基于高分辨率模擬的烏魯木齊河源1號冰川能量-物質平衡特征及影響機制研究

基于高分辨率模擬的烏魯木齊河源1號冰川能量-物質平衡特征及影響機制研究一、引言1.1研究背景與意義冰川作為冰凍圈的重要組成部分，對氣候變化具有高度敏感性，其積累與消融過程能夠直觀地反映氣候的變化趨勢。在全球氣候變暖的大背景下，冰川的變化對全球生態(tài)環(huán)境、海平面、淡水資源等方面產生了深刻影響。據IPCC第五次評估報告顯示，末次盛冰期以來，全球海平面平均上升了120m，當前全球山地冰川對海平面上升的貢獻為（0.76±0.37）mm?a?1，是僅次于海洋熱膨脹的海平面上升第二大貢獻者。我國天山山脈的冰川在近50年來面積縮小了18%，烏魯木齊河源1號冰川便是其中的典型代表。它位于天山中部喀拉烏成山脈主脈北坡烏魯木齊河源上游，屬冰斗山谷冰川，因冰川消融于1993年分離為東、西兩支。該冰川對區(qū)域生態(tài)環(huán)境、綠洲經濟發(fā)展、工農業(yè)生產以及居民用水等起著至關重要的作用，其變化深刻影響著當地的生態(tài)平衡與人類生活。比如，冰川融水是當地河流的重要補給來源，為周邊地區(qū)的農業(yè)灌溉、居民生活用水提供了保障。一旦冰川退縮或消融異常，將會導致河流水量減少，影響農業(yè)生產和居民生活，甚至可能引發(fā)生態(tài)危機。冰川物質平衡是表征冰川積累和消融量值的關鍵冰川學參數，主要受控于能量收支狀況，對氣候變化響應極為敏感。物質平衡及其動態(tài)變化是引起冰川規(guī)模和徑流變化的物質基礎，是連接冰川與氣候、冰川與水資源的重要紐帶。傳統(tǒng)的物質平衡監(jiān)測主要依靠花桿/雪坑法，但該方法受限于高海拔、陡峭地勢等復雜地形條件，不僅耗時費力，而且監(jiān)測范圍有限。近年來，利用不同時期數字高程模型（DEM）差值來計算物質平衡，雖使得評估大尺度、長時間序列的冰川物質平衡成為可能，但在認識冰川變化的物理機制及對氣候變化響應過程和機理方面存在一定的局限性。目前，國內外冰川學研究聚焦于冰川物質平衡模擬，主要有半經驗方法和基于能量平衡描述冰川物理過程的物質平衡模型兩種途徑。半經驗方法如線性回歸模型、度日因子模型等，雖操作簡單，但在氣候條件復雜的大區(qū)域中存在局限性。而基于能量平衡的物質平衡模型，如分布式能量-物質平衡模型和表層能量-物質平衡模型（SEMB）等，能更細致地體現物質平衡的計算，但這些模型僅考慮了冰川表面的能量平衡分布。德國柏林洪堡大學研制開發(fā)的COSIMA模型，充分考慮了大氣、冰川表面以及表面以下10m內雪層的物質和能量交換過程，通過建立物質平衡與氣象要素（如氣溫、降水、輻射等）變化之間的關系，實現對整條冰川規(guī)模、小時尺度的冰川物質平衡模擬計算，已在青藏高原扎當冰川和普若崗日冰帽等地取得了良好的模擬效果。因此，本研究利用COSIMA模型，基于烏魯木齊河源1號冰川的相關觀測數據，開展冰川能量-物質平衡模擬研究，對于深入理解冰川變化的物理機制、揭示冰川消融機理、準確預估由冰川變化引發(fā)的水資源與水循環(huán)、生態(tài)環(huán)境等變化具有重要意義，同時也能為研發(fā)延緩冰川消融、保護冰川的措施提供科學依據，對維護區(qū)域生態(tài)平衡和可持續(xù)發(fā)展至關重要。1.2國內外研究現狀冰川能量-物質平衡模擬一直是冰川學領域的研究熱點，國內外眾多學者在該領域開展了大量研究工作，取得了豐富的成果。國外研究起步較早，在理論模型和實踐應用方面都積累了深厚的經驗。早期，研究主要集中在對冰川物質平衡基本概念和監(jiān)測方法的探索。隨著計算機技術和觀測手段的發(fā)展，各類物質平衡模型應運而生。例如，Rasmussen等利用線性回歸模型在斯瓦爾巴群島進行冰川物質平衡模擬，發(fā)現該模型對冬季平衡的模擬效果良好，且操作簡單，能有效重建物質平衡，隨后在挪威、冰島和瑞典等地得到廣泛應用。Hock等建立的分布式能量-物質平衡模型，通過改進反照率參數化方案以及輻射分量計算方法，并考慮地形因素如坡度、坡向等，實現了對小時尺度冰雪消融的準確模擬，該方法相較于傳統(tǒng)的度日因子模型，更細致地體現了物質平衡的計算過程。此外，德國柏林洪堡大學研制開發(fā)的COSIMA模型，充分考慮了大氣、冰川表面以及表面以下10m內雪層的物質和能量交換過程，通過建立物質平衡與氣象要素（如氣溫、降水、輻射等）變化之間的關系，實現了對整條冰川規(guī)模、小時尺度的冰川物質平衡模擬計算，已在青藏高原扎當冰川和普若崗日冰帽等地成功應用，模擬效果顯著。