动速度的持续降低。夏季的高温与降水对冰川运动速度具有加速的作用。

冰川;运动速度;物质平衡;气候变化

IPCC(政府间气候变化专门委员会)第四次评估报告指出,冰川对气候变化的响应非常明显(IPCC,2007),其中山地冰川较为敏感的响应了气候变化(施雅风等,2000),当前,全球冰川急剧退缩(Klok et al.,2004;Meier et al.,2007),在我国亦十分显著(姚檀栋等,2004;康世昌等,2007;段建平等,2009)。冰川是气候的产物,气候变化引起冰川物质平衡和运动速度的变化,最终使冰川面积增减、末端前进或退缩(秦大河,2005)。通过冰川变化特征及其波动趋势,可以指示气候变化(苏珍等,2000;张寅生等,1998;Bolch,2007;Zemp et al.,2006)。事实上,冰川响应气候的变化首先反映在冰川的物质平衡变化上,其次是冰川的温度、运动特征等一系列变化上(李慧林等,2007)。冰川物质平衡的改变与冰川运动速度的变化是互为因果关系的(Rignot et al.,2006;Carr et al.,2007;Nakamura et al.,2007)。

国际上,冰川运动速度研究主要集中于极地冰盖与海洋性冰川(Dowdeswell et al.,1999;Rignot et al.,2004;Trabant et al.,2003;Iken et al.,1997),国内以西部广布的山地冰川为主(Huang,1992;Jing,1992;井哲帆等,2002;井哲帆等,2003;Jing et al.,2006;周建民等,2009;周在明等,2009)。然而长序列运动速度监测的冰川比较稀少,天山乌鲁木齐河源1号冰川(以下简称1号冰川)是在我国境内观测资料最完善,连续性最好的冰川,运动及物质平衡观测始于 1959年(孙作哲等,1980),连续观测始于1980 年(李忠勤等,2003)。

本文以 1981-2007年27a运动速度的连续观测资料与1982年以来的季节观测资料为基础,结合历年气象、物质平衡等资料,分析 1号冰川的运动特征及冰川运动对气候变化的响应。

1 观测方法

1 号冰川(43°05′N,86°49′E)位于天山中段天格尔Ⅱ峰(海拔 4476 m)北坡乌鲁木齐河源,由已经分离的东、西两支组成(图1)。运动速度及物质平衡以花杆法进行观测,速度计算以坐标法计算出冰体单位时间内的位移,位移量与时间的比值即为单位时间内的速度值,最终得到速度值误差＜10%。东、西支冰川运动速度为各条冰川的平均值。

图1 乌鲁木齐河源1号冰川位置图Fig.1 Location of No.1 Glacier at the headwater of the Urumqi River

2 资料分析

对1981-2007年的运动速度分析发现(图2),27a来1号冰川东、西两支的运动速度随时间变化呈现出基本一致的线性关系,运动趋势线大体平行。1993年,东、西支冰川分离,运动速度出现了明显的波动现象,从1980s至今1号冰川的运动速度是在减缓的,27a间东、西支冰川平均每年减幅分别为0.8%和2.0%。1981-1993年间1号冰川运动速度波动较大,从1993-2007年的后15a间东、西支冰川的运动速度持续减缓,减幅为3.4%和7.3%。东支冰川表现出相对稳定的运动规律,西支冰川运动速度高于东支,随着时间的延续到2007年两支冰川运动速度已经非常接近。总体上,20世纪末的20a时间是1号冰川运动速度发生剧烈波动变化的时期,进入 21世纪冰川运动速度趋于稳定。

不论是在冬季还是在夏季,西支冰川的运动速度明显大于东支冰川,同一季节内东支冰川与西支冰川具有基本相似的运动趋势。总体上同支冰川夏季运动速度大约是冬季的1.2倍。1982-1994年间,东、西两支冰川同在1987年出现了夏季运动的最大值,而冬季运动速度的最大值则同在1982年出现。近两年来,不论是冬季积累时间段内还是夏季消融时间段内的运动速度都开始回升,但是速度值仍稳定在1982-1994年这13a的变化范围内(图3)。

