气候变暖驱动下44年来木孜塔格峰冰川的能量与物质平衡

《Journal of Hydro-environment Research》：Energy and mass balance of glaciers in the Ulugh Muztagh driven by climate warming over 44 years

　　

研究区域：本研究聚焦于木孜塔格峰（Ulugh Muztagh）地区的冰川，该地区位于青藏高原中北部的高海拔偏远区域。研究重点：利用经过校准和降尺度的气象再分析数据，结合耦合积雪和冰面能量与物质平衡模型（COSIPY），系统研究了1980年至2023年木孜塔格峰冰川的物质平衡与能量交换特征。分析涵盖了长期趋势、年际变率以及影响该区域冰川变化的主要气象和冰川过程。区域新水文见解：结果表明，过去44年间，冰川平均物质平衡为?0.06±0.05?m w.e./yr（米水当量/年），2000年之后物质损失加速。净辐射占冰川能量预算的66%，凸显其主导作用。7月和8月是主要消融月份，而积累主要发生在9月至次年3月。气温与冰川物质平衡之间存在显著负相关。降雪是主要输入项，融化是主要输出项；值得注意的是，在积累季节，升华主导了物质损失。这些发现阐明了木孜塔格峰冰川变化的驱动机制，并为评估该区域对气候变化的水文响应提供了关键证据。

## 论文解读：气候变暖驱动下44年来木孜塔格峰冰川的能量与物质平衡

**研究背景**

高亚洲（High Mountain Asia, HMA）被称为地球“第三极”，拥有超过10万平方公里的冰川，并为亚洲主要河流提供约1360亿立方米的年径流量，是支撑下游生态系统与20亿人口生计的“亚洲水塔”。HMA冰川的变化对众多亚洲河流的水量、生态系统稳定性及海平面上升具有重要影响。然而，传统的地面监测因HMA极端环境而站点稀疏，遥感观测则面临数据间隙（1980-2000年）、卫星重力测量分辨率低、卫星测高采样稀疏以及光学与雷达影像覆盖不均等问题。冰川物质平衡模拟方法从传统的温度指数模型发展为基于能量和质量守恒原理的物理过程模型，能够细致模拟冰川表面与大气之间多尺度能量交换，解决冰川融雪对气候变化敏感性的空间异质性，并分析能量和物质收支的年际与年内特征。其中，基于Python的耦合积雪和冰面能量与物质平衡模型（COSIPY）作为分布式模型，可详细解析冰川的能量与物质收支过程，并在扎当冰川等区域得到成功应用。

木孜塔格峰（Ulugh Muztagh）位于东昆仑山脉，是东昆仑地区最大的现代冰川聚集区，在调节库木库勒盆地水资源与气候条件中发挥关键作用。21世纪以来，该地区冰川表现出消融趋势，部分加速消融，可能威胁生态平衡。鉴于木孜塔格峰冰川的重要性，并为了验证COSIPY模型在高亚洲（HMA）的适用性，研究人员选取木孜塔格峰为验证区域，开展本研究。具体目标包括：(1) 重建1980-2023年冰川变化特征并探索长期变异性；(2) 量化冰川范围内物质平衡与能量平衡的变化；(3) 分析冰川物质平衡的气候控制因子。

**研究结论与意义**

本研究利用COSIPY模型系统模拟了1980-2023年木孜塔格峰冰川的能量与物质平衡。结果表明，过去44年间冰川总体呈轻微负物质平衡（?2.48 ± 2.19 m w.e.），年均物质平衡为?0.06 ± 0.05 m w.e./yr。冰川消融主要集中在7月和8月，积累发生在秋季、冬季和早春。空间上，消融区物质损失加速，尤其是西坡和北坡，净辐射是冰川表面能量通量的主导成分。在冰川收入项中，降雪占89%，其次为再冻结；消融是主要物质损失过程，但在积累季节升华占主导。物质平衡变化显著受降雪和夏季正积温引起的消融影响。此项研究阐明了木孜塔格峰冰川变化的驱动机制，为评估该区域对气候变化的水文响应提供了关键科学依据，并对高海拔或干旱地区的冰川能量与物质动态研究以及区域水资源预测和气候影响评估具有重要参考价值。该论文发表在《Journal of Hydro-environment Research》。

**主要关键技术方法**

本研究采用经过线性回归偏差校正和基于LOESS的季节-趋势分解方法（STL）校准的欧洲中期天气预报中心第五代陆地再分析数据（ERA5-Land），并结合高程梯度因子统计降尺度至300米分辨率，驱动COSIPY模型。高亚洲精细化分析（HAR）数据用于补充云覆盖场。利用木孜塔格峰申设川冰川末端自动气象站（AWS）2022年6月至2023年4月的逐时气温和降水数据校准再分析数据，并通过实时动态差分全球定位系统（RTK-GPS）在2023年5月和8月测量的冰川表面高程变化验证模型。模型关键参数（如新鲜雪反照率、粒雪反照率、冰反照率、粗糙度长度等）通过敏感性分析优化，最终模拟1980-2023年的能量通量和物质平衡。数据来源包括ERA5-Land、HAR、AWS（位于36°36'16.20" N, 87°22'38.64" E，海拔5063.40 m）、RTK-GPS（南方G9型）、全球大地测量物质平衡数据（Hugonnet et al., 2000-2019）、航天飞机雷达地形测绘任务（SRTM）数字高程模型（DEM，空间分辨率~30 m）以及兰道夫冰川编目7.0版（RGI v7.0）冰川边界。

