西天山科其喀尔冰川消融径流的水化学分析

为了研究西天山科其喀尔冰川融水径流的基本化学特征，2003—06～2003—09在研究区取样（冰面径流、冰面湖水、河水及大气降水），结果表明：①本区各类水体都呈碱性，pH值大小顺序为：河水〉冰面径流〉冰面湖水〉大气降水〉7．②各类样品总离子浓度的顺序为：河水〉大气降水〉冰面湖水〉冰面径流．冰面径流中的各项离子浓度均低于其它3类样品的相应值，平均仅是河水的24％；阴、阳离子分别以SO4^2-和Ca^2＋为最大．③由于降水过程中有物理变化和化学反应的作用，不同降水形式中降雨的各项离子浓度（NO3^-除外）均比冰雹和雪中的相应离子浓度大；④对不同海拔高度水样分析表明，各项离子浓度“高程效应”十分明显，3900m以上区域，冰面径流中各阳离子浓度逐渐向冰川冰中各相应离子浓度逼近．

近30a来托木尔峰南麓科其喀尔冰川冰舌区变化

20世纪80年代中期以来, 托木尔峰南麓地区冰雪融水量明显增加, 冰川处于强烈的消融退缩状态. 根据对科其喀尔冰川冰舌区不同海拔探测表明, 近30 a来冰川厚度明显减薄, 冰舌区平均厚度减薄在0.5～1.5 m·a^-1之间. 对科其喀尔冰川末端位置研究表明, 科其喀尔冰川进入20世纪90年代以来处于比较强烈的退缩状态. 相对于1974年的冰川位置, 冰川退缩了380 m左右. 科其喀尔冰川的全面退缩, 标志着托木尔峰地区冰川处于全面的负物质平衡状态.

科其喀尔冰川表碛区冰崖消融的度日因子研究

2007年7月9日-8月30日在科其喀尔巴西冰川的表碛区进行了冰崖消融试验,通过在不同海拔、坡向和坡度冰崖的裸露冰面上栽设消融杆的方法,获得了33个有效的冰崖消融观测数据,结合观测点附近的自动气象站所获取的同期气温资料,计算了各个冰崖的度日因子,并对其变化特征进行了分析.结果表明:表碛区内冰崖的度日因子变化较大,平均为4.81 mm.℃-1.d-1,小于青藏高原及其它地区冰川的度日因子.研究区度日因子较小与冰面消融对于温度变化的敏感性及平均气温较高相关,而且这些因素通过温度随海拔的梯度效应影响表碛区内冰崖度日因子.冰崖坡向的变化也对度日因子产生了影响,总体表现为NEE-SE方向及SW-W方向的度日因子较大,NWW-N-NE方向的较小,S方向的最小,这主要与该地区的辐射、气温等气象条件的变化特征有关.研究还表明,冰崖的坡度对度日因子的影响较小.

科其喀尔冰川表碛区冰崖形态调查

采用随机抽样的方法对科其喀尔冰川表碛区冰崖的规模及形态进行了调查.在冰崖比较集中的表碛区东侧任意选取了20个冰崖,利用测绳、皮尺并结合GPS测量的方法对冰崖的长度和高度进行了调查,同时用地质罗盘对冰崖的坡向和坡度进行了测量,从而了解冰崖的长度、高度、坡面面积、坡向和坡度等形态特征及其关系.对冰崖形态的分析表明,消融区内冰崖的规模相差很大,且随着海拔高度的增加,冰崖规模有减小的趋势;这可能主要与地形起伏随海拔高度的差异性变化有关,消融区下部冰崖表面消融过程较为活跃也是一个重要的因素.通过对冰崖的坡向和规模之间的分析可以看到,坡向为NW和NNE方向的冰崖最多,其规模也较大,而太阳直接辐射是影响冰崖发育坡向和发育规模的重要因素.

天山托木尔峰南坡科其喀尔冰川流域径流模拟

天山冰雪融水是塔里木河的重要补给水源。利用融雪径流模型(SRM)对天山南坡科其喀尔冰川流域冰雪径流进行模拟研究。基于流域的气象梯度观测,确定了不同高度带降水梯度和月气温直减率。基于2007和2008年的实测径流值优化确定了各月的积雪、裸冰以及表碛覆盖冰的度日因子值。模拟结果表明,融雪和融冰径流过程都得到了比较好的模拟。流域径流对气候变化的响应研究表明,气温是敏感因子。气温分别升高1℃、2℃和4℃时,以融雪径流为主的3—5月径流分别增加48%、155%和224%,以冰川径流为主的5—10月径流分别增加30%、77%和104%。气候变化也会影响流域径流过程,气温升高4℃、降水增加20%时,春季径流峰值出现时间由5月中旬提前到4月20日左右。流量由6 m3/s增大到17 m3/s。