冰川物质平衡记录显示(图4),自20世纪80年代以来,1号冰川物质平衡有加速负平衡的趋势,年均物质平衡为−413.63mm·a−1,其中负物质平衡年为23年,仅有4年为弱积累年,累积物质平衡达到−12115.4mm。近10a(1997-2006年)是1号冰川监测史上负平衡波动时期最长并且继续延伸的物质亏损最强烈的时期。这是气候变暖作用于冰川的具体体现,这种波动期继续延伸的可能性依然很大。冰川运动速度的持续降低与冰川物质平衡的持续亏损,致使冰川末端由于冰川运动补充的物质量远小于消融亏损的物质量从而造成冰川退缩加剧,仅2006-2008年间,东、西支冰川分别后退 7.23 m和13.50 m。

图2 乌鲁木齐河源1号冰川运动速度变化图Fig.2 Velocity change of No.1 Glacier at the head water of the Urumqi River(1981-2007)

图3 乌鲁木齐河源1号冰川冬夏季节运动速度变化图(a.西支冰川;b.东支冰川)Fig.3 Seasonal velocity of No.1 Glacier at the headwater of the Urumqi River (a-west branch;b-east branch)

3 冰川运动对气候变化的响应

3.1 气候变化的事实

从1860年有气象仪器观测记录以来,全球平均温度升高了 0.6±0.2℃(秦大河,2004)。20 世纪 90 年代是近千年中最暖的年代(施雅风,2004;张晶晶等,2006)。据天山乌鲁木齐河源树轮(施雅风,1995)、敦德冰芯(姚檀栋等,1990)、古里雅冰芯(姚檀栋等,1995)等资料,中国西部山区17世纪温度平均比现代低1.3 K。历史前例,除小冰期盛时以来中国西部山区的升温值比全球平均升温值高1倍左右。小冰期盛期以来升温1.4 K,冰川面积约损失6 000km2,相当于现代冰川面积的23%(施雅风等,2000)。

在全球气候变暖的大背景下,1987年起新疆以天山中西部为主要地区,出现了气候转向暖湿的强劲信号(施雅风等,2002)。年平均气温呈现升温趋势,山前平原区年均升温幅度远大于山区,冬季升温非常明显(苏宏超等,2003;韩添丁等,2002)。

根据大西沟气象站(海拔 3539 m)的观测资料,乌鲁木齐河源区的气温、降水自1980年以来增加趋势明显,1985年至今增加更甚。到2007年气温比1984年的最低温度升高了 3℃,1984年以来,年平均气温升高了 0.13℃,气温的连续升高使 1号冰川在1993年分为东、西两支独立的冰川。降水量2007年比1985年的低值增加了210mm。而与气温升高,降水增加相反的是冰川运动速度持续减小(图5)。

图4 乌鲁木齐河源1号冰川物质平衡变化图Fig.4 Mass balance change of No.1 Glacier at the headwater of the Urumqi River (1980-2006)

图5 乌鲁木齐河源区气温、降水与1号冰川年平均运动速度变化图Fig.5 Temperature,precipitation and velocity change of No.1 Glacier at the headwater of the Urumqi River

积温是影响冰川消融等变化的主要因素,由于气温积温代表了冰川消融期温度T≥0℃的积温,所以气候积温与冰川消融有较好的负相关性。根据王国亚等的研究(王国亚等,2005),1960-2004年间乌鲁木齐河源区的年积温上升了133℃·d,积温的变化趋势与气温的变化趋势是一致的,从 20世纪 80年代中期开始明显上升,此后气候变暖呈加剧和加速发展趋势。

