祁连山21世纪冰川变化预估：基于Elmer/Ice和CMIP6的12号老虎沟冰川动态建模方法

《Journal of Hydrology: Regional Studies》：Projecting 21st-century glacier change in the Qilian Mountains: A dynamic modeling approach of Laohugou Glacier No.12 with Elmer/Ice and CMIP6

　　

研究区域：12号老虎沟冰川（LHG12）位于祁连山西段。研究焦点：祁连山冰川是河西走廊的关键淡水储备。近几十年来，其加速退缩给下游水资源应用带来了新挑战。作为该地区最大的山谷冰川，LHG12具有显著意义。然而，针对该冰川的动态建模研究仍然有限，需要进一步发展。本研究采用Elmer/Ice模型对LHG12进行三维（3-D）动态模拟。以实测冰厚数据作为主要输入，开展诊断模拟。随后，利用自动气象站（AWS）和降尺度的耦合模式比较计划第六阶段（CMIP6）数据，预估在当前气候基线、SSP1–2.6和SSP5–8.5情景下LHG12至公元2100年的演化。区域新的水文见解：模拟结果指示最大基底温度为-0.7 ℃，与观测一致，表明LHG12在海拔低于4500 m a.s.l.的基底处于或接近压力熔点。在当前基线气候、SSP1–2.6和SSP5–8.5情景下，LHG12的东、西支预计将分别在约2085年、2069年和2058年分离；至2100年，冰川面积分别减少6.33%、10.68%和59.17%；冰川体积分别减少11.70%、37.13%和82.30%。

**论文解读：祁连山21世纪冰川变化预估——基于Elmer/Ice和CMIP6的12号老虎沟冰川动态建模研究**

**1. 研究背景与问题**

冰冻圈（cryosphere）作为气候系统五大圈层之一，对大气、水资源、水文循环、生态系统及社会经济可持续发展具有深远影响。全球变暖背景下，山地冰川普遍退缩，1971至2019年间全球山地冰川物质损失速率达（170±80）Gt yr^-1，占1971年总冰川质量的8%。冰川退缩直接影响水资源、生态系统并贡献海平面上升。祁连山位于青藏高原东北缘，是河西走廊的生态屏障，其冰川融水对区域水资源至关重要。然而，近几十年来祁连山冰川加速退缩，小于1 km2的冰川快速萎缩，海拔4000 m a.s.l.以下的冰川已完全消失。冰川退缩导致径流变化，如石羊河流域冰川融水在21世纪初已达峰值，疏勒河上游冰川融水贡献超过30%总径流，且年最大流量显著增加。对于祁连山最大的山谷冰川——12号老虎沟冰川（LHG12），现有模拟研究存在局限：早期采用二维（2-D）流线模型，忽略了东、西支的动态差异；后续的Δh参数化模型未包含冰川动力学方程。因此，亟需开展三维（3-D）全斯托克斯（Full-Stokes）动态模拟，以准确预估LHG12未来演化，为水资源管理提供科学依据。该论文发表于《Journal of Hydrology: Regional Studies》。

**2. 主要关键技术与方法**

研究人员采用了以下主要关键技术方法：（1）**Elmer/Ice模型**：基于开源有限元软件Elmer的冰川学扩展，求解全斯托克斯方程（Full-Stokes equations）、温度演化方程和自由表面演化方程，采用有限元法进行3-D动态模拟；（2）**冰厚测量与插值**：利用探地雷达（GPR）在2009年和2014年获取冰厚数据，通过共克里金法（Co-Kriging, CK）以冰厚为主变量、地表坡度为协变量生成连续冰厚分布图；（3）**CMIP6气候情景降尺度**：选取GFDL-ESM4、IPSL-CM6A-LR、MPI-ESM1-2-HR和MRI-ESM2-0四个全球气候模式（GCMs），采用分位数增量映射（Quantile Delta Mapping, QDM）方法进行统计降尺度与偏差校正，生成0.1°空间分辨率的日尺度气候数据；（4）**表面物质平衡（SMB）模型**：基于日平均气温和降水计算积累与消融，消融量依据能量平衡参数化方案（含短波辐射、长波辐射平衡及湍流热交换），积累通过日降水量和0℃雨雪转换阈值估算。数据来源包括：2015年WorldView-2卫星立体像对生成的数字高程模型（DEM）、2010-2023年自动气象站（AWS）和花杆观测数据、2011年钻孔温度测量数据。

