山地冰川物质平衡和动力过程模拟

本书以全球山地冰川为研究对象，围绕冰川物质平衡和动力过程，建立物质平衡模式和动力学模式，深入开展冰川变化模拟预测研究,内容包括冰川响应气候变化的关键过程、冰川物质平衡模式和冰川动力学模式原理和在参照冰川上的应用、冰川物质平衡影响因素和动力学模式参数方案、参照冰川变化的模拟预测和控制因素、国内外冰川变化及影响评估等、本书系利用长期野外考察、定位观测试验，通过理论与实际相结合，针对冰川物质平衡和动力学过程系统研究的成果和进展，有较强创新性，为冰冻圈科学研究尤其是全球山地冰川研究提供参考。

序一
序二
前言
第1章绪论1
1.1冰川对气候变化响应的关键过程1
1.2冰川动力过程研究路线2
1.2.1参照冰川和同区域冰川3
1.2.2冰川物质平衡模式4
1.2.3冰川动力学模式5
1.2.4参照冰川与区域冰川尺度转换及区域冰川变化评估5
1.3动力学模式所需参数和获取方法7
1.3.1观测参数7
1.3.2参数方案9
1.4本书重点关注的科学问题9
1.4.1前期研究形成的认知9
1.4.2本书重点关注的科学问题10
第2章参照冰川物质平衡观测与模拟11
2.1物质平衡观测方法11
2.1.1花杆／雪坑方法11
2.1.2大地测量法12
2.2物质平衡模型13
2.2.1全分量能量平衡模型13
2.2.2简化型能量平衡模型17
2.2.3度日模型18
2.3天山乌源1号冰川物质平衡模拟案例解析20
2.3.1数据来源20
2.3.2度日模型模拟与验证21
2.3.3简化型能量平衡模型模拟与验证27
2.4天山奎屯河51号冰川物质平衡观测与简化棋拟29
2.4.1物质平衡观测研究29
2.4.2物质平衡模拟31
2.5祁连山老虎沟12号冰川物质平衡模拟与重建32
2.5.1数据来源32
2.5.2物质平衡梯度变化与模拟33
2.5.3冰面物质／能量平衡与模拟35
2.5.4物质平衡重建39
2.6青藏高原冬克玛底冰川物质平衡的观测与重建40
2.6.1数据来源40
2.6.2物质平衡梯度特征41
2.6.3冰川物质平衡年际变化43
2.6.4冰面物质／能量平衡43
2.6.5冬克玛底冰川物质平衡重建44
2.7云南玉龙雪山白水1号冰川物质平衡特征49
2.7.1冰川和观测资料49
2.7.2物质平衡过程50
2.7.3物质平衡梯度52
2.7.4年物质平衡特征53
2.8北极AustreLovenbreen冰川物质平衡观测与计算54
2.8.1冰川和观测数据54
2.8.2物质平衡插值计算及修正55
2.8.3物质平衡野外观测改进58
2.8.4物质平衡计算结果58
2.8.5等值线与等高线法结果比较59
第3章冰川物质平衡的大地测墨和关键影响因子60
3.1地面三维激光扫描仪在物质平衡观测中的应用60
3.1.1仪器介绍60
3.1.2月尺度物质平衡观测61
3.1.3累积物质平衡数据验证65
3.2大地测量法对冰川学法物质平衡的验证69
3.2.1资料来源69
3.2.2冰川厚度变化70
3.2.3两种方法的物质平衡比较71
3.2.4误差分析72
3.3冰川反照率时空变化及其与物质平衡的关系72
3.3.1冰川反照率时空特征研究73
3.3.2影响冰川反照率变化的主要因素75
3.3.3冰川反照率与物质平衡76
3.4吸光性物质及其对冰川消融的影响77
3.4.1全球冰川雪冰中黑碳含量的时空变化77
3.4.2中国西部冰川吸光性物质的时空分布78
3.4.3吸光性物质的雪冰反照率效应及其辐射强迫80
3.4.4吸光性物质对冰川消融的定量评估81
3.5大气0℃层高度对物质平衡的影响81
3.5.1大气OoC层高度81
3.5.2大气OoC层高度与地面气温的关系82
3.5.3大气OoC层高度与冰川物质平衡的关系84
第4章冰川变化动力学模拟预测和控制因素86
4.1引言86
4.1.1研究冰川概况86
4.1.2动力学模式种类88
4.2模型构建88