**研究结果**

### 5.1. 1980-2023年木孜塔格峰冰川物质平衡与能量平衡特征

#### 5.1.1. 年际特征
通过COSIPY模拟得出，1980-2023年间木孜塔格峰冰川正负物质平衡交替出现，整体呈逐渐负平衡趋势，总物质平衡为?2.48 ± 2.19 m w.e.，年均物质平衡?0.06 ± 0.05 m w.e./yr。1980-1999年（?0.10 ± 0.05 m w.e./yr）与2000-2023年（?0.02 ± 0.02 m w.e./yr）相比，21世纪以来虽总体为正但呈下降趋势（?0.01 m w.e./yr）。空间上，积累区最大积累达1.51 m w.e.，主要分布在冰川中上游；消融区最大消融为?1.60 m w.e.，集中在末端和边缘。积累区与消融区的分界线约在海拔5700米。不同坡向中，南坡、西南坡和东南坡物质平衡为正，北坡和西北坡主要为负。

#### 5.1.2. 季节特征
月均统计表明，消融集中于7月（?0.11 ± 0.02 m w.e.）和8月（?0.03 ± 0.03 m w.e.），积累主要发生在9月至次年3月（3月最大0.02 ± 0.00 m w.e.）。净短波辐射是主要能量输入（年均56 W/m2），净长波辐射为?42 W/m2；净辐射占能量预算66%（14 W/m2）。感热通量（?2 W/m2，占10%）、潜热通量（?3 W/m2，占14%）和传导热通量（?2 W/m2，占10%）贡献较小。年平均融解热为7 W/m2。融合能量中，升华/蒸发的潜热约占27%，直接产生融化的能量占73%。湍流通量方面，感热通量7-9月为正（8月最大1.20 W/m2），其他月份为负；潜热通量除8月外均为负，4月最大（?9.77 W/m2），表明升华几乎全年发生。

### 5.2. 气候要素分析

#### 5.2.1. 气温、降水和反照率条件
1980-2023年间，年均气温为?12.61 ± 0.99°C，升温趋势0.02°C/yr；最高月均值在8月（?0.23 ± 1.01°C），最低在1月（?23.50 ± 0.89°C）。年降水量均值424.36 ± 39.72 mm，增加速率1.91 mm/yr；固态降水介于181.53-405.91 mm，无明显趋势。降水量和固态降水的最高月均为6-8月。年均反照率在0.63-0.76波动，月均反照率3月最高（0.77），7月最低（0.50）。

#### 5.2.2. 相关性分析
通过普通最小二乘法（OLS）和Huber稳健回归分析表明，物质平衡与气温呈显著负相关（p<0.0001），气温每升高1°C，物质平衡消融增加约1.60 mm w.e.；与降水和固态降水呈弱负相关；与反照率呈强正相关（R2=0.52）。各因子相对重要性依次为反照率、气温、降水量、固态降水量。

**总结与结论**

**讨论部分总结**：在精度评估与不确定性分析中，将COSIPY模拟结果与Huss和Hock (2015)的全球模型、Zhou等(2018)基于KH-9和SRTM的估算以及Hugonnet等(2021)的遥感观测进行了对比，模拟结果总体一致，但玉林川冰川的跃动行为导致较大差异。模型参数敏感性分析表明，粒雪反照率调整对物质平衡影响最大，冰反照率和冰粗糙度长度在一定范围内不确定性较低。不确定性主要源于模型、降尺度、气候系统自然变率和冰川编目。在冰川变化的归因分析中，1980-2023年冰川物质平衡收支项显示，降雪是主要收入（年均0.352 m w.e.，占89%），再冻结占11%；融化是主要支出（0.410 m w.e.，占91%），升华占9%。年际上，降雪主导物质平衡，再冻结有效减少净消融；消融自2000年呈轻微增加趋势（?0.01 m w.e./yr）。年内，11月至次年2月升华占物质损失的99%，夏季则融化主导。年均气温显著上升是2000年以来物质平衡加速损失的主因，但由于木孜塔格峰冰川高海拔分布（均高于5000米）及弱湍流，物质损失相对较小。在冰川物质平衡的空间差异中，南坡和东南坡处于积累状态，北坡和西北坡以消融为主，这与水汽来源（62.52%来自陆源，37.48%来自海洋源）和地形抬升有关。

**研究结论翻译**：本研究利用COSIPY模型系统模拟了1980年至2023年木孜塔格峰冰川的能量与物质平衡，揭示了过去44年间冰川经历了轻微的负物质平衡（?2.48 ± 2.19 m w.e.）。结果表明，冰川消融主要发生在7月和8月，而积累发生在秋季、冬季和早春。空间上，消融区物质损失加速，尤其是在西坡和北坡，净辐射是冰川表面能量通量的主导成分。在冰川收入项中，降雪占89%，其次为再冻结；消融是主要的物质损失过程，但在积累季节升华占主导。物质平衡的变化受降雪和夏季正积温引起的消融显著影响。尽管本研究有效再现了冰川的地表过程，但在驱动数据分辨率和模型参数不确定性方面仍存在局限。未来工作可通过纳入更高时空分辨率的气象数据、加强野外观测以及开展模型间对比来进一步提高模拟的准确性和可靠性。这些发现为研究高海拔或干旱地区冰川物质与能量动态的研究人员提供了重要的科学参考点，且其结果对区域水资源预测和气候影响评估具有价值，支持对冰川及下游水文系统的科学理解与实际管理。