**3. 研究结果**

**3.1. 诊断模拟**
通过3-D诊断模拟，研究人员发现LHG12最大基底温度为-0.7 ℃，与2011年钻孔实测值-0.6 ℃一致，表明海拔低于4500 m a.s.l.的基底处于或接近压力熔点。表面速度模拟结果与花杆实测值高度相关（R2=0.79），其中西支表面速度高于东支，汇合区西支流速更快。应力模拟显示，垂直方向以微弱压缩为主，水平方向东支偏拉伸、西支偏压缩；在海拔4900 m a.s.l.以上冰斗盆地以拉伸流为主，以下东支迅速转为压缩流，而西支在出口区仍以拉伸流为主。汇合区（4600-4400 m a.s.l.）两股冰流互相挤压，剪切带附近流速显著增大，西侧流速超过东侧。

**3.2. 瞬态模拟**
研究人员利用当前气候基线、SSP1-2.6和SSP5-8.5三种情景驱动瞬态模拟，结果显示：LHG12东、西支分离时间分别为2085年（基线）、2069年（SSP1-2.6）和2058年（SSP5-8.5），西支因冰斗盆地的冰厚和体积较小而更早解体。至2100年，基线情景下冰川面积减少6.33%、体积减少11.70%；SSP1-2.6下面积减少10.68%、体积减少37.13%；SSP5-8.5下面积减少59.17%、体积减少82.30%。敏感性实验表明，温度每升高0.5 ℃，需要降水增加20%才能补偿物质损失；在升温1.5 ℃时，至2100年冰川体积减少77.57%；升温3 ℃时冰川几乎完全消失。

**3.3. 与先前研究的比较**
与2-D流线模型相比，3-D模拟更准确地捕捉了汇合区剪切带两侧的流速差异，解决了2-D模型因忽略西支冰通量和y、z方向分量导致下游流速低估的问题。与Δh参数化模型相比，本研究的SSP1-2.6预估结果接近，但SSP5-8.5下体积减少量（82.30%）远低于Δh模型的98.4-99.6%，表明非动态模型因未考虑冰通量贡献而高估消融，且高排放情景下高估更显著。

**4. 讨论与结论**

**讨论部分**：研究人员通过地热通量敏感性实验发现，地热通量对基底温度有显著影响，东支比西支对地热通量变化更敏感；基底滑动系数缺乏观测是模拟偏差的来源之一；模型在末端区域模拟速度偏低（低估54.9%），可能因忽略了冰下排水系统和表溪流等过程；30 m网格分辨率不足以捕捉年际变化，未来可引入GPU计算或人工智能辅助；气候强迫数据中气温模拟精度高，但高山区降水局地性显著、站点稀疏，导致较大偏差。

**结论翻译**：本研究采用Elmer/Ice模型模拟祁连山LHG12的动力学过程。基于实测数据，进行了稳态和瞬态模拟。模拟结果揭示LHG12最大基底温度为-0.7 ℃，与2011年观测值-0.6 ℃一致，表明海拔低于4500 m a.s.l.的冰川基底处于或接近压力熔点状态。在当前基线气候、SSP1-2.6和SSP5-8.5情景下，LHG12的东、西支预计将分别在约2085年、2069年和2058年分离；至2100年，冰川面积分别减少6.33%、10.68%和59.17%，年均损失率分别为0.07%、0.13%和0.70%；冰川体积分别减少11.70%、37.13%和82.30%，年均损失率分别为0.39%、0.44%和0.97%。地热通量对模拟结果有显著影响。3-D全斯托克斯模拟能够提高模拟精度并提供更全面的冰川动态过程描述。当非动态模型应用于单个冰川演化预估时，高排放情景下物质损失的高估程度增加。