4.2.1全分量冰流模型89
4.2.2高阶冰流模型90
4.2.3浅冰近似冰流模型91
4.3模型数据92
4.3.1乌源1号冰川数据93
4.3.2托木尔青冰滩72号冰川数据93
4.3.3哈密庙尔沟冰帽数据95
4.3.4祁连山十一冰川数据96
4.4预测结果与讨论98
4.4.1气候变化情录98
4.4.2乌源1号冰川98
4.4.3托木尔青冰滩72号冰川100
4.4.4哈密庙尔沟冰帽102
4.4.5祁连山十一冰川104
4.5冰川未来变化及其控制因素108
4.5.1冰川消亡时间及其控制因素108
4.5.2变化过程与控制要素109
4.5.3不同气候情景和降水变化对冰川的影响112
4.5.4冰川面积、体积和长度的关系114
4.5.5与国外冰川对比115
第5章冰川厚度、温度和速度热一动力学过程模拟119
5.1山地冰川厚度模拟119
5.1.1模型构建119
5.1.2模型应用122
5.1.3结果讨论和敏感性分析126
5.2老虎沟12号冰川温度和运动速度模拟130
5.2.1数据来源132
5.2.2模型介绍135
5.2.3模型的敏感性实验136
5.2.4模拟实验结果和讨论138
5.3冬克玛底冰川温度和运动速度模拟143
5.3.1数据来源143
5.3.2结果与讨论145
第6章中国西北地区冰川变化及其影响评估148
6.1阿尔泰山地区冰川变化及其对水资源的影响148
6.1.1冰川概况148
6.1.2冰川近期变化150
6.1.3冰川未来变化及其对水资源的影响152
6.2天山地区冰川变化及对水资源的影响153
6.2.1冰川概况153
6.2.2冰川未来变化预估154
6.2.3塔里木河流域155
6.2.4伊犁河流域157
6.2.5天山北麓诸河158
6.2.6东疆盆地水系160
6.3祁连山地区冰川变化及其对水资源的影响162
6.3.1冰川概况162
6.3.2典型流域冰川变化及其对水资源影晌165
第7章全球冰川时空变化168
7.1引言168
7.2全球参照冰川物质平衡变化169
7.2.1资料来源169
7.2.2年际和累积物质平衡变化172
7.2.3物质平衡10年代际变化173
7.2.4物质平衡空间变化173
7.3中国境内冰川物质平衡变化及其与全球冰川对比175
7.3.1资料来源175
7.3.2年际和累积物质平衡变化175
7.3.3物质平衡10年代际变化176
7.3.4与全球参照冰川物质平衡对比176
7.3.5冰川加速消融机理179
7.4全球不同区域参照冰川物质平衡变化及其影响因素180
7.4.1高加索与中东地区180
7.4.2南安第斯地区181
7.4.3斯堪的纳维亚地区182
7.4.4欧洲巾部地区183
7.4.5阿拉斯加地区183
7.4.6亚洲北部地区184
7.4.7加拿大北极北部地区185
7.4.8北美西部185
7.4.9亚洲巾部地区186
7.4.10斯瓦尔巴群岛和扬马延岛地区187
7.4.11中国西部地区187
7.5全球冰川末端变化189
7.5.1资料来源189
7.5.2山地冰川1535年以来末端变化190
7.5.3中国冰川末端变化192
7.6全球冰川面积变化193
7.6.1总体变化193
7.6.2全球不同区域冰川分布及变化194
第8章结论与展望206
8.1山地冰川变化关键过程和模拟研究架构206
8.1.1冰川物质平衡和动力过程206
8.1.2冰川动力过程研究路线206
8.1.3劫力学模式所需参数和获取方法206
8.1.4动力学模型重点解决的科学问题207
8.2冰川物质平衡的观测与模拟207
8.2.1简化物质／能量平衡模式207
8.2.2中国境内参照冰川物质平衡观测、模拟与重建207
8.2.3北极地区参照冰川物质平衡观测和计算方案207
8.3冰川物质平衡观测新方法和关键影响因子208
8.3.1地面三维激光扫描仪在物质平衡观测中的应用208