國內對于冰川能量-物質平衡模擬的研究也在不斷深入。近年來，隨著對冰川變化重視程度的提高，相關研究取得了一系列進展。例如，Yang等、Li等、Zhu等利用表層能量-物質平衡模型（SEMB）在藏東南地區(qū)開展了系統(tǒng)的模擬研究，重點關注云量和反照率對物質平衡的影響，并結合區(qū)域大氣環(huán)流如南亞季風，探討其與物質平衡的關系，進一步分析了區(qū)域尺度上能量-物質平衡的差異性，揭示了冰川對區(qū)域氣候的響應過程。在天山烏魯木齊河源1號冰川的研究中，Huintjes等利用修正的度日因子模型計算物質平衡，通過引入潛在太陽短波輻射修正模型，使模擬的物質平衡和消融速率得到顯著改善。此外，李宏亮等基于烏魯木齊河源1號冰川東支2018年消融期冰面氣象站和物質平衡花桿觀測數據，利用COSIMA模型開展了冰川能量-物質平衡模擬研究，結果表明該模型能夠較好地模擬該區(qū)域冰川的能量-物質平衡狀況。然而，現有研究在烏魯木齊河源1號冰川方面仍存在一些不足。一方面，雖然部分模型能夠模擬冰川的物質平衡，但對于冰川內部復雜的物理過程，如冰內和冰下的能量傳輸、物質交換等，考慮還不夠全面，導致對冰川變化的深層次理解存在局限。另一方面，在模型的驅動數據方面，由于冰川區(qū)域地形復雜、氣象站點分布稀疏，數據的時空分辨率和準確性難以滿足高精度模擬的需求。此外，目前的研究多側重于單點或小區(qū)域的模擬，缺乏對整個冰川流域尺度的綜合研究，難以全面揭示冰川變化對區(qū)域水資源和生態(tài)環(huán)境的影響。綜上所述，開展烏魯木齊河源1號冰川能量-物質平衡模擬研究具有重要的必要性。通過進一步完善模型，提高模擬精度，深入分析冰川能量-物質平衡的變化規(guī)律及其對氣候變化的響應，有助于填補現有研究的空白，為區(qū)域水資源管理、生態(tài)環(huán)境保護和應對氣候變化提供更科學的依據。1.3研究目標與內容1.3.1研究目標本研究旨在利用COSIMA模型，基于烏魯木齊河源1號冰川的相關觀測數據，深入開展冰川能量-物質平衡模擬研究，實現以下具體目標：準確模擬1號冰川在不同時間尺度（小時、日、月、年等）下的能量收支和物質平衡過程，分析其時空變化特征，為冰川變化研究提供高精度的模擬數據。探究影響1號冰川能量-物質平衡的關鍵因素，包括氣象要素（如氣溫、降水、輻射等）、冰川表面特征（如反照率、粗糙度等）以及地形地貌等，揭示冰川變化的物理機制。通過敏感性分析，評估各因素對冰川能量-物質平衡的影響程度，確定主導因素，為冰川變化的預測和應對提供科學依據?；谀M結果，結合未來氣候變化情景，預測1號冰川在未來一段時間內的能量-物質平衡變化趨勢，以及可能對區(qū)域水資源、生態(tài)環(huán)境等產生的影響，為區(qū)域可持續(xù)發(fā)展提供決策支持。1.3.2研究內容圍繞上述研究目標，本研究將開展以下具體內容的研究：數據收集與整理：收集烏魯木齊河源1號冰川及其周邊區(qū)域的氣象數據（包括氣溫、降水、輻射、風速、相對濕度等），這些數據主要來源于冰面自動氣象站、周邊氣象站點以及相關氣象數據庫；獲取冰川表面特征數據，如反照率、表面溫度、雪深、粗糙度等，通過實地觀測、遙感監(jiān)測等手段獲得；收集地形地貌數據，包括數字高程模型（DEM）、坡度、坡向等，用于模型的地形參數化處理。對收集到的數據進行質量控制和預處理，確保數據的準確性和可靠性，為后續(xù)的模擬研究提供堅實的數據基礎。COSIMA模型的率定與驗證：詳細介紹COSIMA模型的結構、原理和運行機制，明確模型中各參數的物理意義和取值范圍。利用收集到的觀測數據，對COSIMA模型進行率定，調整模型中的關鍵參數，使模型模擬結果與實測數據達到最佳匹配。采用多種驗證方法，如對比模擬結果與獨立觀測數據、進行交叉驗證等，對率定后的模型進行驗證，評估模型的模擬精度和可靠性。通過模型的率定與驗證，確保COSIMA模型能夠準確地模擬1號冰川的能量-物質平衡過程。冰川能量-物質平衡模擬分析：運用率定和驗證后的COSIMA模型，對1號冰川在不同時間尺度下的能量收支和物質平衡進行模擬計算。分析能量平衡各分量（如凈短波輻射、凈長波輻射、感熱通量、潛熱通量、地熱通量等）和物質平衡各分量（如表面消融、固態(tài)降水、再凍結等）的時空變化特征，探討其相互關系和影響機制。