3.2 冰川运动速度的响应

运动是冰川的基本过程,是冰川动力学的基础而气候变化影响着冰川的动力学机制(Kääb,2005)。随着新疆气候由暖干向暖湿转型,乌鲁木齐河源区气温、降水都明显变化。通过冰川运动速度与气温、降水的相关性分析表明,运动速度的大小直接受气温与降水的影响较小(图6),相关系数仅为−0.57与−0.42,通过置信度95%的检验。考虑气温、降水对冰川运动速度影响的情况下,通过多元回归分析建立了1号冰川运动速度V(m/a)与气温T(℃)、降水P(mm)之间的关系式(1),校正的决定系数说明V的总变异中可由回归模型中自变量T、P解释的部分所占的比例较小,对速度V的影响还有其他重要因素。而式子(1)表明气温(T)对冰川运动速度(V)的影响比降水(P)要显著的多。

由于气温与降水是影响冰川变化的最直接因素,因此可以说气温、降水以及其引起的冰川物质平衡,冰川厚度,冰川形态等的变化这些综合因素共同影响着冰川运动速度的改变。

从20世纪80年代中期以来,气温升高,降水增大,而物质平衡的负平衡趋势也在加剧。通过 27a的物质平衡与气温、降水的相关性分析表明:1号冰川物质平衡主要取决于平均气温的高低,二者具有较好的反相关性(相关系数为−0.69),而与降水的相关性较差。乌鲁木齐河源区大西沟气象站的观测记录显示从 80年代后期开始乌鲁木齐河源区的气温持续升高,进入90年代气温升高显著,而进入21世纪气温的升高趋势更加明显。气温变化导致1号冰川物质平衡无论是年度值还是累计值均有负增长的趋势,物质损失严重。1980-2006年27a间冰川累积物质平衡达到−12115.4mm,相应的厚度资料(李忠勤等,2007)表明 1981-2006年冰川中轴线剖面平均厚度减薄10-18 m。根据周在明等(周在明等,2009),对 1号冰川运动速度与冰川厚度的研究发现,厚度的改变对冰川运动速度的变化起着重要的作用。通过敏感性实验,在20-120 m厚度范围内的1号冰川,厚度减少 1 m,冰川运动速度的变化幅度在30%-40%之间,速度值的最大变化达0.4 /a。冰川物质平衡积累量减小,冰川厚度的持续减薄,造成了冰川纵向应力的变小最终导致了冰体运动速度减速。同时冰川物质平衡的减少,运动速度的递减促使了冰川退缩加剧。此外,1号冰川东西支的积累区差异较大,东支冰川明显大于西支,物质积累量的差异造成了东、西支冰川运动速度的差别。

图6 气温、降水与运动速度的相关性(年平均值)Fig.6 Relationship between temperature,precipitation change and glacier velocity (yearly average)

1980-2007年河源区冬(12月至翌年3月)、夏季3个月(6-8月)增温2.4℃和1.7℃,降水增加6.1mm和134.2mm。冬、夏季节的增温与降水量的增加具有较高的同步性。由于冰川活动层升温是一个缓慢的过程,冬季高气温预示着活动层升温开始时间提前,因而冰川表层温度接近于 0℃的时间及整个冰川活动层升温比低温年份来得早并且持续时间长,这一现象可使冰川表面消融期延长,在气温高的夏季使冰川消融更加强烈,从而整个冰川负物质平衡加剧。因此冬季的升温作用对夏季冰川消融产生重大的影响。另一方面,根据 1号冰川物质平衡对气温降水的敏感性分析说明,降水增加100mm,该冰川物质平衡改变量139mm,而温度升高1℃可使负物质平衡增大365mm(刘时银等,1998)。说明降水对1号冰川物质平衡的影响要比气温变化的影响小的多。由于物质平衡的变化改变着冰川运动速度,从而可见气温对冰川运动速度的影响比降水的影响大。

