极端气候事件增多对中亚穆兹塔瓦冰川的影响

《CATENA》：Impacts of increasing extreme climate events on Muz Taw glacier, Central Asia

气候变化加速穆祖塔格冰川消融：基于2000-2024年极端事件分析显示，该区昼夜温差扩大，非消融期升温速率（0.59天/十年）显著高于消融期，且极端高温事件与冰川反照率及质量平衡存在强关联，2024年观测到最高温与最大质量损失。

　　

王普宇|余丰辰|王芳龙|陈普臣|李洪亮|张明

中国科学院西北生态环境资源研究院冰冻圈科学与冻土工程国家重点实验室，中国兰州730000

摘要

极端气候事件频发的现象引起了广泛关注，尤其是它们对冰川消融的影响。作为萨维尔山脉中唯一一个有长期监测记录的冰川，穆兹塔瓦冰川为高纬度和低海拔地区的冰川提供了连续的数据参考。本研究结合RClimDex模型、ERA5-Land再分析数据以及多源遥感资料，分析了2000年至2024年间这一典型冰川区域的极端气候事件演变情况。过去25年中，该冰川区域的极端温度指数均显示出快速升温趋势，且昼夜温差明显，非消融期的升温幅度大于消融期。除R1Xday和R5Xday外，极端降水指数的持续时间和累积强度也有所增加，尤其是在消融期强度更高。极端温度指数与冰川反照率及质量平衡之间的强相关性表明，极端高温事件的增加和反照率的下降共同导致了冰川质量的加速流失。特别是在2024年，穆兹塔瓦冰川经历了有记录以来的最高温度和最大的质量损失。

引言

自第二次工业革命（约1870-1914年）以来，全球气温呈现显著上升趋势（Hawkins等人，2017年；McCulloch等人，2024年）。世界气象组织（WMO）发布的2024年全球气候状况报告显示，2024年成为有记录以来最热的一年，并首次超过了《巴黎协定》（2015年）设定的“将全球气温升幅控制在工业化前水平以上1.5°C”的温度控制阈值。在全球气候持续变暖的背景下，极端天气和气候事件的频率、强度和持续时间显著增加，这一趋势预计在未来气候变暖过程中会持续（Thackeray等人，2022年；Iles等人，2024年；Yuan等人，2023年）。作为冰冻圈的重要组成部分，冰川对水文气候条件的变化极为敏感，能够迅速响应极端天气和气候事件的扰动。冰川的时空动态（Qin等人，2018年）通过质量平衡与流动的耦合机制体现出来，反映了不同时间尺度（从几十年到几千年）气候变化的综合效应（Zemp，2006年；Su等人，2022年；Kaushik等人，2022年）。

传统研究主要集中在冰川与气候系统之间的相互作用（Su等人，2022年），例如长期平均气候变化对冰川的影响，或冰川变化的气候反馈效应，而往往忽视了极端气候事件引起的短期强迫效应。极端气候事件通过温度的剧烈波动或降水模式的改变迅速重塑地表能量预算，显著影响冰川的积累和质量损失。近年来，极端高温和干旱在高海拔地区引发了异常融化，加速了全球冰川的消融，威胁区域水资源安全和生态系统稳定性，并增加了与冰川相关的灾害（Chen等人，2024年）。2012年至2023年间，冰川质量损失率比2000年至2011年间增加了36±10%（The GlaMBIE团队，2025年）。尽管一些研究探讨了极端气候事件的影响，并指出小型冰川可能反应更快（Grunewald和Scheithauer，2010年；Cremona等人，2023年），但许多研究依赖于短期观测或单一事件案例，难以揭示长期趋势和累积效应。此外，缺乏连续的现场记录削弱了研究结论的可靠性，因为大多数冰川学质量平衡数据是不连续的，观测周期通常少于五年。