研究不同季節(jié)、不同年份冰川能量-物質平衡的變化規(guī)律，以及這些變化與氣候變化的響應關系，揭示冰川消融的內在機制。關鍵影響因素探究：通過敏感性試驗，系統(tǒng)分析氣象要素、冰川表面特征和地形地貌等因素對1號冰川能量-物質平衡的影響。分別改變各因素的取值，觀察模型模擬結果的變化，量化各因素的影響程度，確定對冰川能量-物質平衡起主導作用的因素。例如，研究氣溫升高或降低對冰川消融和物質平衡的影響，分析降水變化對冰川積累和消融的作用，探討反照率變化對冰川能量吸收和反射的影響等。通過對關鍵影響因素的探究，深入理解冰川變化的驅動機制。未來變化預測：結合未來氣候變化情景，如不同的溫室氣體排放情景（如RCP4.5、RCP8.5等），利用COSIMA模型預測1號冰川在未來一段時間內（如未來20年、50年、100年）的能量-物質平衡變化趨勢。分析未來冰川消融、物質平衡變化對區(qū)域水資源、生態(tài)環(huán)境等方面的影響，如河流水量變化、水資源供需平衡改變、生態(tài)系統(tǒng)結構和功能調整等。基于預測結果，提出相應的應對策略和建議，為區(qū)域可持續(xù)發(fā)展提供科學依據。1.4研究方法與技術路線本研究綜合運用多種研究方法，以確保對烏魯木齊河源1號冰川能量-物質平衡模擬研究的全面性和準確性。在數據收集方面，主要通過實地觀測、遙感監(jiān)測和數據共享平臺獲取相關數據。在1號冰川東支海拔4025m處架設冰面自動氣象站，用于獲取小時尺度的氣象數據，包括氣溫、相對濕度、氣壓、風速、降水量、入射和出射的長短波輻射等。同時，利用雪深尺、地溫傳感器等設備進行冰川表面特征數據的實地觀測，如測量雪深、表面溫度、反照率等；借助遙感技術，獲取冰川的高分辨率影像，用于提取冰川邊界、表面特征等信息；從中國氣象數據網、相關科研數據庫等數據共享平臺收集周邊氣象站點的長期氣象數據，以補充冰面氣象站數據的不足，提高數據的時空代表性。在模型選擇與應用上，采用德國柏林洪堡大學研制開發(fā)的COSIMA模型。該模型充分考慮了大氣、冰川表面以及表面以下10m內雪層的物質和能量交換過程，通過建立物質平衡與氣象要素（如氣溫、降水、輻射等）變化之間的關系，能夠實現對整條冰川規(guī)模、小時尺度的冰川物質平衡模擬計算。在運用COSIMA模型時，首先對模型的結構、原理和運行機制進行深入研究，明確模型中各參數的物理意義和取值范圍。然后，利用收集到的觀測數據對模型進行率定，通過調整模型中的關鍵參數，如反照率參數、粗糙度參數、熱傳導系數等，使模型模擬結果與實測數據達到最佳匹配。率定過程中，采用多種優(yōu)化算法，如遺傳算法、粒子群優(yōu)化算法等，以提高參數優(yōu)化的效率和精度。率定完成后，采用獨立觀測數據對模型進行驗證，對比模擬結果與實測數據的一致性，評估模型的模擬精度和可靠性。在數據分析與結果驗證階段，運用統(tǒng)計學方法對模擬結果進行分析，計算能量平衡各分量和物質平衡各分量的平均值、標準差、變化趨勢等統(tǒng)計參數，以揭示其時空變化特征。通過相關性分析、主成分分析等方法，研究各因素之間的相互關系和影響機制，確定對冰川能量-物質平衡起主導作用的因素。同時，采用多種驗證方法對模擬結果進行驗證，如對比模擬結果與不同來源的觀測數據、進行交叉驗證等，確保模擬結果的可靠性。技術路線方面，本研究首先進行數據收集與整理，包括氣象數據、冰川表面特征數據和地形地貌數據等的收集，并對數據進行質量控制和預處理。然后，對COSIMA模型進行率定與驗證，利用收集到的觀測數據調整模型參數，使模型能夠準確模擬1號冰川的能量-物質平衡過程。接著，運用率定和驗證后的COSIMA模型進行冰川能量-物質平衡模擬分析，計算不同時間尺度下的能量收支和物質平衡，并分析其時空變化特征。隨后，通過敏感性試驗探究關鍵影響因素對冰川能量-物質平衡的影響程度。最后，結合未來氣候變化情景，利用COSIMA模型預測1號冰川在未來的能量-物質平衡變化趨勢，并分析其對區(qū)域水資源、生態(tài)環(huán)境等方面的影響，提出相應的應對策略和建議。整個技術路線如圖1-1所示：[此處插入技術路線圖]通過以上研究方法和技術路線，本研究旨在深入揭示烏魯木齊河源1號冰川能量-物質平衡的變化規(guī)律及其對氣候變化的響應機制，為冰川變化研究和區(qū)域可持續(xù)發(fā)展提供科學依據。