昆侖山木孜塔格地區(qū)冰川發(fā)育水汽來源探討

孫 永 ，易朝路，劉金花 ，毋宇斌

1. 中國科學(xué)院青藏高原研究所 環(huán)境變化與地表過程重點實驗室，北京 100101

2. 中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100049

青藏高原平均海拔4000 m以上，是中緯度最大的冰川發(fā)育區(qū)。冰川的積累與發(fā)育來源于大氣降水，大氣降水又受大氣環(huán)流控制，不同地區(qū)的大氣降水來源不同（陳麗佳等，2012）。根據(jù)前人研究，青藏高原冰川發(fā)育的水汽主要來源于西風(fēng)環(huán)流、印度季風(fēng)和東南季風(fēng)。張忠林等（2004）認(rèn)為，以30°N 和100°E為界，中國西北部主要受西風(fēng)環(huán)流影響，冰川發(fā)育的水汽主要源于西風(fēng)環(huán)流，橫斷山脈以西，即30°N 以南和100°E 以西的區(qū)域，主要受印度季風(fēng)控制，橫斷山脈以東區(qū)域受東亞季風(fēng)控制，橫斷山脈、念青唐古拉和青藏高原東部地區(qū)受印度季風(fēng)和東亞季風(fēng)共同控制。

關(guān)于昆侖山和木孜塔格地區(qū)降水水汽來源的研究中，Yao et al（1996）對西昆侖山古里雅冰芯記錄研究認(rèn)為，古里雅地區(qū)冰川發(fā)育水汽來源與西風(fēng)氣流和西南季風(fēng)波動有關(guān)。余武生等（2009）通過研究降水中δ18O 空間分布特征提出，35°N 一線附近的西昆侖山與唐古拉山進(jìn)一步阻擋屏蔽西南季風(fēng)，在空間上，是青藏高原一條重要的氣候分界線。陳亞寧等（1985）提出木孜塔格地區(qū)降水水汽來自高空西風(fēng)激流，少部分可能來自印度洋水汽，吳紅波等（2013）也認(rèn)為木孜塔格地區(qū)受西風(fēng)帶影響。雖有學(xué)者（陳亞寧等，1985；吳紅波等，2013）認(rèn)為木孜塔格地區(qū)受西風(fēng)氣流影響，但從Google Earth中觀察發(fā)現(xiàn)木孜塔格地區(qū)位于西風(fēng)氣流背風(fēng)坡的東坡和南坡冰川更為發(fā)育，導(dǎo)致該區(qū)冰川如此發(fā)育的水汽來源有待進(jìn)一步分析。此外，木孜塔格地區(qū)位于青藏高原北部，高原北部冰川發(fā)育水汽是否全部來源于西風(fēng)氣流也需要進(jìn)一步研究。

氣溫、降水和地形影響冰川發(fā)育，在特定的區(qū)域范圍溫度變化不大的前提下，冰川發(fā)育的地形學(xué)信息則可能在一定程度上反應(yīng)降水狀況，進(jìn)而反應(yīng)冰川發(fā)育水汽來源的有關(guān)信息。本文試圖通過分析木孜塔格冰川發(fā)育的地形學(xué)特征，結(jié)合其周圍氣象站資料來探討該地冰川發(fā)育的水汽來源問題。

1 研究區(qū)概況

木孜塔格地區(qū)（36°16′1.459″ — 36°37′21.584″N、87°8′41.805″ — 87°39′43.056″E）位于青藏高原北部，北鄰阿爾金山，西距古里雅冰帽約540 km，以南為羌塘高原。該區(qū)屬中昆侖山，是昆侖山僅次于昆侖峰的第二大冰川分布區(qū)，也是昆侖山中部最大的冰川作用中心，山嶺沿線海拔6000 m以上的山峰達(dá)30余座，峰嶺平均海拔6200 m。主峰木孜塔格峰海拔6973 m（郭萬欽等，2012）。這里冰川的積累區(qū)較為開闊平坦，多呈谷狀分布，冰舌坡度平緩，利于冰川的發(fā)育。冰川補給以夏季降水為主且多為固態(tài)降水（施雅風(fēng)，2005）。據(jù)中國第二次冰川編目（Guo et al，2014）中的數(shù)據(jù)統(tǒng)計，木孜塔格地區(qū)及其周圍發(fā)育冰川有214條，冰川面積約662.8 km2。

圖1 研究區(qū)位置與氣象站點分布Fig.1 Location of study area and distribution of meteorological stations

