高山河流冻融作用对日输沙量的影响机制研究：基于奥地利Vent-Rofental流域的多尺度分析

这篇研究通过贝叶斯变点分层回归模型，揭示了高山冰川流域冻融过程（FTC）对日悬浮泥沙浓度（SSC）的动态调控机制。研究发现径流（Q）是泥沙输移的主导因素，但其效应受温度交互作用和冻融状态（如冻土范围FGE）显著调节，尤其在97%流域解冻时出现泥沙动态转折点。研究为冰川退缩背景下雪融侵蚀和冻融驱动的泥沙通量预测提供了关键理论依据。

　　

Abstract

气候变暖和冰冻圈退化正加剧寒冷山区沉积物输运，但冻融过程对冰川流域日尺度泥沙输移的影响机制尚不明确。本研究以奥地利Vent-Rofental流域为对象，利用贝叶斯变点分层回归模型，量化了径流、冻土范围（FGE）和昼夜冻融循环（FTC）对悬浮泥沙浓度（SSC）的影响。研究发现流域从冻结到解冻的过渡存在显著转折点——当97%流域解冻时，泥沙输移动力学发生突变。

Key Points

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  径流主导但受温度调制：径流（Q）与SSC呈显著正相关（β_Q=0.75），但夏季高温会削弱其效应（β_Q-T=-0.16）。

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  冻土范围的抑制作用：FGE每增加1个标准差，SSC降低0.3-0.5个标准差，因其限制了泥沙贡献区面积。

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  冻融循环的季节差异：春季FTC通过增强雪融侵蚀提升SSC，而夏季高频FTC反而抑制冰川融水携沙能力。

1 Introduction

高山环境泥沙通量对气候变化高度敏感。冰川退缩暴露松散沉积物，而冻融过程通过物理风化（如基岩破裂）和热力调控（如融雪侵蚀）双重途径影响泥沙生产与输运。前人研究多聚焦山坡尺度实验，而流域尺度的日尺度冻融-泥沙耦合机制仍是空白。本研究创新性地将主动贡献排水区（ACDA）概念与冻融状态分类结合，为高山流域泥沙模型提供新框架。

2 Data and Methods

2.1 研究区特征

Vent-Rofental流域（98 km²，海拔1892-3757 m）28%面积为冰川覆盖。1981年以来气温以0.41°C/十年速率上升，冰川物质平衡持续负值，而悬浮泥沙产沙量（SSY）与径流同步增加。

2.2 数据获取

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  水文数据：利用红外浊度传感器（Hach Solitax）获取2006-2021年日尺度SSC数据（n=2,956），同步监测径流量。

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  冻融指标：基于1 km分辨率SPARTACUS气温数据和MODIS积雪数据（NDSI），计算：

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    FGE：积雪覆盖且气温<0°C的区域比例

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    FCF：经历昼夜冻融（T_x>0.5°C且T_n<-0.5°C）的雪裸区面积

2.5 贝叶斯模型

构建包含冻融状态（解冻夏季/解冻春季/冻结秋季）的分层回归模型，引入温度交互项（如β_Q-T）。通过马尔可夫链蒙特卡洛（MCMC）采样估计参数后验分布。

3 Results

3.1 冻融状态分类

ACDA变点分析显示，当97%流域解冻时（图3a），泥沙动态发生突变：

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  解冻夏季（6-9月）：高温（6.5°C）、低FGE（<0.2）、冰川融水主导

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  解冻春季（5-6月）：中等FGE（0.75）、雪融侵蚀显著

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  冻结秋季（9-10月）：高FGE（>0.8）、冻融循环频繁

3.3 主效应与交互作用

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  径流效应：解冻夏季状态径流效应最强（β_Q=0.6），但受高温削弱（图6b）。

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  FGE效应：负效应最显著于解冻春季（β_FGE=-0.4），因积雪抑制侵蚀。

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  FCF效应：仅解冻春季呈正效应（β_FCF=0.2），印证冻融放大雪融侵蚀的假说。

4 Discussion

4.1.1 径流-温度解耦机制

夏季冰川融水增加会稀释亚冰川沉积物浓度（"供给限制"），而秋季低温反促进冰川沉积物释放。这种非线性关系解释了温度交互项的负值现象。

4.1.2 冻融侵蚀的时空异质性

春季雪缘区冻融循环使土壤团聚体稳定性降低（Formanek et al., 1984），增强雪融径流侵蚀力（图5d）。而夏季高频FTC仅发生在基岩区，对泥沙贡献有限。

4.2 模型优势与局限

相比传统泥沙评级曲线（SRC），冻融状态分段模型R²提升23%。但MODIS积雪数据缺失率（62%）和浊度传感器对粗颗粒的低敏感性（Merten et al., 2014）仍是主要误差源。

5 Conclusions

随着冰川消退，雪融-冻融侵蚀将逐步取代冰川侵蚀成为高山流域主要泥沙来源。本研究发展的冻融状态依赖模型，为预测气候变暖背景下泥沙通量演变提供了方法论基础。未来研究应整合土壤温度观测，以更精确量化冻融过程的多尺度效应。