青藏高原及周邊冰川區(qū)表磧影響研究進(jìn)展

張勇，劉時(shí)銀，王欣

（1.湖南科技大學(xué)資源環(huán)境與安全工程學(xué)院，湖南 湘潭 411201；2.云南大學(xué)國(guó)際河流與生態(tài)安全研究院，云南 昆明 650500）

0 引言

青藏高原及周邊地區(qū)是除南北極以外冰川儲(chǔ)量最大的區(qū)域，被稱(chēng)為“亞洲水塔”［1-2］。作為“亞洲水塔”冰凍圈重要組成部分的冰川，對(duì)氣候變化的響應(yīng)極為迅速［3-4］。其中表磧覆蓋型冰川是青藏高原及周邊地區(qū)分布較為廣泛的冰川類(lèi)型［5-10］，其獨(dú)特的氣候響應(yīng)特征和變化已引起了顯著的水資源效應(yīng)［10-13］和災(zāi)害效應(yīng)［11，14］，已成為影響我國(guó)和“一帶一路”區(qū)域眾多國(guó)家流域水資源安全與社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要因素。

表磧覆蓋型冰川的典型特征是消融區(qū)部分或全部覆蓋了一層厚度不一的表磧（圖1）。冰川在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中除通過(guò)刨蝕和掘蝕從冰床獲得冰磧物外，凍融作用、冰/雪崩、重力滑塌等都會(huì)導(dǎo)致冰川周?chē)狡律系膸r屑物質(zhì)崩落至冰川表面或進(jìn)入冰川內(nèi)部［15-18］。冰內(nèi)巖屑物質(zhì)從冰川上部隨著冰川向下運(yùn)動(dòng)至消融區(qū)［圖2（a）］，在消融區(qū)融出冰面，與冰面巖屑等物質(zhì)形成表磧。表磧和冰川一起向末端運(yùn)動(dòng)的過(guò)程中，隨著冰川運(yùn)動(dòng)速度的減緩，表磧?cè)诓煌０胃叨榷逊e，尤其在冰川末端。與裸冰或雪相比，表磧層的物理性質(zhì)（顆粒大小、顏色等）、熱力過(guò)程和反射率不同，導(dǎo)致表磧下覆冰川的消融過(guò)程不同［19-23］。表磧對(duì)下覆冰川消融的影響主要取決于其厚度變化［圖2（b）］。當(dāng)表磧層厚度較薄時(shí)，表磧的存在加速了冰川消融，其下覆冰層消融速率大于裸冰區(qū)消融速率；隨著表磧層的增厚，表磧的存在抑制了冰川消融，其下覆冰層消融速率小于裸冰區(qū)消融速率［19-23］。這一過(guò)程深刻地影響了表磧覆蓋型冰川的物質(zhì)平衡響應(yīng)特征、水文過(guò)程及相關(guān)災(zāi)害的形成［10-14，24-26］，進(jìn)而影響流域周邊及下游地區(qū)社會(huì)生產(chǎn)與生活。

圖1 青藏高原東南部海螺溝冰川區(qū)表磧分布（a），厚層表磧（b），冰崖（c）與冰面湖（塘）（d）Fig.1 Debris distribution（a），thick debris cover（b），ice cliff（c）and supraglacial pond（d）on the Hailuogou Glacier in the southeastern Tibetan Plateau

圖2 表磧覆蓋型冰川區(qū)表磧運(yùn)移（a），表磧厚度與冰川消融關(guān)系（b）和表磧厚度-海拔分布圖（c），其中圖2（b）和圖2（c）數(shù)據(jù)來(lái)源于Mattson等［22］和Zhang等［27］Fig.2 Debris transport processes（a），relationship between ice melting rate and debris thickness（b）and variation in debris thickness with altitude（c）on debris-covered glaciers，datasets in Fig.2（b）and 2（c）are derived from Mattson et al［22］and Zhang et al［27］，respectively

在氣候變暖和冰川劇烈變化背景下，青藏高原及周邊不同冰川區(qū)表磧覆蓋范圍呈逐漸擴(kuò)張趨勢(shì)［17，28-30］，上述表磧的影響將日趨顯著。表磧分布及影響的研究一直以來(lái)備受關(guān)注［10-11，23-25，31-35］。然而，受冰川區(qū)表磧觀測(cè)和數(shù)據(jù)積累的限制，現(xiàn)有研究對(duì)青藏高原及周邊冰川區(qū)表磧影響動(dòng)態(tài)過(guò)程與機(jī)理的認(rèn)識(shí)較為有限［10，36］，尤其對(duì)廣大無(wú)資料或缺資料冰川區(qū)的表磧影響評(píng)估，已成為制約認(rèn)識(shí)青藏高原及周邊地區(qū)冰川差異性變化（退縮、前進(jìn)或穩(wěn)定）影響研究的重要因素。為更好地理解表磧覆蓋型冰川對(duì)氣候變化的響應(yīng)特征及其影響，服務(wù)于區(qū)域社會(huì)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展，迫切需要從觀測(cè)與模型的角度審視氣候-冰川-表磧系統(tǒng)相互作用與反饋機(jī)制，深入研究氣候變化背景下冰川區(qū)表磧覆蓋范圍和厚度的動(dòng)態(tài)變化及其影響。

本文以目前所獲取的觀測(cè)數(shù)據(jù)和相關(guān)研究結(jié)果為基礎(chǔ)，系統(tǒng)分析了青藏高原及周邊冰川區(qū)表磧空間分布特征，梳理了表磧對(duì)冰川區(qū)能水過(guò)程的影響特征及其研究現(xiàn)狀，同時(shí)探討了現(xiàn)有表磧影響研究面臨的問(wèn)題和挑戰(zhàn)，展望與表磧分布和影響研究相關(guān)的前沿問(wèn)題，為準(zhǔn)確評(píng)估氣候變化條件下青藏高原及周邊表磧覆蓋型冰川變化及其響應(yīng)特征、水資源效應(yīng)和災(zāi)害效應(yīng)奠定基礎(chǔ)。