2 研究方法

本文通過分析木孜塔格地區(qū)及其周圍214條冰川的朝向、面積、坡度、長度和部分冰川物質(zhì)平衡線高度等地形學(xué)特征，輔之以木孜塔格附近茫崖、小灶火、若羌和且末氣象站資料來探討木孜塔格地區(qū)冰川發(fā)育的水汽來源問題。利用ArcGIS 10.2提取地形特征信息，Origin Pro 2017和 Adobe Illustrator CC 2017輔助作圖。

冰川的朝向（direction，D）是指冰川面對的方向（施雅風(fēng)等，2000）。214條冰川朝向按照北（N，0°≤D ＜ 22.5°，337.5°≤D ＜ 360°），東北（NE，22.5°≤D ＜ 67.5°），東（E，67.5°≤D ＜ 112.5°），東南（SE，112.5°≤D ＜ 157.5°），南（S，157.5°≤D ＜202.5°），西南（SW，202.5°≤D ＜ 247.5°），西（W，247.5°≤D ＜ 292.5°）和西北（NW，292.5°≤D ＜ 337.5°）八個方位來統(tǒng)計。各方位上所有冰川的面積累加得到該方位冰川面積。本文統(tǒng)計的冰川坡度為某條冰川的平均坡度。文中所用到對冰川朝向、面積和坡度的統(tǒng)計數(shù)據(jù)來自中國第二次冰川編目（Guo et al，2014），冰川長度的統(tǒng)計數(shù)據(jù)來自Google Earth，利用Google Earth中添加路徑功能，從每條冰川最高處冰川后壁（無后壁則從山脊線最高處算起）開始測量，沿冰川中部至冰川末端止。

冰川物質(zhì)平衡線高度（equilibrium line altitude，ELA）是指在非遮陰的平面上，一個平衡年內(nèi)冰川物質(zhì)的積累量和消融量正好相等點連線的海拔高度（或附加冰帶下限的海拔高度）（鞠遠(yuǎn)江等，2004；謝自楚和劉朝海，2010），是冰川積累區(qū)和消融區(qū)分界線的海拔（崔航和王杰，2013）。冰川ELA與固態(tài)降水和大氣溫度存在密切的相關(guān)性（崔航和王杰，2013），而降水主要由輸送的水汽形成，因此，研究該區(qū)ELA的數(shù)值變化對于研究該區(qū)冰川發(fā)育水汽來源有一定的參考意義。計算ELA的方法有多種，本文在計算該區(qū)ELA時，采用常用的Hofer法（terminal to ridgeline altitude method，TRAM）、末端至冰斗后壁比率法（toeto-headwall altitude ratio，THAR）和積累區(qū)面積比率法（accumulation area ratio，AAR），國內(nèi)學(xué)者已總結(jié)其基本原理和計算方法（崔航和王杰，2013），計算的關(guān)鍵在于比例因子的取值。前人研 究 THAR 的 值 多介 于 0.3 — 0.8（Meierding，1982；Clark et al，1994），根據(jù)本區(qū)所處緯度位置和冰川發(fā)育特點，參考前人利用TRAM和THAR方法對中低緯度冰川ELA研究（Manley，1961；張威等，2008；Loibl et al，2014），本文在計算ELA時取TRAM和THAR的值為0.5。不同學(xué)者探索出AAR值不盡相同（Porter，1975；Aoki，1999；Kaser and Osmaston，2002）， 而Kern and Lszlo（2010）認(rèn)為，AAR取值和冰川面積呈對數(shù)關(guān)系，冰川面積在0.1 — 1 km2時，AAR 取 0.44 ± 0.07，面積在 1 — 4 km2時，AAR 取0.54 ± 0.07，而當(dāng)冰川面積 ＞ 4 km2時，AAR 取值為0.64 ± 0.04。本文利用AAR方法計算ELA時參考Kern and Lszlo（2010）的研究成果，將面積介于1 — 4 km2的冰川AAR值定為0.54，而面積大于4 km2的冰川AAR取值為0.64。鑒于研究區(qū)內(nèi)部分冰川規(guī)模較小，本文在計算ELA時只計算長度大于平均值的冰川。根據(jù)前文統(tǒng)計214條冰川長度，求得平均長度約為1.65 km，長度大于平均值的冰川共有51條，其中N朝向14條，NE朝向6條，E朝向10條，SE朝向4條，S朝向9條，SW朝向2條，W朝向2條，NW朝向4條。各冰川最高點與最低點海拔取自中國第二次冰川編目數(shù)據(jù)集（Guo et al，2014），各冰川山脊線平均高度在ArcGIS 10.2中計算完成，而AAR法以30 m精度ASTER GDEM V2（數(shù)據(jù)來源于中國科學(xué)院計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)信息中心地理空間數(shù)據(jù)云平臺，http://www.gscloud.cn/）為基礎(chǔ)，參照Pellitero et al（2015）提出的方法在ArcGIS 10.2中計算完成。