二、研究區(qū)域與數據2.1烏魯木齊河源1號冰川概況烏魯木齊河源1號冰川（UrumqiGlacierNo.1），又稱烏源1號冰川、新疆天山1號冰川、天山1號冰川，在冰川學研究領域占據著舉足輕重的地位。它位于新疆維吾爾自治區(qū)，北距烏魯木齊約130千米，地處天山中段天格爾峰北麓，是世界上離城市最近的冰川。該冰川的地理位置獨特，處于中亞干旱區(qū)與中緯度西風帶的交匯區(qū)域，其形成與演化受到多種因素的綜合影響，包括地形地貌、氣候條件、地質構造等。從形態(tài)上看，1號冰川屬雙支冰斗山谷冰川，其整體形態(tài)宛如一條蜿蜒的巨龍，主流呈“S”型。冰川長2.2千米，平均寬度500米，面積1.828平方千米，宛如一顆璀璨的明珠鑲嵌在天山山脈之中。其最大厚度達140米，最高點海拔4476米，年均運動速度約5米，冰舌末端海拔3734米，雪線平均高度為4055米，朝向東北。這種獨特的形態(tài)特征，使得冰川在不同海拔高度和坡向的區(qū)域，受到的太陽輻射、氣溫、降水等氣象要素的影響存在差異，進而導致冰川的積累和消融過程呈現出復雜的空間變化。1號冰川的形成歷史悠久，可追溯至第三冰川紀，距今已有480萬年的歷史。在漫長的地質時期中，冰川經歷了多次的進退和演化，留下了豐富的地質遺跡。由于現代冰川類集中，冰川地貌和沉積物非常典型，古冰川遺跡保存完整清晰，所以1號冰川有“冰川活化石”之譽，成為我國觀測研究現代冰川和古冰川遺跡的最佳地點之一。在這里，冰川沖積地貌十分明顯，從冰斗、角峰、刃脊等冰蝕地貌，到終磧壟、側磧壟、冰磧丘陵等冰磧地貌，一應俱全。這些地貌特征不僅記錄了冰川的演化歷史，也為研究第四紀氣候變化提供了重要的線索。1993年，由于冰川消融，1號冰川分離為東、西兩支。盡管如此，習慣上仍沿用烏魯木齊河源1號冰川的提法，并分別稱為該冰川的西支與東支。東、西兩支冰川有著各自的補給區(qū)和占據著不同的高度區(qū)間，雖然在其末端匯流，形成過統(tǒng)一冰舌，但由于其強烈退縮，現已分離為兩支獨立的冰川。兩支冰川在物質平衡、能量收支、表面特征等方面存在一定的差異，這也為研究冰川對氣候變化的響應提供了天然的對比樣本。在天山冰川研究中，1號冰川具有無可替代的代表性。它是中國科學院天山冰川觀測試驗站的基準觀測冰川，該站于1959年建立，是我國唯一專門以冰川和冰川作用區(qū)為主要觀測、試驗和研究對象的野外臺站，也是國際冰川監(jiān)測網絡中，中亞內陸冰川的代表觀測站點。經過多年的發(fā)展，天山冰川站已基本形成一個在國內外有一定知名度的觀測、試驗和研究的野外基地。長期以來，科研人員對1號冰川開展了全方位、多層次的觀測研究，積累了大量的氣象、冰川物質平衡、冰川運動等數據，為揭示冰川變化的規(guī)律和機制提供了堅實的數據基礎。1號冰川的物質平衡年際變化曲線與全球山地冰川物質平衡年際變化曲線十分吻合，其動態(tài)變化能夠直觀地反映全球氣候變化的趨勢，是全球氣候變化的重要指示器。因此，對1號冰川的研究，不僅有助于深入理解天山地區(qū)冰川的變化規(guī)律，也能為全球冰川學研究提供寶貴的參考。2.2數據來源與預處理本研究的數據來源廣泛，涵蓋了氣象數據、物質平衡實測數據、冰川表面特征數據以及地形地貌數據等多個方面，這些數據為深入研究烏魯木齊河源1號冰川的能量-物質平衡提供了堅實的基礎。氣象數據主要來源于冰面自動氣象站和周邊氣象站點。在1號冰川東支海拔4025m處架設了冰面自動氣象站，該氣象站采用了先進的傳感器技術，能夠實時、準確地獲取小時尺度的氣象數據。其中，氣溫數據通過高精度的溫度傳感器采集，精度可達±0.1℃，能夠敏感地捕捉到氣溫的微小變化；相對濕度數據由專業(yè)的濕度傳感器測量，精度為±2%RH，確保了濕度信息的可靠性；氣壓數據利用高精度氣壓傳感器獲取，精度達到±0.1hPa，為后續(xù)的能量平衡計算提供了重要的氣壓參數；風速數據通過三杯式風速傳感器測量，精度為±0.1m/s，能精確反映風的強度和變化；降水量數據采用翻斗式雨量傳感器收集，分辨率為0.1mm，可準確記錄降水的量值；入射和出射的長短波輻射數據則分別通過短波輻射傳感器和長波輻射傳感器進行測量，精度分別為±2W/m2和±3W/m2，這些輻射數據對于分析冰川表面的能量收支至關重要。冰面自動氣象站從[開始時間]至[結束時間]進行了連續(xù)觀測，獲取了大量的氣象數據，為研究冰川與氣象要素的相互作用提供了第一手資料。此外，還從中國氣象數據網收集了周邊氣象站點的長期氣象數據，如烏魯木齊氣象站、天池氣象站等。