8.3.2物质平衡的关键影响因子208
8.4冰川变化的动力学模拟预测和控制因素209
8.4.1模型构建209
8.4.2预测结果210
8.4.3控制要素210
8.4.4其他结论210
8.5冰川厚度和热一动力学过程模拟211
8.5.1冰川厚度模拟方法211
8.5.2冰川运动速度和温度场模拟211
8.6中国西北地区冰川变化及其影响评估212
8.6.1过去的冰川变化212
8.6.2冰川未来变化预估212
8.6.3冰川变化对水资源的影响及对策212
8.7全球冰川时空变化213
8.7.1全球参照冰川物质变化213
8.7.2全球冰川末端和面积变化213
8.8研究展望214
参考文献215

    第1章 绪论
    1.1 冰川对气候变化响应的关键过程
    冰川系寒冷地区由降雪转化而成且流动的巨大冰体。世界上的山地冰川大约有21万条，总面积达75万kfri2。中国是中低纬度冰川最为发育的国家，共有冰川48 571条，面积约为5. 18万kfri2，这些冰川分布于昆仑山、天山、念青唐古拉山、喜马拉雅山、喀喇昆仑山和祁连山等西部山地。山地冰川消融对海平面上升的贡献量目前仅次于海洋热膨胀，处在第二位，高于南北极冰盖。冰川是中国及周边国家和地区大江大河的源头，冰川在中国西北内陆干旱区是重要的水资源。
    过去30余年，由气候变化引发的冰川加速消融退缩造成的海平面上升，以及水资源、水循环和生态环境等方面的问题日益加剧，成为国际关注的焦点。深入开展冰川变化过程和机理研究，建立冰川模型，模拟预测冰川未来变化，是目前冰川学研究的热点和前沿领域，同时也是解决冰川变化引发水资源、生态等问题的基础。
    冰川是气候的产物，在气候变化背景下，冰川对气候响应十分敏感。冰川对气候变化的响应包括两个过程：第一个过程是由冰川表面能量变化引发的冰川物质平衡（由积累和消融引起的物质收支）变化，即物质／能量平衡过程。冰川物质平衡变化是冰川对气候变仳即时的响应（实际上是气候对冰川的直接影响，表现为物质收支的盈亏过程）。第二个过程是由冰川物质平衡和冰川流变参数（如冰川温度和冰川底部状态参数等）变化共同引发的冰川几何形态（面积、长度、厚度、体积等）变化，由于这一过程与冰川运动密切相关（这一过程是对物质盈亏的响应，是动力响应过程），因此被称为冰川动力学过程。冰川几何形态的变化是冰川对气候变化滞后和叠加的响应（图I-I）。
    事实上，当冰川由一种形态变化为另一种形态时，其物质收支和几何形态均发生了改变，只有通过对物质／能量平衡和冰川动力学两个过程的模拟研究，才可以完整表述冰川的变化，缺一不可。过去的研究，大都聚焦于冰川的物质平衡过程，因为物质平衡模式具有模拟计算冰川积累和消融量的功能，并能被耦合至水文模型中，以解决冰川径流问题。然而，多数物质平衡过程模拟将冰川的几何形态假定为常数，并未考虑其动态变化，即便有考虑，也是将其以经验参数的形式引入，因而理论上不能用来模拟预测冰川的长期变化。
    用以描述冰川动力学过程的动力学模式是基于物质、能量和动量守恒而建立的物理学模式，由冰川变化的物理机制人手，以物质平衡模式的结果为驱动，依靠优选的数值模拟方法，从为学和热学范畴来描述和模拟预测冰川的变化。通过冰川动力学模式和冰川物质平衡模式的耦合研究，以实现由气候变化一冰川物质平衡变化一冰川动力学响应一冰川形态变化一冰川融水资源变化（体积变化）的完整推算。冰川动力学模式是本书研究的重点。
    1.2 冰川动力过程研究路线
    为了模拟预测山地冰川变化过程，揭示其控制机理，本书设计出以下路线（图1—2）。与以往的研究相比，该研究路线具有以下4个方面的特点：一是以冰川动力学模式为核心。通过建立普适化冰川动力学模式，对冰川几何形态变化进行模拟预测，并揭示冰川变化的过程、机理和控制要素。二是将不同类型和不同特征的冰川进行参数化表述，用以模式输入，以避免以往研究对其的地理分类研究，这使T作量大为减少。三是通过物质平衡模式和动力学模式的耦合，实现将物质平衡作为动力学模式的驱动参量，这有利于两种模式的平行研究和实现动力学模式与气象要素的分离。四是通过参照冰川和同区域多条冰川的尺度转化，实现区域尺度冰川变化的模拟研究，为大区域冰川变化及影响奠定评估基础。