1 青藏高原及周邊冰川區(qū)表磧分布

全球冰川區(qū)表磧覆蓋總面積約26 000 km2，占全球冰川面積的4.4%左右［9］，其中，青藏高原及周邊冰川區(qū)是世界上最大的表磧分布區(qū)（圖3）。在青藏高原及周邊地區(qū)，冰川區(qū)表磧覆蓋面積約8 415 km2，占該地區(qū)冰川面積的9.0%左右，占全球表磧覆蓋面積的32.4%［9］。喜馬拉雅山地區(qū)表磧覆蓋型冰川條數(shù)最多，且表磧覆蓋面積最大，占青藏高原及周邊地區(qū)表磧覆蓋面積的31.3%，其次是喀喇昆侖山（18.6%）、帕米爾高原（14.2%）、天山（10.9%），祁連山地區(qū)表磧覆蓋面積相對(duì)較小。據(jù)中國(guó)第二冰川編目統(tǒng)計(jì)，中國(guó)境內(nèi)表磧覆蓋型冰川共有1 723條，表磧覆蓋面積占這些冰川總面積的11.5%，其中面積超過(guò)100 km2的22條冰川中10條冰川有表磧覆蓋［5］。托木爾冰川、土格別里齊冰川和音速蓋提冰川是中國(guó)面積最大的三條冰川，同時(shí)也是表磧覆蓋面積最大的三條冰川，表磧面積占冰川面積的比例分別為17.6%、13.7%和10.6%［5］。

青藏高原及周邊不同冰川區(qū)的表磧覆蓋比例差異較大，喜馬拉雅山東段以及青藏高原東南部冰川區(qū)表磧覆蓋比例較高（圖3）。喜馬拉雅山中段南坡表磧覆蓋面積占冰川面積的比例較高，達(dá)36.0%，其次是興都庫(kù)什山達(dá)22.0%，喜馬拉雅山西段、喀喇昆侖山、喜馬拉雅山中段北坡表磧面積比例介于18.0%～21.0%，西昆侖山地區(qū)表磧面積較小，僅為2.8%［37］。在青藏高原東南部的貢嘎山，表磧覆蓋型冰川占該地區(qū)冰川數(shù)量的68.0%，其表磧覆蓋比例介于1.7%～53.0%之間［6］。圖4（a）顯示了青藏高原及周邊地區(qū)冰川和表磧覆蓋面積隨海拔高度的分布，其中表磧覆蓋主要分布在海拔3 500～5 000 m之間，分別占該地區(qū)表磧覆蓋總面積和冰川總面積的81%和7.5%。盡管海拔3 000 m以下的表磧覆蓋面積較小［圖4（a）］，但其表磧覆蓋比例達(dá)到了79.6%，且表磧層相對(duì)較厚。

圖3 青藏高原及周邊冰川區(qū)表磧覆蓋分布，其中表磧覆蓋數(shù)據(jù)來(lái)源于Scherler等［9］Fig.3 Spatial distribution of debris cover in the Tibetan Plateau and surroundings，debris cover dataset is derived from Scherler et al［9］

圖4 青藏高原及周邊地區(qū)表磧覆蓋和冰川面積隨海拔高度的分布（a）和不同研究獲取的表磧覆蓋面積比較（b），其中M2018、S2018和Z2018數(shù)據(jù)分別來(lái)源自M?lg等［8］、Scherler等［9］和Zheng等［38］Fig.4 Area-altitude distribution of debris-covered surface and glacier in the Tibetan Plateau and surroundings（a），and comparison of debris-covered area-altitude distribution from different studies（b），datasets for M2018，S2018 and Z2018 in b are derived from M?lg et al［8］，Scherler et al［9］and Zheng et al［38］，respectively

2 表磧對(duì)冰川區(qū)能水過(guò)程的影響及對(duì)氣候變化的響應(yīng)

2.1 表磧對(duì)冰川區(qū)能水過(guò)程的影響

與裸冰區(qū)不同，表磧層作為大氣—冰川界面的隔熱層改變了其覆蓋表面的能量平衡收支和熱傳導(dǎo)過(guò)程，進(jìn)而影響其下覆冰川的消融機(jī)制［19，23，39］。與裸冰表面反照率（0.34～0.51）相比，表磧覆蓋表面的平均反照率較?。?.10～0.15）［16］，導(dǎo)致其表面吸收的太陽(yáng)輻射能增加。基于此，當(dāng)表磧層厚度較小時(shí)，表磧覆蓋表面吸收的熱量在加熱表磧層的同時(shí)，仍有大量熱量有效地傳輸?shù)较赂脖鶎?，進(jìn)而加速下覆冰層融化。隨著表磧層厚度增加，其獲取的熱量大部分用于加熱表磧層，減少了到達(dá)下覆冰層的熱量，且在氣層不穩(wěn)定層結(jié)條件下，表磧層表面部分熱量還要向上傳導(dǎo)給空氣，進(jìn)一步減少了到達(dá)下覆冰層的熱量［39-40］，因而與裸冰區(qū)消融相比表磧下覆冰層消融受到了抑制。

冰川區(qū)表磧層厚度隨海拔高度增加而呈逐漸減薄趨勢(shì)［圖2（c）］，在同一海拔高度上由中間向兩側(cè)表磧逐漸增厚［27］。由于冰川區(qū)表磧厚度空間分布的異質(zhì)性，改變了冰川區(qū)消融的空間特征［6，11］，從而影響表磧覆蓋型冰川物質(zhì)平衡變化的空間分布與高度結(jié)構(gòu)。這導(dǎo)致該類(lèi)型冰川與無(wú)表磧覆蓋型冰川相比，對(duì)同樣的氣候變化顯示了不同的響應(yīng)特征［11］。從冰川物質(zhì)平衡梯度變化可以看出，無(wú)表磧覆蓋型冰川物質(zhì)損失最強(qiáng)烈的區(qū)域出現(xiàn)在末端［圖5（a）］。與之不同，表磧覆蓋型冰川物質(zhì)損失最強(qiáng)烈的區(qū)域出現(xiàn)在消融區(qū)中部，這一區(qū)域表磧層厚度較小且分布不連續(xù)，而冰川末端由于表磧層較厚且連續(xù)分布導(dǎo)致物質(zhì)損失相對(duì)較小［圖5（b）］。因而，表磧覆蓋型冰川物質(zhì)損失的主要方式是冰面減薄，而無(wú)表磧覆蓋型冰川以末端退縮為主要方式［41］。因此，與相同規(guī)模的無(wú)表磧覆蓋型冰川相比，表磧覆蓋型冰川由于末端表磧相對(duì)較厚且連續(xù)的分布［圖2（a）］，表磧影響以抑制消融為主，導(dǎo)致該類(lèi)型冰川即使在氣候變化強(qiáng)烈的條件下仍可在較低海拔高度上繼續(xù)存在［11，42］。