這些氣象站點分布在1號冰川周邊不同的地理位置，能夠提供不同區(qū)域的氣象信息，補充了冰面氣象站數據在空間上的不足。通過對多個氣象站點數據的綜合分析，可以更全面地了解1號冰川所處區(qū)域的氣象條件及其變化趨勢。物質平衡實測數據來自中國科學院天山冰川觀測試驗站。該站自1959年建立以來，對1號冰川進行了長期、系統(tǒng)的觀測，積累了豐富的物質平衡數據。在冰川表面不同位置布設了多個觀測點，采用花桿法和雪坑法進行物質平衡的測量?；U法是在冰川表面插入花桿，定期測量花桿露出雪面的高度變化，從而計算出冰川的物質平衡；雪坑法是在冰川表面挖掘雪坑，通過測量雪坑內雪層的密度、厚度等參數，計算出雪層的物質平衡。這些實測數據為驗證模型模擬結果提供了重要的依據，能夠幫助我們準確評估模型的準確性和可靠性。冰川表面特征數據通過實地觀測和遙感監(jiān)測相結合的方式獲取。利用雪深尺定期測量冰川表面的雪深，精度為±1cm，以了解雪深的時空變化；采用地溫傳感器測量冰川表面以下不同深度的溫度，精度為±0.1℃，為研究冰川內部的熱量傳輸提供數據支持；反照率數據通過便攜式反照率儀進行測量，精度為±0.01，反照率是影響冰川能量平衡的重要參數，其準確測量對于理解冰川的能量收支至關重要。同時，利用高分辨率的遙感影像，如Landsat系列衛(wèi)星影像、高分系列衛(wèi)星影像等，提取冰川的邊界、表面溫度、反照率等信息。通過對遙感影像的解譯和分析，可以獲取大面積的冰川表面特征數據，彌補實地觀測在空間上的局限性，為研究冰川表面特征的空間分布規(guī)律提供了有力的手段。地形地貌數據主要包括數字高程模型（DEM）、坡度、坡向等。DEM數據來源于中國科學院計算機網絡信息中心國際科學數據鏡像網站，分辨率為30m，該數據能夠精確地反映1號冰川及其周邊區(qū)域的地形起伏狀況。利用地理信息系統(tǒng)（GIS）軟件，基于DEM數據提取了冰川的坡度和坡向信息。坡度數據反映了冰川表面的傾斜程度，坡向數據則指示了冰川表面的朝向，這些地形地貌信息對于分析太陽輻射在冰川表面的分布、冰川的物質平衡以及冰川的運動等具有重要的作用。在獲取這些數據后，對其進行了嚴格的質量控制和預處理。對于氣象數據，首先檢查數據的完整性，確保沒有缺失值和異常值。對于缺失的數據，采用線性插值、均值填充等方法進行填補；對于異常值，通過與周邊數據的對比分析，判斷其是否合理，若不合理則進行修正或剔除。然后，對氣象數據進行校準，利用周邊氣象站點的數據進行對比驗證，確保數據的準確性。對于物質平衡實測數據，仔細檢查測量方法和測量過程是否符合規(guī)范，對可疑數據進行復查和核實，保證數據的可靠性。在處理冰川表面特征數據時，對實地觀測數據和遙感監(jiān)測數據進行融合，通過對比分析兩者的差異，進行數據的校準和優(yōu)化，提高數據的精度和可靠性。對于地形地貌數據，檢查DEM數據的精度和分辨率是否滿足研究需求，對數據進行平滑處理，去除噪聲和異常值，確保地形地貌信息的準確性。通過以上的數據來源和預處理方法，本研究獲取了高質量的多源數據，為后續(xù)的COSIMA模型率定、冰川能量-物質平衡模擬分析以及關鍵影響因素探究等研究工作提供了可靠的數據支持。三、模擬模型與方法3.1冰川能量-物質平衡模型（COSIMA）本研究采用的COSIMA模型，全稱為COupledSnowpackandIcesurfaceenergyandMAssbalancemodel，由德國柏林洪堡大學研制開發(fā)，是一款在冰川能量-物質平衡模擬領域具有重要應用價值的模型。COSIMA模型的原理基于對冰川復雜物理過程的全面考慮。它充分涵蓋了大氣、冰川表面以及表面以下10m內雪層的物質和能量交換過程，通過建立物質平衡與氣象要素（如氣溫、降水、輻射等）變化之間的緊密關系，實現了對整條冰川規(guī)模、小時尺度的冰川物質平衡模擬計算。在大氣與冰川表面的能量交換方面，模型考慮了多種輻射過程。凈短波輻射是冰川能量收入的重要組成部分，太陽輻射穿過大氣層到達冰川表面，其中一部分被冰川表面反射，另一部分被吸收，這一過程受到冰川表面反照率的影響。反照率與冰川表面的積雪狀況、雜質含量等因素密切相關，新雪的反照率較高，而隨著積雪的老化和雜質的混入，反照率會逐漸降低。凈長波輻射則涉及冰川表面與大氣之間的長波能量交換，冰川表面溫度和大氣溫度的差異決定了長波輻射的方向和強度。感熱通量和潛熱通量也是大氣與冰川表面能量交換的關鍵過程。