氣象資料分析選取木孜塔格周邊茫崖、小灶火、若羌和且末四個氣象站2011 — 2015年有記載的1815天日最大風(fēng)速的風(fēng)向及其對應(yīng)的日降水量資料（數(shù)據(jù)來源于國家氣象科學(xué)數(shù)據(jù)共享服務(wù)平臺，http://data.cma.cn/）。風(fēng)向和降水量按中國氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)提供氣象資料中16個方位分別統(tǒng)計，將風(fēng)向相同的天數(shù)及其對應(yīng)的日降水量分別累加后進(jìn)行分析。

3 結(jié)果及分析

3.1 冰川朝向和面積

木孜塔格及其周邊冰川數(shù)量和冰川面積統(tǒng)計見表1，據(jù)此分析，N朝向冰川數(shù)目最多，NE、W朝向冰川數(shù)目也較多，而E、SE和W朝向冰川數(shù)目較少。N、E、S和NW朝向冰川面積較大，W朝向冰川面積最小，只占總面積的1%。需要重點關(guān)注的一點是，E和S朝向冰川數(shù)目并不多，但其冰川面積占到了該區(qū)總面積的42%。

表1 木孜塔格冰川數(shù)量和冰川面積統(tǒng)計表Tab.1 Amount and area of glaciers in Muztagh

木孜塔格地區(qū)現(xiàn)代冰川廣泛發(fā)育，統(tǒng)計的八個方位都有冰川發(fā)育，其中，N、NE和NW朝向冰川數(shù)目位居前三，分別占到了研究區(qū)冰川總數(shù)目的33.2%、22.4%、15.9%，其它朝向發(fā)育冰川數(shù)量則相對較少。統(tǒng)計各朝向冰川面積發(fā)現(xiàn)，N和NW朝向冰川面積合占該區(qū)冰川總面積的40.6%，但占比例最高的是E朝向的冰川，占該區(qū)冰川總面積比例達(dá)25.5%，另外，S朝向冰川面積也較大。

3.2 冰川長度

對各朝向冰川長度統(tǒng)計結(jié)果見表2，木孜塔格地區(qū)長度小于1 km的冰川有136條，占冰川總條數(shù)的63.6%。N、NE、SW、W和NW朝向冰川以長度＜ 1 km的小型冰川為主，E和SE朝向冰川以長度≥1 km為主。除W朝向冰川外，其它朝向都有長度≥5 km的冰川分布，尤其E朝向冰川長度≥5 km的冰川數(shù)量最多，且最大長度約16.7 km。

3.3 坡度

木孜塔格各坡向冰川坡度所占比例見圖2。據(jù)圖2分析，N朝向冰川平均坡度主要分布于15.6° — 30.5°，占 87.3%，平均坡度 20.6° — 25.5°所占比例最高，其次為 25.6° — 30.5°。NE 朝向冰川平均坡度介于20.6° — 30.5°比例占79.1%。E朝向90.9%的冰川平均坡度低于20.6°，且平均坡度均小于25.5°。SE和S朝向冰川平均坡度以15.6° — 20.5°為界線，上下各約占一半。SW朝向冰川平均坡度占比最高的為坡度20.6° — 25.5°，其次為25.6° — 30.5°，二者合占該朝向冰川總數(shù)的71.4%。W朝向冰川平均坡度介于10.6° — 25.5°，以 20.6° — 25.5°所占比例最大。NW 朝向冰川平均坡度最大值也為20.6° — 25.5°，但平均坡度25.6° — 30.5°部分占到 20.6%。

表2 各朝向冰川長度分布Tab.2 Length distribution of different aspect glaciers

3.4 冰川物質(zhì)平衡線

本文利用TRAM、THAM和AAR方法計算出各朝向冰川ELA和每種方法各朝向冰川ELA累加后的平均值，結(jié)果見圖3。根據(jù)TRAM的計算結(jié)果，N和NE朝向ELA較低，而S和SW朝向ELA較高，其中N朝向冰川ELA平均比S朝向低約214 m。THAR法求得ELA平均值比另兩種方法得到的結(jié)果大，該方法求得E、S和SW朝向冰川ELA較高，而N和NE朝向冰川ELA相對較低，E朝向冰川ELA平均值最大，為5779 m，而最低的NE朝向僅5544 m，二者高差235 m。AAR法結(jié)果顯示，S和SW朝向冰川ELA平均值相對較高，而N和NE朝向冰川ELA則相對較低，最高的S朝向和最低的NE朝向冰川ELA平均值相差237 m。