圖5 無(wú)表磧覆蓋型（a）和表磧覆蓋型（b）冰川物質(zhì)平衡梯度示意圖Fig.5 Schematic diagram of mass balance gradients for debris-free（a）and debris-covered（b）glaciers

消融區(qū)是冰川主要的產(chǎn)流區(qū)，也是表磧主要的分布區(qū)。不同冰川區(qū)開(kāi)展的示蹤實(shí)驗(yàn)表明，冰面融水輸入量和日增加幅度與冰內(nèi)/冰下水文系統(tǒng)排水效率的提高密切相關(guān)，顯著影響冰川區(qū)排水系統(tǒng)的季節(jié)演變特征［43-44］。對(duì)于冰川消融區(qū)表磧層較厚且連續(xù)分布的區(qū)域，由于表磧的抑制消融作用，冰川消融速率較小，加之冰面地形復(fù)雜，導(dǎo)致該區(qū)域冰內(nèi)/冰下排水系統(tǒng)效率較低；而對(duì)于冰川消融區(qū)中上部來(lái)說(shuō)，該區(qū)域表磧層較薄且不連續(xù)分布，表磧分布加速了冰川消融，消融速率較大，促進(jìn)了冰內(nèi)/冰下排水系統(tǒng)的早期發(fā)展，且排水效率較高［26，45］。因此，表磧分布顯著影響其下覆冰川消融速率及其空間結(jié)構(gòu)特征，進(jìn)而影響冰川區(qū)排水系統(tǒng)的形成和季節(jié)演化過(guò)程及其排水效率，以此改變流域匯水儲(chǔ)水和徑流的形成過(guò)程［12，26，45-47］。此外，表磧厚度的空間異質(zhì)性使得冰川表面產(chǎn)生顯著的差異性消融，導(dǎo)致消融區(qū)容易形成冰崖［圖1（c）］和冰面湖（塘）［圖1（d）］［48-51］。眾多冰崖和冰面湖（塘）的形成與消亡是消融區(qū)局部加速消融的重要影響因素［34，51-55］。例如在喜馬拉雅山Langtang流域發(fā)現(xiàn)，冰崖導(dǎo)致冰川消融區(qū)的減薄速率高于預(yù)期，流域物質(zhì)損失在不考慮冰崖影響的情況下將會(huì)被低估17.0%左右［34，51］；而冰面湖（塘）促進(jìn)的消融量占該流域冰川物質(zhì)損失的12.5%［55］。在喜馬拉雅山典型表磧覆蓋型冰川流域的徑流模擬表明，該流域55.5%的流域徑流量來(lái)源于表磧覆蓋區(qū)的冰川融水［24］。近期全球冰川水資源量估算表明，模型考慮表磧分布與否將導(dǎo)致冰川融水量差異超過(guò)10.6%［10］。由此可見(jiàn)，表磧加速/抑制消融及由此形成的冰崖、冰面湖（塘）等過(guò)程顯著影響冰川區(qū)融水總量的變化，進(jìn)而影響冰川區(qū)徑流的形成與變化過(guò)程。

2.2 氣候?qū)Ρ泶兗捌涓采w區(qū)能水過(guò)程的影響

隨著青藏高原氣候變暖，青藏高原及周邊地區(qū)的大多數(shù)冰川正在發(fā)生以減薄退縮為特征的劇烈變化［1，4-5，7，13］，深刻影響著冰川區(qū)表磧分布的空間格局［9-10］。Kirkbride［56］研究發(fā)現(xiàn)，隨著氣候變暖，冰川處于強(qiáng)烈的負(fù)物質(zhì)平衡過(guò)程，導(dǎo)致冰流速減慢，加之消融增大，繼而導(dǎo)致表磧覆蓋范圍向冰川上部進(jìn)一步擴(kuò)展；反之，冰川處于正物質(zhì)平衡時(shí)期，較快的冰流速和較小的消融過(guò)程導(dǎo)致表磧?cè)诒┒诉M(jìn)一步形成與堆積。同時(shí)，氣候變化可能通過(guò)加速冰川周?chē)狡聨r石的崩解與堆積［16，18］，或者增加高海拔地區(qū)冰/雪崩活動(dòng)［30］，導(dǎo)致更多的巖屑物質(zhì)從周?chē)狡逻M(jìn)入冰川區(qū)，繼而隨冰川運(yùn)動(dòng)在消融區(qū)運(yùn)移與再分布。近期不同研究表明，隨著冰川退縮和物質(zhì)損失加劇，不同冰川區(qū)的表磧覆蓋面積正在增加［17，28-30］。如在喀喇昆侖山的洪扎河流域，流域內(nèi)各冰川表磧覆蓋范圍呈向冰川上部平衡線擴(kuò)張的趨勢(shì)，在1990—2019年間表磧覆蓋面積增加了8.1%～21.3%。全球氣候?qū)⒊食掷m(xù)升溫的態(tài)勢(shì)，冰川區(qū)表磧分布勢(shì)必持續(xù)增加［9-10］。