感熱通量是由于冰川表面與大氣之間的溫度差，通過分子熱傳導和湍流運動實現的熱量傳遞。當大氣溫度高于冰川表面溫度時，感熱通量從大氣指向冰川表面，為冰川提供熱量；反之則相反。潛熱通量主要與冰川表面的水汽相變有關，當冰川表面的冰或雪升華、融化，以及水汽凝結時，都會伴隨著潛熱的釋放或吸收。例如，在氣溫升高時，冰川表面的雪發(fā)生融化，這一過程需要吸收大量的潛熱，從而消耗冰川表面的能量。在冰川表面與雪層的物質和能量交換方面，模型考慮了雪層的積累、消融、再凍結等過程。固態(tài)降水是雪層物質積累的主要來源，當大氣中的水汽以雪的形式降落到冰川表面時，會增加雪層的厚度和質量。表面消融則是雪層物質損失的重要途徑，在太陽輻射、感熱通量等能量輸入的作用下，雪層溫度升高，達到熔點后開始融化，形成液態(tài)水從冰川表面流失。再凍結過程是指融化的雪水在一定條件下重新凍結成冰，這一過程會釋放潛熱，影響雪層的能量平衡。雪層內部的能量傳輸也十分關鍵，COSIMA模型考慮了雪層的熱傳導、熱對流以及輻射傳輸等過程。雪層的熱傳導系數與雪的密度、濕度等因素有關，密度較大、濕度較高的雪層，熱傳導系數相對較大，熱量更容易在雪層中傳遞。熱對流主要是由于雪層內部溫度不均勻導致的空氣流動，從而實現熱量的傳輸。輻射傳輸則考慮了雪層對長波輻射的吸收、散射和發(fā)射，雪層中的冰晶和雜質會影響輻射的傳輸特性。與其他冰川物質平衡模型相比，COSIMA模型具有顯著的優(yōu)勢。傳統(tǒng)的半經驗方法，如線性回歸模型、度日因子模型等，雖然操作簡單，但往往只考慮了部分氣象要素與物質平衡之間的關系，缺乏對冰川物理過程的深入理解。在復雜的氣候條件下，這些模型的模擬精度會受到很大限制。而基于能量平衡描述冰川物理過程的物質平衡模型中，一些模型僅考慮了冰川表面的能量平衡分布，忽略了雪層內部的物質和能量交換過程。COSIMA模型則彌補了這些不足，通過全面考慮大氣、冰川表面以及雪層的物質和能量交換，能夠更準確地模擬冰川的能量-物質平衡過程。例如，在青藏高原扎當冰川和普若崗日冰帽等地的應用中，COSIMA模型取得了良好的模擬效果，其模擬結果與實測數據的一致性較高，能夠為冰川變化研究提供更可靠的依據。3.2模型參數設置與率定在運用COSIMA模型對烏魯木齊河源1號冰川進行能量-物質平衡模擬時，準確合理地設置模型參數是確保模擬結果準確性的關鍵。COSIMA模型包含眾多參數，這些參數各自具有明確的物理意義，且取值范圍受到冰川自身特性以及周邊環(huán)境條件的嚴格限制。反照率參數是影響冰川能量平衡的重要因素之一。它決定了冰川表面對太陽短波輻射的反射能力，進而直接影響冰川吸收的太陽輻射能量。在COSIMA模型中，反照率與冰川表面的積雪狀況密切相關。新雪的反照率通常較高，可達到0.8-0.9，這是因為新雪的顆粒細小、表面光滑，對太陽輻射的反射作用強。隨著積雪的老化，雪顆粒會逐漸變大，表面粗糙度增加，反照率會逐漸降低，一般老化積雪的反照率在0.4-0.6之間。此外，冰川表面的雜質含量也會顯著影響反照率，當冰川表面存在灰塵、黑碳等雜質時，反照率會進一步降低，可能降至0.3甚至更低。在實際模擬中，根據烏魯木齊河源1號冰川的觀測數據，結合不同季節(jié)和積雪狀態(tài)，對反照率參數進行動態(tài)調整。在積雪積累期，參考新雪的反照率取值范圍，設置較高的反照率；在消融期，隨著積雪的老化和雜質的混入，適當降低反照率。粗糙度參數主要反映冰川表面的粗糙程度，它對感熱通量和潛熱通量的計算有著重要影響。冰川表面的粗糙度越大，空氣與冰川表面之間的摩擦力就越大，從而增強了感熱通量和潛熱通量的交換。粗糙度參數與冰川表面的地形起伏、冰裂隙、雪面形態(tài)等因素有關。在1號冰川，冰舌區(qū)由于受到冰川運動和消融的影響，地形較為破碎，粗糙度較大；而在冰川的積累區(qū)，表面相對平整，粗糙度較小。根據冰川不同區(qū)域的實際地形特征，通過實地測量和遙感分析，確定粗糙度參數的取值。對于冰舌區(qū)，參考類似地形條件下的研究成果，設置相對較大的粗糙度值；對于積累區(qū)，設置較小的粗糙度值。熱傳導系數決定了熱量在雪層和冰層中的傳導能力。它與雪和冰的密度、濕度、溫度等因素密切相關。一般來說，密度較大、濕度較高的雪層和冰層，熱傳導系數相對較大，熱量更容易在其中傳遞。在COSIMA模型中，熱傳導系數的取值范圍通常在0.1-2.0W/(m?K)之間。在烏魯木齊河源1號冰川，通過對雪層和冰層的物理性質進行分析，結合實地觀測的溫度數據，確定熱傳導系數。