雖然上述三種方法計算的ELA結(jié)果不盡相同，但每一方法計算出的值變化趨勢相似。通過計算和分析有代表性的51條冰川ELA平均值，S和SW朝向冰川ELA相對較高，N和NE朝向冰川相對較低，W和SE朝向冰川相對居中，E朝向冰川則因計算方法不同，ELA或最高或居中。

圖2 各朝向冰川坡度分布Fig.2 Slope distribution of glaciers in different aspects

3.5 氣象資料

茫崖、小灶火、若羌和且末四個氣象站2011 — 2015年日最大風(fēng)速的風(fēng)向統(tǒng)計結(jié)果見圖4，小灶火和且末氣象站最大風(fēng)速的風(fēng)向較為集中，小灶火站最大風(fēng)速的風(fēng)向主要集中在WNW方向，而且末站統(tǒng)計最大風(fēng)速的風(fēng)向主要集中在NE方向。茫崖站最大風(fēng)速的風(fēng)向較為分散，NE、ENE和NNE三風(fēng)向所占比例為41.2%，NW、WNW和W方向也占28.4%。若羌站最大風(fēng)速的風(fēng)向則主要分布于偏NE和偏SW方向。上述四氣象站2011 — 2015年日最大風(fēng)速的風(fēng)向?qū)?yīng)的累積降水見圖5，茫崖和小灶火累積降水量和最大風(fēng)速的風(fēng)向分布較為一致，最大風(fēng)速的風(fēng)向頻率較大的累積降水量較多。若羌站和且末站累積降水量隨最大風(fēng)速的方向變化趨勢相似，最大風(fēng)速的風(fēng)向偏SW時，累積降水量相對較多。

圖3 ELA計算結(jié)果Fig.3 Results of calculated ELA

4 討論

木孜塔格及其周邊發(fā)育冰川以N、NE和NW朝向為主，其它朝向發(fā)育冰川數(shù)量則相對較少，若僅考慮冰川朝向和數(shù)量與水汽補給的關(guān)系，這種現(xiàn)象或許說明該區(qū)域偏北方向、東北方向和西北方向水汽補給相對較多。

根據(jù)各朝向冰川長度的統(tǒng)計，偏西坡和偏北坡冰川長度以＜1 km的小型冰川為主，E和SE朝向冰川以長度＞1 km為主，若僅考慮冰川長度和水汽補給的關(guān)系，推測該區(qū)可能有偏東方向的水汽輸入，為E、SE和S朝向大面積冰川發(fā)育提供條件。

通過分析各朝向冰川坡度，發(fā)現(xiàn)E朝向冰川坡度總體較其它朝向冰川坡度小，S和SE朝向也有42.8%和57%的冰川平均坡度在15.5°以下，而其它朝向冰川平均坡度以20.5° — 30.5°所占比例最大。因此，E、S和SE朝向冰川總體平均坡度更緩和，可能更適合大面積冰川發(fā)育，這或許也是E、S和SE朝向冰川發(fā)育數(shù)量較少但總面積較大的原因。

冰川ELA與固態(tài)降水和大氣溫度存在密切的相關(guān)性（崔航和王杰，2013），由前文對木孜塔格地區(qū)冰川ELA計算結(jié)果看，N、NE朝向冰川ELA值低于E、SE和S朝向，若僅考慮氣溫和降水與ELA的關(guān)系，N、NE朝向水熱組合可能更有利于冰川發(fā)育。

從氣象資料分析，木孜塔格以北及東北方向的且末、若羌和茫崖氣象站最大風(fēng)速的最大風(fēng)頻為NE，其中若羌和茫崖氣象站也觀測到NNE和ENE風(fēng)向的極大風(fēng)速，上述來自NE、NNE和ENE方向的氣流吹向西南，可能影響到木孜塔格地區(qū)。小灶火氣象站最大風(fēng)速的風(fēng)向集中分布在WNW、NW和W，受西風(fēng)氣流影響明顯，木孜塔格又位于該站西偏北，可見木孜塔格地區(qū)很可能也會受到西風(fēng)氣流影響。