在氣候變暖背景下，隨著冰川區(qū)表磧覆蓋范圍的不斷擴(kuò)展，如果冰川區(qū)堆積了較薄的表磧層，冰川消融勢(shì)必加速，冰川物質(zhì)損失加劇、融水徑流增加，導(dǎo)致冰川對(duì)氣候變化的正反饋效應(yīng)［56-57］。反之，如果冰川區(qū)堆積了較厚的表磧，冰川消融勢(shì)必受到抑制，進(jìn)而減緩冰川物質(zhì)損失，導(dǎo)致冰川對(duì)氣候變化的負(fù)反饋效應(yīng)［56-57］。氣候-冰川-表磧系統(tǒng)的這一反饋機(jī)制深刻影響著表磧覆蓋區(qū)的能水過(guò)程。在青藏高原東南部海螺溝流域發(fā)現(xiàn)，氣溫升高是流域各冰川物質(zhì)損失的主要原因，而表磧的存在加速了該流域冰川的物質(zhì)虧損，與假定無(wú)表磧覆蓋條件下的物質(zhì)平衡和徑流相比，表磧覆蓋導(dǎo)致物質(zhì)損失增加了一倍［58］，而流域總徑流量增加了11.0%，尤其是低海拔表磧覆蓋區(qū)的冰川融水貢獻(xiàn)量超過(guò)了一半以上［25］。而在喜馬拉雅山地區(qū)，由于氣候變暖，導(dǎo)致該山區(qū)幾乎所有的無(wú)表磧覆蓋型冰川的響應(yīng)特征一致表現(xiàn)為退縮趨勢(shì)，而表磧覆蓋型冰川除了呈顯著的負(fù)物質(zhì)平衡和減薄趨勢(shì)外，其末端并沒(méi)有對(duì)氣候變化呈現(xiàn)出一致的響應(yīng)特征［11，59-60］，其中，一些表磧覆蓋型冰川呈前進(jìn)狀態(tài)，一些處于穩(wěn)定狀態(tài)，而另一些呈退縮趨勢(shì)［11，37，59］。表磧覆蓋型冰川和無(wú)表磧覆蓋型冰川物質(zhì)平衡與末端響應(yīng)之間的這種顯著差異突出表明了氣候-冰川-表磧系統(tǒng)這一反饋機(jī)制對(duì)冰川區(qū)物質(zhì)響應(yīng)和能水過(guò)程的深刻影響。

3 表磧影響研究進(jìn)展

目前氣候變暖和冰川變化日益強(qiáng)烈，冰川區(qū)表磧覆蓋擴(kuò)張的現(xiàn)象已在不同地區(qū)被觀測(cè)證實(shí)［17，28-30］，加之大多數(shù)表磧覆蓋型冰川面積較為巨大［5，11，40］，其變化導(dǎo)致的影響日趨顯著。受觀測(cè)條件和數(shù)據(jù)積累的限制，本文主要圍繞表磧影響的觀測(cè)與模擬，系統(tǒng)梳理當(dāng)前表磧影響的研究進(jìn)展。

3.1 表磧影響觀測(cè)研究

?strem［19］率先開(kāi)展了表磧覆蓋下冰川消融影響的野外量化觀測(cè)，提出了表磧下覆冰川消融速率與表磧厚度之間的關(guān)系曲線［圖2（b）］。同時(shí)，他指出當(dāng)表磧厚度約為2 cm時(shí)，表磧下覆冰川消融速率與裸冰區(qū)相當(dāng)，該表磧厚度稱(chēng)為臨界厚度，超過(guò)這一臨界厚度后，消融速率逐漸減?。?1］。Mattson等［22］在喜馬拉雅山地區(qū)Rakhiot冰川進(jìn)行了類(lèi)似的野外觀測(cè)實(shí)驗(yàn)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，當(dāng)表磧厚度為1 cm左右時(shí)，其下覆冰川消融量達(dá)到最大值，表磧臨界厚度約為3 cm。隨后，不同研究者在不同冰川區(qū)開(kāi)展了表磧下覆冰川消融和表磧厚度野外觀測(cè)實(shí)驗(yàn)，其結(jié)果進(jìn)一步證實(shí)了上述冰川消融與表磧厚度之間的關(guān)系曲線［20-21，62］，同時(shí)指出不同冰川區(qū)表磧臨界厚度的差異較大，一般為3 cm左右［63］。對(duì)于較厚的表磧覆蓋消融觀測(cè)發(fā)現(xiàn)，表磧層厚度超過(guò)2 m后，其下覆冰層的消融基本處于停滯狀態(tài)［22，61，64］。

近年來(lái)，在青藏高原及周邊不同表磧覆蓋型冰川區(qū)相繼開(kāi)展了表磧厚度、冰川消融、表磧層溫度等的觀測(cè)［27，65-80］。表1列舉了青藏高原及周邊地區(qū)不同表磧覆蓋型冰川表磧觀測(cè)狀況?？梢钥闯觯煌絽^(qū)、不同冰川的表磧厚度變化差異十分顯著。在位于青藏高原東南部貢嘎山的海螺溝冰川區(qū)，通過(guò)挖掘方法實(shí)測(cè)的最大表磧層厚度達(dá)到了1.2 m，冰川末端表磧層平均厚度約為0.4 m［27］，同樣位于青藏高原東南部崗日嘎布山的24K冰川觀測(cè)的最大表磧厚度約為0.7 m左右［69］。位于天山南坡的科其喀爾冰川觀測(cè)的表磧厚度介于0.01～2.5 m之間，末端平均厚度1.5 m，局部超過(guò)2.0 m［31］，而喜馬拉雅山區(qū)的Ngozumpa冰川區(qū)的最大表磧厚度達(dá)到了3.0 m［33］，且該冰川采用探底雷達(dá)表磧厚度觀測(cè)表明，表磧厚度在較小的區(qū)域內(nèi)變化很大，其頻率分布的偏度和峰度隨著平均表磧厚度的增加而降低，這可能與表磧覆蓋區(qū)的重力物質(zhì)再分布過(guò)程有關(guān)［33］。

表1 青藏高原及周邊典型冰川區(qū)表磧觀測(cè)Table 1 Summary of debris observations on glaciers of the Tibetan Plateau and surroundings