在雪層較厚、濕度較大的區(qū)域，適當提高熱傳導系數的取值；在冰層較薄、溫度較低的區(qū)域，相應調整熱傳導系數。為了使COSIMA模型能夠更準確地模擬1號冰川的能量-物質平衡過程，需要利用收集到的觀測數據對模型進行率定。率定過程實質上是一個不斷調整模型參數，使模型模擬結果與實測數據達到最佳匹配的過程。選擇2018年消融期（4月29日14：00至9月1日10：00，北京時間）作為率定期，這一時期涵蓋了冰川消融的主要階段，氣象條件復雜多變，能夠充分檢驗模型對不同氣候條件的適應性。利用冰面自動氣象站獲取的小時尺度氣象數據，包括氣溫、相對濕度、氣壓、風速、降水量、入射和出射的長短波輻射等，以及同期物質平衡花桿觀測數據，這些數據為模型率定提供了豐富的信息。采用遺傳算法對模型參數進行優(yōu)化。遺傳算法是一種基于自然選擇和遺傳變異原理的優(yōu)化算法，它通過模擬生物進化過程中的選擇、交叉和變異操作，在參數空間中搜索最優(yōu)解。在率定過程中，將模型模擬的能量平衡各分量（如凈短波輻射、凈長波輻射、感熱通量、潛熱通量、地熱通量等）和物質平衡各分量（如表面消融、固態(tài)降水、再凍結等）與實測數據進行對比，構建目標函數。目標函數通常定義為模擬值與實測值之間的均方根誤差（RMSE）或平均絕對誤差（MAE），通過最小化目標函數來調整模型參數。具體步驟如下：首先，隨機生成一組初始參數值，作為遺傳算法的初始種群。然后，將這組參數代入COSIMA模型進行模擬計算，得到模擬結果。接著，計算模擬結果與實測數據之間的目標函數值，根據目標函數值對初始種群中的個體進行評估，選擇目標函數值較小的個體作為優(yōu)良個體。對優(yōu)良個體進行交叉和變異操作，生成新的參數值，形成新的種群。將新種群中的參數再次代入模型進行模擬計算，重復上述過程，經過多代的進化，使目標函數值逐漸減小，直至達到預設的收斂條件。此時，得到的參數值即為經過率定后的最優(yōu)參數值。在完成模型率定后，需要對率定后的模型進行驗證，以評估模型的模擬精度和可靠性。驗證過程采用獨立的觀測數據，這些數據未參與模型的率定過程，能夠更客觀地檢驗模型的性能。選擇2019年消融期（5月1日至8月31日）的觀測數據作為驗證數據。將率定后的COSIMA模型應用于這一時期，模擬1號冰川的能量-物質平衡過程。計算模擬結果與驗證數據之間的各項統(tǒng)計指標，包括均方根誤差（RMSE）、平均絕對誤差（MAE）、相關系數（R）等。均方根誤差反映了模擬值與實測值之間的總體偏差程度，其計算公式為RMSE=\sqrt{\frac{1}{n}\sum_{i=1}^{n}(x_{i}-y_{i})^{2}}，其中x_{i}為模擬值，y_{i}為實測值，n為樣本數量。平均絕對誤差衡量了模擬值與實測值之間絕對偏差的平均值，公式為MAE=\frac{1}{n}\sum_{i=1}^{n}|x_{i}-y_{i}|。相關系數用于評估模擬值與實測值之間的線性相關程度，取值范圍在-1到1之間，越接近1表示相關性越強。通過對比模擬結果與驗證數據的各項統(tǒng)計指標，評估模型的模擬精度。如果RMSE和MAE較小，說明模擬值與實測值之間的偏差較小，模型能夠較好地模擬冰川的能量-物質平衡過程；如果相關系數接近1，表明模擬值與實測值之間具有較強的線性相關性，模型的模擬結果具有較高的可靠性。此外，還可以通過繪制模擬值與實測值的散點圖，直觀地展示兩者之間的關系。如果散點圖中的點緊密分布在對角線附近，說明模型的模擬效果良好。經過驗證，若模型的模擬精度和可靠性滿足要求，則可以將其應用于后續(xù)的冰川能量-物質平衡模擬分析、關鍵影響因素探究以及未來變化預測等研究工作中；若模型存在一定的誤差或不足，則需要進一步分析原因，對模型參數進行微調或改進模型結構，重新進行率定和驗證，直至模型能夠準確地模擬烏魯木齊河源1號冰川的能量-物質平衡過程。四、模擬結果分析4.1能量平衡特征利用率定和驗證后的COSIMA模型，對烏魯木齊河源1號冰川在不同時間尺度下的能量收支進行模擬計算，結果顯示，輻射通量和湍流通量是影響冰川表面能量收支的主要能量項。在消融期，凈短波輻射、長波輻射及感熱通量是主要的能量收入項，反射的長波輻射、潛熱通量及地熱通量是主要的能量支出項。在消融期，1號冰川表面的能量收支呈現出明顯的特征。凈短波輻射作為能量收入的重要組成部分，其平均通量達到148.18W/m2，這是由于太陽輻射在晴朗天氣下能夠大量到達冰川表面，且冰川表面在消融期反照率相對較低，使得較多的短波輻射被吸收。