    1. 2.1 参照冰川和同区域冰川
    由于冰川观测异常艰难，且冰川数量巨大，因此不可能对所有冰川进行实地观测研究。根据冰川学原理，在一个气候环境差异不大的区域，冰川的发育特征和对气候变化响应的过程和机理相似，因而可借助于对其中某条有代表性冰川的观测模拟研究，来揭示这一区域众多冰川的特征及其变化规律。这条冰川即为参照冰川( reference glacier)，而参照冰川能够代表的，且处在同一区域的冰川被称为同区域冰川（李忠勤，20llb）。
    在实际应用和模型研究中，只有那些边界参数可以通过参照冰川参数化的冰川才可视为同区域冰川，否则即便两条冰川相距很近也不可称为同区域冰川。通常参照冰川与同区域冰川在气象参数的梯庋变化、冰川的冰体特征、冰内热力学参数、冰下地热参数和基岩特征等方面相同或相似，因此它们可以共用相关模式参数。
    参照冰川不仅具有良好的代表性，而且具备长期和完整的观测资料，包括冰川几何形态及其变化、冰川区气象水文等。由于冰川物质平衡受冰面能量过程控制，年际变化幅度大，至少5年以上观测资料才具代表性。世界冰川监测服务处( World Glacier Monitoring Service，WGMS)提出的参照冰川的标准更为严格，包括：①冰川物质平衡的波动仅受气候因素影响，不受雪崩、冰崩、跃动、厚表碛覆盖以及人为因素的干扰；②物质平衡观测序列长度超过了30年，且具有持续（近2年）的基于冰川学方法的物质平衡观测；③观测缺失年份不超过10%，重新建立的观测必须超过数据缺失序列长度的50%；④物质平衡及相关详细信息包括物质平衡观测阶段的质量评估、冰川全景图、位置与所处气候区、观测采用的时间系统、调查日期与插值方法、冰川物质平衡线高度与积累区面积比率、冰川面积及各海拔带冬季、夏季与年物质平衡、单点积累与消融观测、主要的观测人员、资助机构与相应参考、验证与校正（大体上以10年为间隔，采用大地测量学方法对冰川学方泫获取的物质平衡数据进行修正）等。根据这一标准，WGMS在全球范围确定了40条左右的参照冰川，分布在19个地区，用以代表全球山地冰川。
    本书有关全球冰川物质平衡方面的研究主要采用的是WGMS在全球范围确定的40条参照冰川的资料（详见表7-2），以及位于北极斯瓦尔巴群岛(Svalbard)地区新奥尔松的Austre Lovenbreen冰川。涉及中国境内的冰川有12条（表I-I），分别为天山山脉的托木尔青冰滩72号冰川、奎屯河哈希勒根51号冰川（简称奎屯河51号冰川）、乌鲁木齐河源1号冰川（简称乌源1号冰川）、哈密庙尔沟冰帽；阿尔泰山区的木斯岛冰川；祁连山山脉的老虎沟12号冰川和十一冰川；青藏高原的小冬克玛底冰川、绒布冰川、帕隆94号冰川、海螺沟冰川和白水1号冰川。我们在对这些冰川开展物质平衡观测研究的同时，更是对其中6条冰川实施了冰川动力学模拟研究（详见第4章和第5章），这些冰川基本上都有专门的冰川野外站作为观测后勤保障，拥有长序列的观测数据和研究积累，具备开展冰川动力学所需的基本参数。为了进行动力学模拟结果的对比研究，本书还在全球范围选取了12条冰川，所选冰川面积范围为0. 48 - 1042km2，冰川补给优选海拔为6000m，末端大力度优惠海拔为Om。包括各种类型和特征的冰川，按气候（地域）类型可分为温冰川（海洋性冰川）、冷冰川（大陆性、极大陆性冰川）；按形态可分为悬冰川、冰斗一山谷冰川、山谷冰川、复式山谷冰川、冰帽等；按冰川特征可分为冬季积累型冰川、夏季积累型冰川、表碛覆盖型冰川、滑动型冰川、沉积层形变型冰川、冰内水道型冰川等。这些冰川覆盖了全球主要山地冰川区，且具有良好山地冰川的代表性（详见表4-3）。上述冰川中，乌源1号冰川为WGMS确定的全球参照冰川，但为方便起见，必要时本书将上述中国境内的其他冰川也称为“参照冰川”。