因此，木孜塔格地區(qū)北坡、西北坡和東北坡冰川數(shù)量相對較多，冰川面積相對較大，物質(zhì)平衡線高度相對較低，但以小規(guī)模冰川為主，且冰川平均坡度相對較大。而東坡、東南坡和南坡冰川數(shù)量少但面積大，坡度相對緩和，物質(zhì)平衡線高度相對較高。依據(jù)上述冰川發(fā)育的地形學(xué)特征推測，木孜塔格地區(qū)不僅受西風(fēng)氣流影響，還可能受到來自偏東方向氣流的影響。氣象站統(tǒng)計的2011 — 2015年最大風(fēng)速的風(fēng)向及其對應(yīng)累積降水量表明，木孜塔格地區(qū)除受西風(fēng)氣流影響外，還可能受來自東北方向的氣流影響。西風(fēng)氣流攜帶水汽到達(dá)木孜塔格地區(qū)時，受地形抬升作用在此成云致雨，為偏西坡冰川發(fā)育提供水汽來源。前文所述該區(qū)西北坡冰川發(fā)育地形學(xué)特征明顯，但西坡冰川發(fā)育地形學(xué)特征并不明顯。究其原因，昆侖山整體呈東西走向，木孜塔格位于昆侖山中部，西風(fēng)環(huán)流所攜帶的水汽需翻越帕米爾高原和喀喇昆侖山到達(dá)昆侖山中部，其西部高原和高山的阻擋效應(yīng)可能會降低西風(fēng)氣流對西坡冰川發(fā)育的影響，且由Google Earth看出研究區(qū)內(nèi)主要山脊線大都呈西南?—?東北走向，這可能也是限制西坡冰川發(fā)育的一個因素。木孜塔格東北方向有阿其克庫勒湖和阿牙克庫木湖，在遙感影像圖基礎(chǔ)上算得上述兩湖面積分別約為546 km2和998 km2，來自偏東北方向的風(fēng)吹過湖泊后攜帶湖水蒸發(fā)水汽向西南至木孜塔格地區(qū)時受地形抬升作用，在木孜塔格地區(qū)形成降水，為偏北坡和偏東坡大面積冰川發(fā)育提供條件。

圖4 最大風(fēng)速風(fēng)向玫瑰圖Fig.4 Wind rose maps of the maximum wind speed

圖5 2011—2015年最大風(fēng)速的風(fēng)向?qū)?yīng)的降水量Fig.5 Correspondence between precipitation and the maximum wind speed from 2011 to 2015

前文分析了木孜塔格地區(qū)冰川發(fā)育的地形學(xué)特征，此外，光照和冰川區(qū)局部對流降水等也是影響冰川發(fā)育不可忽略的因素。從光照對冰川發(fā)育的影響來看，在其它條件相同的情況下，陰坡和陽坡可能因光照差異獲取熱量不同而發(fā)育不同規(guī)模的冰川，但木孜塔格地區(qū)主要山脊線大都呈西南?—?東北走向，陰坡和陽坡區(qū)分并不顯著，這種地形特點降低了光照對該區(qū)冰川發(fā)育的影響程度。從冰川區(qū)局部對流降水對冰川發(fā)育影響的角度，冰川區(qū)在冷下墊面和高濕度場作用下引起冰川所在的高山區(qū)降水量增加（沈永平和梁紅，2004），部分學(xué)者在天山烏魯木齊河源1號冰川地區(qū)的實地觀測研究也說明冰川的存在對冰川所在的高山區(qū)的降水有一定的貢獻(xiàn)（張東啟和周尚哲，2000；張東啟，2012），但不同的地形特征、海拔高度、氣象條件和冰川面積等因素都可能對貢獻(xiàn)率產(chǎn)生影響，且貢獻(xiàn)率的年際變化也可能不盡相同。木孜塔格地區(qū)的局部對流降水會促進(jìn)該區(qū)冰川進(jìn)一步發(fā)育，但其作用機(jī)制及冰川對本區(qū)降水的貢獻(xiàn)率還需在對更大規(guī)模、更多數(shù)量的冰川區(qū)進(jìn)行觀測的基礎(chǔ)上深入研究。

5 結(jié)論

本文通過對木孜塔格及其周圍冰川發(fā)育的地形學(xué)特征和周邊氣象站氣象資料統(tǒng)計和分析，得出以下結(jié)論：木孜塔格冰川發(fā)育水汽來源很可能主要來自兩部分，一部分可能來自西風(fēng)氣流，主要為偏西北坡向冰川發(fā)育帶來水汽；另一部分則可能來自偏東北方向的氣流，主要為偏北和偏東坡向冰川發(fā)育帶來水汽。

致謝：國家氣象科學(xué)數(shù)據(jù)共享服務(wù)平臺為本文提供氣象數(shù)據(jù)，中國科學(xué)院青藏高原研究所余武生研究員和戴迪博士協(xié)助收集氣象數(shù)據(jù)，中國科學(xué)院青藏高原研究所張騫博士在行文過程中提供幫助，審稿人對本文提出寶貴的修改意見，在此一并表示衷心的感謝。