天山南坡科其喀尔冰川消融区运动特征分析

基于2009年5月至2011年10月科其喀尔冰川的花杆观测资料，对其消融区的表面运动特征进行分析．结果表明：冰川消融区的年水平运动速度最大值为86．69m·a^-1，年垂直运动速度最大值为15．34m·a^-1，均出现在冰川海拔4000—4200m的消融区上部；在靠近冰川末端的冰舌下部，受冰量补给减弱、厚层表碛覆盖等影响，冰川运动缓慢，年水平运动速度小于5m·a^-1，而垂直运动速度值小于2m·a^-1．大多数横剖面的水平运动速度具有从中部向边缘逐渐减小的特征，而有的剖面却出现局部速度增大的区域．整体而言，冰川水平及垂直运动速度随海拔降低而减小，符合冰川运动的一般规律，但丰要受地形作用的影响，垂直运动速度随海拔的变化会出现波动．消融期月水平运动速度与同期气温和降水的变化具有一定的相关性，可能反映出气候快速变化对冰川运动的影响．

天山南坡科其喀尔冰川作用区CO_2通量观测研究

冰川融水径流的发育和形成过程中,存在大量水化学侵蚀,尤其是K/Na长石及碳酸盐的水解作用,可能消耗水体中H+,促使大气CO_2溶于水形成重碳酸盐,影响区域碳循环。2015年7月21日—2017年7月18日选取相对平坦开阔的西天山科其喀尔冰川表碛物覆盖区,利用涡度相关法进行CO_2通量监测。结果表明:大气CO_2通量介于-17. 99～3. 59 g·m^(-2)·d^(-1)之间,平均值为-2. 58 g·m^(-2)·d^(-1),说明研究区是一个显著的碳汇。净冰川区系统CO_2交换量主要受大气CO_2通量支配,但日内变化显著,白天因冰雪消融导致大气CO_2沉降于融水中促进区域水化学侵蚀,而夜间因太阳辐射减少,冰雪消融减弱甚至停止,抑制了区域CO_2沉降,甚至再生冰的形成引起溶解于液态水中的CO_2释放。净冰川区系统CO_2交换量与气温呈显著的负相关关系,即气温升高,大气CO_2沉降量增加;当降水量小于8. 8 mm时,交换量随降水量变化不显著,而降水量大于8. 8 mm时,CO_2沉降量随降水量增加而减少。净冰川区系统CO_2交换量随日径流量的变率遵循:积雪消融期>积雪积累期>冰川消融前期>冰川消融后期>冰川消融峰期,意味着积雪消融存在时,系统CO_2交换量随日径流量变率较大,可能是因积雪本身的阻尼作用或积雪期水文通道不发育,积雪融水较冰川冰融水汇集相对较慢,为可溶性物质化学反应提供充分时间,增强了CO_2沉降。

天山南坡科其喀尔冰川流域水化学侵蚀及大气CO_2沉降量分析

2004-06-21～2004-09-10对天山南坡科其喀尔冰川作用区河水、大气降水及冰川进行水化学采样和分析实验,计算了地壳源物质的化学侵蚀率和大气CO2沉降量.分析结果表明,大气降水中溶质补给率平均为60.7kg.(km2.d)-1,占流域总溶质通量791.2kg.(km2.d)-1的7.7%.冰川冰中溶质因冰溶解作用补给河水中溶质的补给率平均为60.2kg.(km2.d)-1,占7.6%.地壳源水化学侵蚀率为558.0kg.(km2.d)-1,占70.5%,是河水中可溶性离子的主要来源.其中,流出SO24-总通量为171.1kg.(km2.d)-1,主要来源于地壳水化学侵蚀补给,占90.6%,其次是大气降水补给,占5.6%;流出HCO3-总通量为308.9kg.(km2.d)-1,其中硫化物氧化作用导致碳酸盐水解补给的HCO3-为84.2kg.(km2.d)-1,在吸收大气CO2引起的碳酸化作用过程中,源于大气CO2的HCO3-与源于碳酸盐的HCO3-相等,均为112.3kg.(km2.d)-1,相当于暂时性吸收大气CO2通量为81.0kg.(km2.d)-1,占流域总溶质通量的14.2%.利用碳酸盐水解法计算的地壳溶质侵蚀通量为641.1kg.(km2.d)-1,比前者利用物质平衡原理计算过程中考虑与不考虑大气CO2沉降的结果分别相差14.9%和4.4%.本研究对于评估我国西部资料匮乏的冰川区的水化学侵蚀和冰川区对碳循环的贡献具有重要的示范意义.