由于不同冰川區(qū)表磧覆蓋比例和表磧厚度分布不同，導(dǎo)致表磧影響的區(qū)域差異顯著。喀喇昆侖山區(qū)不同典型冰川區(qū)野外消融觀測(cè)表明，該區(qū)表磧對(duì)下覆冰川消融的影響以抑制作用為主［65-66，80］，如Baltoro冰川表磧覆蓋區(qū)冰川平均消融量相對(duì)于裸冰區(qū)減少了約22.0%［65］。同樣，在天山南坡科其喀爾冰川表磧覆蓋區(qū)，表磧厚度為3 cm處的平均消融量與裸冰區(qū)相比減少了46.5%［71］，與之臨近的瓊臺(tái)蘭冰川觀測(cè)發(fā)現(xiàn)，與裸冰相比，10 cm和20 cm厚度的表磧下覆平均消融量分別減少了10.0%和56.0%［40］。與之相反，喜馬拉雅山絨布冰川表磧厚度5 cm處的平均消融量與裸冰區(qū)相比增加了67.0%［68］，而青藏高原東南部海螺溝冰川區(qū)表磧對(duì)下覆冰川消融的影響總體上以加速作用為主，其中44.0%的表磧覆蓋區(qū)處于加速消融狀態(tài)，17.0%的表磧覆蓋區(qū)冰川消融受到了抑制［6］。

3.2 表磧影響模擬研究

目前青藏高原及周邊地區(qū)僅有十余條冰川開(kāi)展了表磧厚度及影響的觀測(cè)（表1），仍有廣大無(wú)表磧相關(guān)觀測(cè)資料的冰川區(qū)。加之表磧覆蓋型冰川區(qū)開(kāi)展表磧實(shí)地觀測(cè)的困難性，限制了冰川區(qū)表磧觀測(cè)的范圍和密集度。因而，模型模擬研究成為認(rèn)識(shí)冰川區(qū)表磧影響這一物理機(jī)制的有效途徑。

對(duì)于觀測(cè)資料相對(duì)較少的冰川區(qū)，不同研究多應(yīng)用度日模型進(jìn)行表磧下覆冰川消融的估算［69，73，81-85］。度日模型是基于冰雪消融與氣溫之間的線性關(guān)系建立的［5，71，81］，結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單，氣溫和度日因子值是其主要的輸入?yún)?shù)。該類(lèi)模型通常對(duì)裸冰區(qū)和表磧覆蓋區(qū)分別采用不同的度日因子值，以此考慮表磧分布對(duì)冰川消融和徑流過(guò)程的影響。模型中表磧覆蓋區(qū)度日因子值一般小于裸冰區(qū)度日因子值［81，83-84］，不同表磧覆蓋型冰川區(qū)表磧覆蓋區(qū)和裸冰度日因子差異顯著，二者的比值一般介于0.40～0.83之間［81］。在天山南坡科其喀爾冰川夏季徑流模擬研究中，基于度日模型，開(kāi)展了考慮冰川區(qū)表磧覆蓋與否的實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明考慮表磧分布，流域徑流總量與假定無(wú)表磧分布時(shí)減少了約35%［85］。在青藏高原東南部崗日嘎布山的24K冰川基于度日模型分析發(fā)現(xiàn)，假定無(wú)表磧覆蓋條件下，該冰川消融量將會(huì)增加36%［69］。此外，不同研究在喜馬拉雅山-喀喇昆侖山區(qū)多個(gè)流域基于度日模型開(kāi)展了冰雪徑流對(duì)氣候變化的響應(yīng)與預(yù)估研究中，冰川區(qū)表磧分布的影響是通過(guò)在裸冰消融量估算的基礎(chǔ)上乘上一個(gè)折算系數(shù)或采用固定表磧度日因子值來(lái)考慮的［86-89］。

與裸冰區(qū)不同，表磧覆蓋區(qū)冰面狀況復(fù)雜，導(dǎo)致不同冰川相同表磧厚度的度日因子值變化幅度較大［81，83-84］，同時(shí)度日模型不能考慮表磧覆蓋區(qū)地-氣-能-水交換的物理過(guò)程。為此，基于冰雪表面能量平衡過(guò)程，Kraus［90］率先發(fā)展了一個(gè)理論消融模型，考慮了表磧分布及其他因素變化對(duì)冰面消融過(guò)程的影響。Nakawo等［20-21］基于對(duì)表磧層溫度梯度線性變化和儲(chǔ)熱變量的假設(shè)，構(gòu)建了一個(gè)以能量平衡為基礎(chǔ)針對(duì)薄層表磧覆蓋的消融模型。此后，不同研究根據(jù)熱傳導(dǎo)理論和能量平衡原理，發(fā)展了多種類(lèi)型的表磧覆蓋消融模型［23，27，32-33，35，91-93］，并在相應(yīng)的冰川區(qū)開(kāi)展了應(yīng)用。上述各類(lèi)模型在點(diǎn)和冰川尺度上獲得了較好的模擬效果，探討了表磧分布對(duì)冰川區(qū)能水物理過(guò)程的影響。這些模型均以表磧厚度、表磧層溫度、表磧熱屬性參數(shù)等作為輸入數(shù)據(jù)，一定程度上影響了這些模型在流域或區(qū)域尺度上表磧影響研究中的應(yīng)用。Zhang等［6，27］嘗試基于遙感影像熱紅外和可見(jiàn)光近紅外波段、大氣-表磧-冰川界面能量平衡過(guò)程發(fā)展了表磧覆蓋消融模型，該模型基于遙感反演的表磧熱阻系數(shù)，以此作為表磧厚度的代用指標(biāo)來(lái)考慮表磧厚度的空間分布；該模型與其他模型相比輸入數(shù)據(jù)較少，在冰川尺度和區(qū)域尺度上獲取了較好的模擬效果［6，27］。Fujita等［24］基于相同方法，嘗試了在冰川流域徑流模擬中考慮表磧厚度空間分布對(duì)流域徑流過(guò)程的影響，并評(píng)估遙感反演表磧熱阻系數(shù)和反照率不確定性對(duì)徑流模擬結(jié)果的影響，分析發(fā)現(xiàn)，二者的不確定性對(duì)流域徑流產(chǎn)生的誤差影響占該流域徑流總量的8.0%。