近年来，研究和新闻报道揭示了阿尔泰山脉极端气候事件频率的增加（Sokolov和Sharapova，2014年；Guan等人，2022年）。由于显著的升温，中国阿尔泰山脉（包括该山脉西南部的萨维尔山脉）的冰川退缩速度远高于邻近山脉的平均水平（Wang等人，2024年；Yu等人，2024年）。作为中国阿尔泰-萨维尔山脉中唯一一个被监测的冰川，穆兹塔瓦冰川的连续质量平衡观测和地面气象站记录为这项研究提供了可靠的数据支持。先前的研究表明，自2000年以来，穆兹塔瓦冰川的面积缩小、末端退缩以及严重的质量损失（Xu等人，2023年；Yue等人，2022年；Yu等人，2022年）。以往的研究主要关注气候变化背景下穆兹塔瓦冰川的形态变化和质量平衡过程，但尚未探讨极端气候事件对其消融的影响。在其他山地冰川的研究中，也仅有少数研究探讨了单一极端气候因素对冰川质量交换过程的影响（Stocker-Waldhuber等人，2017年；Cremona等人，2023年；Chen等人，2023年；Xu等人，2024年）。

鉴于这些研究空白以及整合和提升当前研究内容的必要性，我们基于测量的气象数据、冰川学质量平衡、ERA5-Land再分析和光学卫星图像，研究了穆兹塔瓦冰川对极端气候事件的响应。分析采用了气候变化检测与指数专家团队（ETCCDI）提出的极端气候指数。因此，本研究的目标是：（1）分析冰川区域极端气候事件的演变模式及其对冰川质量平衡的影响；（2）探讨极端气候事件对冰川消融的机制和潜在后果。这是首次量化多个ETCCDI极端指数对穆兹塔瓦冰川消融的综合影响。本研究有望阐明极端气候对山地冰川的影响过程和机制，并为构建突发山地冰川事件及其引发的灾害的预警系统提供科学支持。

研究区域

阿尔泰山脉是一条从中国、哈萨克斯坦、俄罗斯到蒙古的中亚边境延伸的西北-东南走向的山脉（图1a）。中国阿尔泰山脉位于阿尔泰山脉的南部，长度约为500公里。该山脉属于褶皱断块构造，构造活动和河流侵蚀的共同作用使其非常适合冰川发育。在中国境内，友谊峰...

冰川质量平衡

年冰川质量平衡通常定义为从每年9月1日到次年8月31日期间，主要来自固态降水的积累量与主要来自冰川消融的质量损失量的代数和。穆兹塔瓦冰川的连续质量平衡观测自2016年开始，测量时间分别为每年的8月底和次年的5月初。第一个观测周期（8月底至5月初）...

冰川区域热浪加剧

图2显示了2000年至2024年间穆兹塔瓦冰川极端温度持续时间的演变趋势。在年际尺度上，三个极端高温指数（TN90p、TX90p和WSDI）均呈上升趋势。其中，WSDI的上升速率为0.59 d (10a)^{-1}（每十年增加一天），表明温暖天气的持续时间延长。TN90p和TX90p相对于超过90%百分位的日间和夜间温度而言...

不确定性与评估

尽管近几十年来在极端气候事件研究方面取得了显著进展，但高质量分析和可靠数据的缺乏仍然是评估这些变化的主要障碍。IPCC第六次评估报告指出，在一些数据充足的地区观察到了极端气候和天气事件的变化。一些研究使用了来自不同再分析数据产品的极端指数，但再分析的极端统计...

结论与展望

基于穆兹塔瓦冰川八年的质量平衡数据和两年的气象站观测数据，在校准ERA5-Land再分析数据后，使用RClimDex模型分析了2000年至2024年间冰川区域的极端温度和降水事件模式，揭示了极端气候影响下的冰川消融过程和反馈机制。主要结论如下：

穆兹塔瓦冰川所在地区的气候...

CRediT作者贡献声明

王普宇：撰写——初稿撰写、监督、资金获取、概念构思。余丰辰：撰写——审稿与编辑、方法论、概念构思。王芳龙：资源协调、数据管理。陈普臣：调查、数据管理。李洪亮：撰写——审稿与编辑、可视化。张明：验证、调查。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的竞争性财务利益或个人关系。

致谢

本研究得到了国家自然科学基金（42371148、U25A20788、42501170）、中国科学院基础前沿科学研究战略重点计划（XDB0950201）、中国科学院寒冻圈科学与冻土工程国家重点实验室项目（CSFSE-FX-2501、CSFSE-TZ-2412）的共同资助。