夏季气温高并且降水多,降水量占全年的70%(杨新元等,1996),既是冰川物质平衡的主要积累期,同时也是冰川强烈的消融期,尤其以 7月下旬的消融量最大。一方面夏季较高的气温加剧了冰川的升温,根据我们在运动速度观测期间对冰川末端底部的温度及形态的观测发现消融季节冰川底部有融水流出,底部沙砾松散。针对这种情形我们应用Weertmen滑动定律及冰川动力学模式进行了验证,结果表明1号冰川在夏季强烈消融期间有底部滑动现象,并且底部滑动占冰川运动速度的比重较大。另一方面高温降水产生较大的冰面径流,大量融水冲刷作用加剧了冰裂隙的发育改变了冰川原本稳定的结构。此外,冰川强烈的消融导致了雪线以下部分物质亏损严重,冰川迅速减薄,冰川厚度的大幅度改变使运动速度加速。综合以上三点夏季冰川运动速度较快。

冬季冰川温度降低不再有滑动现象。河源区冬季降雪较少,降水量仅占全年的10%(焦克勤等,2004),冰川出现微弱的物质积累,但由于全球变暖的大环境,河源区气温的不断升高,根据实际观测发现在冰舌区也存在弱的消融,冰川物质平衡有少量亏损。总体上冰川的物质积累量增加但由于冬季降水少,物质平衡积累少,冰川厚度变化也不明显。因此冬季运动速度缓慢。

4 结论

气候变暖对冰川的影响表现在冰川后退、物质平衡亏损、冰川厚度减薄、运动速率下降。冰川运动速度的变化是气温、降水以及由气温、降水引起的冰川变化等综合因素共同影响的结果。而在众多的影响因素中气温升高导致的冰川减薄是影响冰川运动速度减小的最重要的因素。随着全球气候变暖加剧不断出现冰川规模的减小,有些冰川甚至消亡,冰川运动速度减小甚至最终停止运动。27a来1号冰川的运动速度是在逐年减小的,特别是从1993-2007年的后15a间东、西支冰川的运动速度减幅为3.4%和7.3%。20世纪末的20a时间是1号冰川运动速度发生剧烈波动变化的时期,进入21世纪冰川运动速度趋于稳定。

夏季的高温与降水对冰川运动速度有积极的正面影响。冰川底部产生滑动、冰川径流加剧了冰体结构的改变、严重的物质亏损等因素综合促使1号冰川的运动速度总体上保持着夏季速度高冬季速度低,单条冰川夏季速度是冬季速度的1.2倍左右。

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The Response of Glacier Velocity to Climate Change:A Case Study of Urumqi Glacier No.1

ZHOU Zai-ming1,2),JING Zhe-fan2),ZHAO Shu-hui2),HAN Tian-ding2),LI Zhong-qin2)
1)Chinese Academy of Geological Sciences,Beijing100037;
2)State Key Laboratory of Cryospheric Sciences,Cold and Arid Region Environmental and Engineering Research Institute,Chinese Academy of Sciences,Lanzhou,Gansu730000

Valley glacier is most sensitive to climate change under the background of global warming,and hence glaciers and ice caps of the world have changed significantly.Glacier movement is one of the results of climate variation.No.1 Glacier at the headwater of the Urumqi River is the representative of valley glaciers in western China.In this paper,based on 27 years’ (1981-2007)velocity data and seasonal velocity data in combination with glacier mass balance as well as temperature and precipitation data,the authors analyzed the response of the glacier movement to climate change.Researches show that in the 27 years the velocity tended to decrease obviously,seasonal velocity fluctuated considerably,and the velocity was higher in the summer than in the winter.Climate change acted on glacier movement by mass balance variation,and the uninterrupted loss of mass balance led to the continuous decrease of glacier velocity.It is also found that high temperature and high precipitation accelerated the glacier movement.

glacier;velocity;mass balance;climate change

P512.4;P467

A

1006-3021(2010)02-237-08

本文由国家重点基础研究“973”发展计划项目(编号:2007CB411501)、中国科学院创新团队国际合作伙伴计划项目(编号:CXTD-Z2005-2)、国家自然科学基金项目(编号:40871036)联合资助。

2010-01-19;改回日期:2010-03-05。

周在明,男,1980年生。中国地质科学院在读博士研究生。从事冰川及水资源研究工作。通讯地址:100037,北京市西城区百万庄大街26号。E-mail:tougaozhou@163.com。