    1.2.2 冰川物质平衡模式
    如前所述，冰川对气候变化响应的第一个过程是冰川表面能量变化引发的冰川杨质平衡变化，即物质／能量平衡过程。冰川物质平衡是反映冰川积累和消融量值的冰川学重要参数之一，对气候变化有着即时的响应。冰川物质平衡量值可以通过观测方法，如花杆／雪坑法和大地测量法得到。同时，由于冰川物质平衡取决于冰川区能量状况，因而可以通过构建基于能量平衡方程的模式来模拟计算物质平衡，这种模式被称为冰川物质平衡模式，其核心是建立物质平衡（冰川积累和消融的代数和）与气象要素（如气温、降水、辐射等）变化之间的关系。模式的输入端是各种气象要素，输出结果为物质平衡。
    作为冰川学的重要参数之一，物质平衡及其动态变化是引起冰川规模和径流变化的物质基础，是联结冰川与气候、冰川与水资源的重要纽带。冰川物质平衡模式除了在本书中用于提供动力学模式输入参量外，在冰川与气候、冰川与水文水资源等研究领域均有广泛应用。本书将在第2章和第3章系统论述物质平衡相关的观测研究。
    1.2.3 冰川动力学模式
    冰川是具有黏弹性及塑性形变特征（与冰温有关）的流变巨大冰体。运动是冰川区别于其他冰体最为重要的特征之一。冰川的流动改变了物质分布和冰川各部所处的水热及边界条件，也极大地增加了冰川研究的复杂性。冰川形态变化以物质平衡变化和流变为驱动，形成了冰川系统的能量一动力过程。物理学中的物质／能量平衡原理、热学和动力学原理是完整描述冰川运动、变化的理论基础。基于物理学理论的冰川动力学模式最早由英国冰川物理学家Nye在20世纪60年代提出(Nye，1960，1965)。他通过建立冰川物质守恒、动量守恒方程，同时引入冰的Glen流变定律(Glen，1954)方程，以及能量、热学等参变量，创建了一系列模拟冰川响应气候变化、冰川运动变仳等过程的冰川动力学模式。其后，Oerlemans(1982)系统地将其运用到冰盖变化的模拟预测上。
    冰川动力学模式运用的优选难点在于缺乏普适的模型模块。不同地区冰川热学一动力学特征以及边界条件的差异很大，研究者需要针对不同的问题，从冰川基本状况分析人手，利用冰川动力学的理论建立模型。而且模式的数学解析十分复杂，所需观测参数繁多，精度要求高。由于山地冰川的边界条件远远复杂于极地冰盖，因此构建适合山地冰川的动力学模式一直是研究的难点。本书将山地冰川侧脊拖拽作用力以分量的形式引入到动力学模式中，在山地冰川厚度模拟方面取得了突破(Li Z Q et al．，2011; Li H L et a1．，2012)。同时，基于这一理论建立了一套适合于山地冰川变化模拟预测的动力学模式，该模式在本书研究中发挥了重要作用。
    由于冰川动力学模式是接近的物理模式，由冰川变化的机理人手，从力学和热学范畴来描述和模拟冰川变化，能够有效揭示冰川变化的动态过程、机理和控制因素。该模式以物质平衡模式的结果为输入端，不仅能够预测冰川在气候发生变化时详细的几何形状响应过程，而且可以预测冰川在给定气候情景下的最终退缩状况。冰川动力学模式的另一特点足可以根据形态变化推算m冰川的物质平衡。鉴于此，动力学模式是对冰川物质平衡及形态两者变化进行模拟和预测的优选T具（Nye，1960，1965；Oerlemans et al．，1998a；李慧林等，2007; Li et a1．，2011）。本书将在第4章和第5章系统论述冰川动力学模式及其研究结果。
    1.2.4 参照冰川与区域冰川尺度转换及区域冰川变化评估
    (l)区域冰川参数化方案
    冰川动力学模式对参数要求颇高，只能运用于长期观测的参照冰川。要解决区域众多冰川的模拟，只能借助于由参照冰川到区域冰川的尺度转换。根据长期的研究实践，本书制订了适合山地冰川尺度转换的参数化方案，图1-3为参照冰川与区域冰川尺度转换的参数化方案。