4 表磧影響研究的挑戰(zhàn)與展望

4.1 數(shù)據(jù)缺失的挑戰(zhàn)

表磧影響研究所需的參數(shù)除冰川消融、徑流和氣象等數(shù)據(jù)外，主要包括表磧覆蓋范圍、表磧厚度和熱屬性參數(shù)及其動(dòng)態(tài)變化特征。目前，基于多源遙感數(shù)據(jù)，不同研究提取了區(qū)域或全球尺度冰川區(qū)的表磧覆蓋范圍［8-10，38］。圖4（b）顯示了喀喇昆侖山和帕米爾高原冰川區(qū)不同研究基于不同遙感數(shù)據(jù)和不同方法獲取的表磧覆蓋范圍?？梢钥闯觯餮芯揩@取表磧覆蓋范圍的方法和遙感數(shù)據(jù)不同，但獲取的表磧覆蓋范圍結(jié)果總體上較為一致。盡管對(duì)青藏高原及周邊冰川變化及影響的認(rèn)識(shí)不斷加強(qiáng)，該區(qū)域冰川區(qū)表磧觀測(cè)數(shù)據(jù)在觀測(cè)范圍和密集度上仍較為欠缺，僅十余條表磧覆蓋型冰川有表磧厚度等相關(guān)參數(shù)的觀測(cè)（表1），且多分布于喀喇昆侖山和喜馬拉雅山地區(qū)，其他山區(qū)的觀測(cè)較少，無(wú)法滿足流域/區(qū)域表磧影響評(píng)估所需的參數(shù)信息。加之，流域/區(qū)域冰川區(qū)表磧厚度、熱屬性參數(shù)等隨時(shí)間的動(dòng)態(tài)變化特征很難準(zhǔn)確地獲取。因此，冰川區(qū)表磧相關(guān)數(shù)據(jù)的監(jiān)測(cè)與積累仍存在較大的缺口，這是不同尺度表磧影響研究面臨的關(guān)鍵問(wèn)題，嚴(yán)重制約了青藏高原及周邊地區(qū)表磧分布對(duì)冰川區(qū)能水過(guò)程物理機(jī)制的認(rèn)識(shí)和表磧影響模型的發(fā)展。

4.2 模擬的挑戰(zhàn)

張勇等［31］系統(tǒng)地總結(jié)了近年來(lái)表磧厚度估算方法的發(fā)展現(xiàn)狀。其中，基于遙感反演的地表溫度和表磧厚度實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)建立地表溫度-表磧厚度經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式和SAR表磧探測(cè)是目前常用的表磧厚度方法，但這兩種方法對(duì)于厚層表磧的估算不適用［31，76，94-95］?；谀芰科胶夥匠坦浪惴ㄎ锢砘A(chǔ)較強(qiáng)，但需要大量的冰川區(qū)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)作為輸入數(shù)據(jù)［89］，如機(jī)載雷達(dá)測(cè)量數(shù)據(jù)、表磧厚度、地表溫度、導(dǎo)熱系數(shù)等。由此可見(jiàn)，表磧厚度估算方法在不同冰川區(qū)的適用性和模擬精度亟待提高，尤其在較大空間尺度且相對(duì)偏遠(yuǎn)無(wú)/缺資料冰川區(qū)表磧厚度模擬精度的提高是表磧影響研究面臨的巨大挑戰(zhàn)。

表磧覆蓋區(qū)冰川消融模擬主要基于度日模型和能量平衡模型開(kāi)展的。如上所述，度日模型結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，所需輸入?yún)?shù)較少，通過(guò)采用不同的度日因子值來(lái)考慮表磧分布的影響。然而，表磧覆蓋區(qū)由于冰面條件復(fù)雜，其度日因子值變幅較大［81，83-84］，模型對(duì)于表磧下覆冰川消融所涉及的物理機(jī)制及過(guò)程過(guò)于簡(jiǎn)化。相反，基于能量平衡過(guò)程的表磧消融模型能夠較好地考慮表磧覆蓋區(qū)地-氣-能-水交換的物理過(guò)程［20-23，27，32，35，91-93］，而在計(jì)算過(guò)程中假定表磧層內(nèi)的溫度剖面呈線性變化［20-21，23，27，91］，這與實(shí)際表磧層內(nèi)溫度梯度非線性變化有所不同［32，92，96］。同時(shí)，該類(lèi)模型不僅需要詳細(xì)的表磧厚度、表磧層溫度、表磧熱屬性參數(shù)等輸入數(shù)據(jù)，還需要?dú)夂?、地形等?qū)動(dòng)數(shù)據(jù)，限制了該類(lèi)模型在較大尺度上表磧影響研究中的發(fā)展與應(yīng)用。因此，發(fā)展精細(xì)刻畫(huà)表磧厚度空間分布和下覆冰川消融物理過(guò)程的模型是目前研究表磧分布及影響亟須解決的難題。

4.3 流域/區(qū)域模型耦合表磧影響的挑戰(zhàn)

氣候-冰川-表磧系統(tǒng)之間的相互作用較為復(fù)雜［圖6］，同時(shí)它們之間在時(shí)空上有著顯著的變化，這意味著表磧厚度及對(duì)冰川各物理過(guò)程的影響具有強(qiáng)烈的時(shí)空變化特征。針對(duì)量化氣候-冰川-表磧相互作用物理過(guò)程與反饋機(jī)制的研究取得了一定的進(jìn)展?，F(xiàn)有模型模擬了氣候變化驅(qū)動(dòng)下表磧隨著冰川運(yùn)動(dòng)而運(yùn)移再分布的過(guò)程［97-100］，近期研究還簡(jiǎn)單考慮了巖屑物質(zhì)在冰內(nèi)的運(yùn)移過(guò)程［101-103］。青藏高原及周邊地區(qū)針對(duì)冰川的數(shù)值模型近年來(lái)發(fā)展較為迅速，從二維到三維的冰川動(dòng)力學(xué)模型對(duì)不同冰川的物質(zhì)變化和動(dòng)力響應(yīng)過(guò)程開(kāi)展了研究［104-108］，然而針對(duì)表磧覆蓋型冰川區(qū)氣候-冰川-表磧系統(tǒng)的數(shù)值模型研究十分薄弱?？傮w而言，現(xiàn)有表磧覆蓋型冰川區(qū)表磧動(dòng)態(tài)過(guò)程數(shù)值模型面臨諸多問(wèn)題，要么將表磧輸入限制在冰川消融區(qū)，或使用經(jīng)驗(yàn)關(guān)系描述表磧?cè)诒ū砻娴亩逊e過(guò)程，或簡(jiǎn)化了巖屑物質(zhì)在冰內(nèi)的運(yùn)移過(guò)程，尚無(wú)模型明確解決冰流場(chǎng)內(nèi)表磧厚度與分布隨時(shí)間演化的物理過(guò)程。