科其喀尔冰川冰面湖温度变化及其热机制

基于2007年7～9月对科其喀尔冰川消融区冰面湖、表碛、裸冰的温度和消融观测，分析三者的温度变化特征及其差异，探讨冰而湖的热机制。结果表明：科其喀尔冰川冰面湖表层水温受瞬时天气状况影响明显，变化趋势与气温一致，但不如气温变化剧烈并有1～3h滞后性；由于白天冰川融水注入与表层暖水混合下沉，深层湖水在一天的14～16时左右形成低温谷，致使深层水温变化曲线呈“V”字形，具有明显的日变化特征;夏季湖面平缓了湖面上气温的变幅，冰面湖表层温度变化幅度介于表碛0．2～0．5m深处的温度变化幅度之间。对比表碛、冰面湖和裸冰三类下垫面，冰面湖的温度垂直递减率绝对值最小，为0．33℃／m，反映在冰川消融区不同类型下垫面中，冰面湖向下层输送热量的能力较其他下垫面类型强。

天山科其喀尔冰川区复杂下垫面CO2通量贡献区分析

大气湍流交换过程中CO2有效源（汇）区域即CO2通量贡献区,在冰川作用区不仅受到水化学侵蚀强度的影响,还受区域微气候的影响,另外,动态的下垫面和复杂地形也增加了实际监测的不确定性。为了评估冰川区CO2通量监测结果的空间代表性,在西天山南坡科其喀尔冰川表碛区利用涡度协方差观测系统进行观测,同时,结合基于KM足迹模型基础上开发的ART Footprint Tool足迹软件对通量贡献区进行分析,结果表明：（1）积雪积累期主风向以NW为主,风向频率占53.31%;积雪消融期和冰川消融初期NW向主风减少,偏北的NNW风逐渐增多,但冰川消融峰期后又逐渐过渡为NW风向。（2）积雪积累期雪冰融水几乎消失,但大气CO2通量平均为-0.07 g·m^-2·d^-1,尤其是白天为-0.88 g·m^-2·d^-1,仍呈没收现象,是由于白天较强辐射下,少量积雪融水引起可溶性物质淋溶过程中水化学反应没收大气CO2所致;而夜间冰川消融峰期CO2通量值平均为0.33 g·m^-2·d^-1,呈释放CO2现象,这可能与夜间区域降温及降水过程中溶解的CO2因地表蒸发返回大气所致。（3）通量贡献率80%以上的各期0.5 h数据占比依次为：积雪积累期（95.80%）〉积雪消融期（93.28%）〉冰川消融峰期（86.13%）〉冰川消融初期（81.88%）,而足迹最远点分布距离顺序与前者几乎相反,但均分布在主风向下的冰川中流线上,说明对CO2通量监测值有显著影响的贡献区比较集中,也意味着冰川末端及两侧山脊草地CO2通量变化的影响可以忽略。（4）白天在大气稳态条件下,贡献区解释的CO2通量为（78.55±2.08）%,略高于夜间的（77.72±1.41）%,但显著低于非稳定条件下白天（89.86±0.22）%和夜间（89.45±0.57）%的解释结果,进一步验证了CO2通量贡献区比较集中。

表碛下冰面消融的模拟与估算

根据热传导理论和能量平衡原理建立了一个简单的数学模型,对表碛下冰面的融化热进行了估算.模型将表碛分为三层:第一层冰碛以剧烈的温度变化和夜间负温梯度的存在为特征;第二层为中间过渡层,温差和温度变化都较小;第三层为靠近下伏冰体的薄层冰碛,以温度低和变化稳定为特征.模型仅以地表温度时间序列、表碛厚度和导热系数、土壤热容量等参数为计算输入,即可对表碛不同层位的土壤温度及其下部冰体融化所需热量进行模拟估算.在科其喀尔冰川表碛区选取了3个具有不同表碛厚度的试验点(Spot1,0.8m;Spot2,1.5m;Spot3,2.1m)进行了模型测试.模型试验表明,模型对于不同厚度表碛下冰面融化热的模拟是较好的,然而对于不同层位地温序列的模拟仍有一定的偏差,造成这些偏差的原因主要是来自于模型假设和土壤温度垂向上的时间相位差.模拟结果同时也显示了不同表碛厚度下冰面消融的差异,冰面消融热平均分别为:Spot1:26.87W·m-2,Spot2:9.81W·m-2,Spot3:6.92W·m-2.

表碛下冰面消融模型的改进

针对已有的表碛下冰面消融模型的缺点,通过对模型算法、模型假设和模型结构等方面进行改进,在模型的易用性和模拟精度上有了较大的提高.科其喀尔冰川的实例研究表明,改进模型对于表碛区不同试验点上地温的模拟是较好的,变化趋势基本一致,变化幅度也相当.但也存在模拟值与实测值之间变化相位差异的突出问题,实际操作可以通过适当的校正程序得以较好的解决.模型中对表碛热参数的常数化处理不会产生较大的模拟误差,此外计算开始时均一表碛温度的假设不会对表碛温度的整体模拟效果产生较大的影响.通过地温模拟得到的冰面消融速率与利用实测表碛热通量计算的冰面消融速率的比较说明,模型思路合理且算法可行.