圖6 氣候-冰川-表磧系統(tǒng)相互作用示意圖Fig.6 Interaction diagram of climate-glacier-debris system

目前，眾多流域/區(qū)域物質(zhì)平衡和徑流模型普遍基于無(wú)表磧覆蓋型冰川的眾多過(guò)程發(fā)展的，沒(méi)有考慮上述氣候-冰川-表磧系統(tǒng)之間復(fù)雜的相互作用及對(duì)冰川區(qū)能水過(guò)程的影響。隨著對(duì)冰川區(qū)表磧影響物理過(guò)程認(rèn)識(shí)的增加，在應(yīng)用該類(lèi)模型開(kāi)展流域/區(qū)域冰川物質(zhì)變化與徑流模擬與預(yù)估研究時(shí)，通常采用固定度日因子值或折算系數(shù)的方式簡(jiǎn)單處理表磧的影響過(guò)程［36，86-89］。Kraaijenbrink等［7］率先在青藏高原及周邊冰川物質(zhì)平衡預(yù)估研究中嘗試解釋由于表磧覆蓋、冰面湖塘和冰崖引起的消融率變化對(duì)冰川物質(zhì)變化的影響，然而該研究中過(guò)多的參數(shù)化過(guò)程掩蓋了表磧覆蓋等過(guò)程對(duì)冰川物質(zhì)平衡的影響，導(dǎo)致其冰川物質(zhì)平衡的預(yù)估結(jié)果與沒(méi)有考慮表磧影響的已有研究結(jié)果較為類(lèi)似［109］?？傮w上，現(xiàn)有模型通常采用簡(jiǎn)化或者參數(shù)化手段來(lái)考慮表磧的影響過(guò)程，并沒(méi)有考慮表磧分布的時(shí)空動(dòng)態(tài)變化過(guò)程。這一處理方式限制了現(xiàn)有模型對(duì)表磧動(dòng)態(tài)物理過(guò)程及影響的精細(xì)描述，導(dǎo)致這些模型對(duì)這一物理過(guò)程模擬能力不足，是開(kāi)展流域/區(qū)域冰川物質(zhì)平衡和徑流模擬與未來(lái)預(yù)估研究中不確定性的重要來(lái)源之一［10，36］。由此可見(jiàn)，氣候變化條件下青藏高原及周邊地區(qū)冰川-表磧系統(tǒng)變化的協(xié)同監(jiān)測(cè)仍需加強(qiáng)，同時(shí)，冰川區(qū)表磧時(shí)空動(dòng)態(tài)變化過(guò)程的精細(xì)刻畫(huà)是未來(lái)氣候變暖情景下流域/區(qū)域冰川變化及其水資源效應(yīng)評(píng)估精度提高面臨的巨大挑戰(zhàn)。

4.4 展望

在全球變暖背景下，青藏高原及周邊地區(qū)的表磧覆蓋型冰川變化及其對(duì)水資源和相關(guān)災(zāi)害的影響日益顯著［10-12，14，25］。與無(wú)表磧覆蓋型冰川不同，表磧覆蓋型冰川物質(zhì)平衡和徑流模擬與預(yù)估以及冰湖潰決洪水評(píng)估等過(guò)程都需要考慮表磧厚度的時(shí)空動(dòng)態(tài)變化及其影響。如上所述，表磧厚度實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)缺乏是開(kāi)展青藏高原及周邊冰川區(qū)不同尺度表磧影響研究的難點(diǎn)。在眾多表磧厚度估算方法中，基于表磧熱阻系數(shù)法對(duì)于估算流域/區(qū)域尺度表磧厚度及空間分布具有較好的適用性［31］。表磧熱阻系數(shù)是表磧厚度與其導(dǎo)熱系數(shù)的比值［20-21］，在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，基于遙感影像（可見(jiàn)光近紅外和熱紅外波段）和冰川編目數(shù)據(jù)可獲取冰川區(qū)表磧熱阻系數(shù)的空間分布［圖7］。該方法已在喜馬拉雅山［24，110-111］、中 巴 經(jīng) 濟(jì) 走 廊［38］、貢 嘎 山［6，27］、西 南 天山［31］等不同區(qū)域冰川進(jìn)行了應(yīng)用與驗(yàn)證，并系統(tǒng)評(píng)估了該方法的不確定性［24，111］。上述不同區(qū)域冰川區(qū)的應(yīng)用表明，遙感反演的表磧熱阻系數(shù)可作為冰川區(qū)表磧覆蓋范圍和厚度及其空間分布的代用指標(biāo)。隨著遙感大數(shù)據(jù)的日益豐富和青藏高原及周邊地區(qū)冰川編目數(shù)據(jù)的逐漸完善，應(yīng)用上述方法開(kāi)展不同空間尺度表磧覆蓋范圍和表磧厚度估算成為可能。以遙感反演的表磧熱阻系數(shù)空間分布為基礎(chǔ)，結(jié)合Zhang等［6，27］基于大氣-表磧層-冰川界面能量平衡過(guò)程構(gòu)建的表磧消融模型，進(jìn)而可系統(tǒng)分析青藏高原及周邊冰川區(qū)表磧厚度分布的區(qū)域差異和評(píng)估表磧覆蓋對(duì)冰川響應(yīng)的影響機(jī)制。

圖7 基于遙感影像反演冰川區(qū)表磧熱阻系數(shù)流程圖Fig.7 Schematic diagram of calculating the thermal resistance of the debris layer based on remotely sensed data

冰川區(qū)表磧厚度及其動(dòng)態(tài)變化過(guò)程是由氣候-冰川-表磧系統(tǒng)一系列相互關(guān)聯(lián)的反饋過(guò)程組成的［圖6］。如圖6所示，在氣候變化條件下，冰川物質(zhì)變化和動(dòng)力響應(yīng)共同影響著冰川形態(tài)和冰川內(nèi)部應(yīng)變場(chǎng)與速度場(chǎng)，進(jìn)而控制著冰川內(nèi)部巖屑物質(zhì)（內(nèi)磧）和冰面表磧物質(zhì)的遷移過(guò)程，進(jìn)而影響冰川區(qū)表磧厚度的變化。因此，冰川物質(zhì)變化和冰川動(dòng)力響應(yīng)過(guò)程在冰川區(qū)表磧厚度動(dòng)態(tài)變化中起著重要作用［42，100-101］，如下式所示：

式中：Hdebris為表磧厚度變化；t為時(shí)間；x為沿冰川主流線距離；Cdebris為表磧濃度變化率；bdebris為表磧覆蓋區(qū)物質(zhì)平衡；?debris和ρdebris分別是冰面表磧的孔隙度和密度；usfc是冰川表面運(yùn)動(dòng)速度。

相對(duì)于無(wú)表磧覆蓋型冰川，連續(xù)的表磧覆蓋又進(jìn)一步減小了冰流量和冰厚變化梯度，擾動(dòng)冰川區(qū)速度分布，并減小積累區(qū)面積比率［10，16］。同時(shí)，表磧厚度動(dòng)態(tài)變化加劇了其空間差異性分布特征，進(jìn)而導(dǎo)致冰川表面產(chǎn)生差異性消融，這一過(guò)程進(jìn)一步破壞了表磧覆蓋層的穩(wěn)定性，繼而塑造冰川表面形態(tài)（如冰面湖（塘）、冰崖等），加劇影響消融過(guò)程和冰川物質(zhì)平衡響應(yīng)過(guò)程。隨著青藏高原及周邊地區(qū)冰川數(shù)值模型的不斷發(fā)展與完善，加之對(duì)冰川物質(zhì)變化-動(dòng)力響應(yīng)-表磧的相互作用與反饋機(jī)理的認(rèn)識(shí)不斷深入［104-108］，為發(fā)展耦合多物理過(guò)程的冰川-表磧系統(tǒng)協(xié)同演化的動(dòng)態(tài)模型奠定了理論與方法基礎(chǔ)。這一動(dòng)態(tài)模型需要精細(xì)刻畫(huà)表磧沉積、內(nèi)磧運(yùn)移與融出、冰面表磧運(yùn)移、冰川物質(zhì)平衡和動(dòng)力響應(yīng)等物理過(guò)程［圖2（a）和圖6］，尤其提高內(nèi)磧和表磧運(yùn)移過(guò)程的模擬能力，這一過(guò)程控制著冰川區(qū)正在形成中的表磧層的組成、分布與厚度變化特征。通過(guò)系統(tǒng)發(fā)展冰川-表磧系統(tǒng)協(xié)同演化的動(dòng)態(tài)模型，可以量化表磧分布、厚度及其動(dòng)態(tài)變化過(guò)程，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)氣候變化條件下冰川物質(zhì)變化、動(dòng)力響應(yīng)和表磧動(dòng)態(tài)變化之間的集成研究。

5 結(jié)論

青藏高原及周邊地區(qū)分布著廣泛的表磧覆蓋型冰川，其獨(dú)特的氣候響應(yīng)特征和變化引起了廣泛關(guān)注的流域水資源效應(yīng)和災(zāi)害效應(yīng)。表磧的差異性分布是表磧覆蓋型冰川的典型特征，其通過(guò)地-氣-能-水交換、反照率變化等影響冰川消融及其空間特征，進(jìn)而影響冰川物質(zhì)平衡響應(yīng)機(jī)制、流域徑流過(guò)程及其致災(zāi)過(guò)程。青藏高原及周邊冰川區(qū)地面、衛(wèi)星觀測(cè)資料逐漸豐富，但冰川區(qū)表磧厚度、表磧層熱屬性等相關(guān)參數(shù)在觀測(cè)范圍、密集度上仍存在較大的缺口。本文在梳理已有觀測(cè)數(shù)據(jù)和研究成果的基礎(chǔ)上，系統(tǒng)分析了青藏高原及周邊地區(qū)表磧分布特征，綜合剖析了表磧對(duì)冰川消融、物質(zhì)平衡和徑流過(guò)程的影響及其氣候變化的響應(yīng)，并從觀測(cè)與模擬的角度，系統(tǒng)分析了表磧影響的研究現(xiàn)狀，進(jìn)而分析了現(xiàn)有表磧影響研究存在的主要問(wèn)題和挑戰(zhàn)。同時(shí)，未來(lái)表磧影響研究將通過(guò)開(kāi)展地面綜合觀測(cè)，結(jié)合多源遙感資料，發(fā)展耦合多物理過(guò)程的冰川-表磧系統(tǒng)協(xié)同演化的動(dòng)態(tài)模型，系統(tǒng)認(rèn)識(shí)氣候變化驅(qū)動(dòng)下表磧與冰川之間相互作用與反饋機(jī)制，揭示表磧與冰川隨氣候變化的協(xié)同演化機(jī)理，綜合評(píng)估表磧厚度動(dòng)態(tài)變化對(duì)冰川各物理過(guò)程的影響，為進(jìn)一步認(rèn)識(shí)青藏高原及周邊地區(qū)表磧覆蓋型冰川變化及其水資源效應(yīng)和災(zāi)害效應(yīng)奠定理論和方法基礎(chǔ)，以期為區(qū)域社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和“綠色絲綢之路”建設(shè)服務(wù)。