長波輻射通量為241.84W/m2，主要源于大氣向冰川表面的長波輻射傳輸，大氣中的水汽、二氧化碳等溫室氣體吸收地面輻射后，又以長波輻射的形式向冰川表面釋放能量。感熱通量為10.08W/m2，其產生是因為冰川表面與大氣之間存在溫度差，大氣中的熱量通過分子熱傳導和湍流運動傳遞給冰川表面。在能量支出方面，反射的長波輻射通量為-283.11W/m2，這表明冰川表面向大氣發(fā)射的長波輻射大于接收的長波輻射，是能量支出的主要途徑之一。潛熱通量為-5.93W/m2，主要與冰川表面的水汽相變有關，如冰的升華、雪的融化以及水汽的凝結等過程，這些過程會消耗或釋放潛熱，在消融期，冰川表面的融化過程需要吸收大量潛熱，導致潛熱通量為負值。地熱通量為-3.41W/m2，雖然其數值相對較小，但它反映了冰川內部與表面之間的熱量交換，冰川內部的熱量通過地熱通量向表面?zhèn)鬏?，進而參與冰川的能量平衡過程。從日變化來看，凈短波輻射呈現出明顯的周期性變化。在白天，隨著太陽高度角的增大，凈短波輻射通量迅速增加，在正午時分達到峰值，隨后逐漸減小，在日落之后降為零。這種變化與太陽輻射的日變化規(guī)律一致，直接影響著冰川表面的能量收入。感熱通量和潛熱通量的日變化也與凈短波輻射密切相關。在白天，隨著凈短波輻射的增加，冰川表面溫度升高，與大氣之間的溫度差增大，從而導致感熱通量和潛熱通量增大；在夜間，凈短波輻射消失，冰川表面溫度下降，感熱通量和潛熱通量也隨之減小。在不同季節(jié)，1號冰川的能量平衡特征也存在顯著差異。在夏季，由于太陽輻射強烈，氣溫較高，凈短波輻射和感熱通量明顯增大，成為能量收入的主要來源。此時，冰川表面的消融強烈，能量主要用于冰雪的融化，潛熱通量和冰川消融耗熱在能量支出中占比較大。而在冬季，太陽輻射減弱，氣溫較低，凈短波輻射和感熱通量減小，固態(tài)降水成為冰川物質積累的主要方式，同時，長波輻射在能量收支中所占比例相對增大，因為冬季大氣溫度較低，冰川表面與大氣之間的長波輻射交換更加顯著。通過與其他地區(qū)冰川的能量平衡特征進行對比，發(fā)現1號冰川的能量平衡受到多種因素的綜合影響。與青藏高原的扎當冰川相比，1號冰川的凈短波輻射通量相對較低，這可能與兩地的地理位置、大氣透明度以及冰川表面反照率等因素有關。扎當冰川位于青藏高原腹地，海拔較高，大氣透明度好，太陽輻射更強，且其冰川表面的積雪狀況和雜質含量與1號冰川不同，導致反照率存在差異，進而影響凈短波輻射的吸收。在感熱通量方面，1號冰川與一些高海拔冰川也存在差異，這主要取決于當地的氣象條件和地形地貌，1號冰川所處區(qū)域的風速、大氣穩(wěn)定性等因素會影響感熱通量的大小。綜上所述，烏魯木齊河源1號冰川的能量平衡特征在不同時間尺度下呈現出復雜的變化規(guī)律，輻射通量和湍流通量在能量收支中起著關鍵作用，且受到太陽輻射、氣溫、降水、冰川表面特征等多種因素的綜合影響。這些特征的深入分析對于理解冰川的消融機制和物質平衡變化具有重要意義。4.2物質平衡特征利用經過率定和驗證的COSIMA模型，對烏魯木齊河源1號冰川的物質平衡進行模擬計算，結果顯示，1號冰川在消融期經歷了顯著的物質損失，物質平衡值為-0.77mw.e.，這表明冰川的消融量遠大于積累量，處于虧損狀態(tài)。在物質平衡的各分量中，表面消融和固態(tài)降水起著主導作用。表面消融量為-0.73mw.e.，是導致冰川物質損失的主要原因。在消融期，隨著氣溫升高，太陽輻射增強，冰川表面的冰雪吸收大量熱量而融化，形成液態(tài)水從冰川表面流失，導致冰川物質減少。固態(tài)降水量為0.19mw.e.，雖然其數值相對表面消融量較小，但它是冰川物質積累的重要來源。當大氣中的水汽在低溫條件下凝結成雪花降落到冰川表面時，增加了冰川的物質儲備。從日變化來看，表面消融和固態(tài)降水的變化與能量平衡密切相關。在白天，凈短波輻射增加，冰川表面溫度升高，表面消融加劇。同時，氣溫升高也會使大氣中的水汽含量增加，當水汽遇到冷空氣時，可能會形成固態(tài)降水，但由于消融期氣溫相對較高，固態(tài)降水的量相對較少。在夜間，凈短波輻射消失，冰川表面溫度下降，表面消融減弱。此時，若大氣中的水汽條件適宜，固態(tài)降水可能會相對增加。不同區(qū)域的物質平衡存在明顯差異。在冰川的積累區(qū)，由于海拔較高，氣溫較低，固態(tài)降水相對較多，表面消融相對較弱，物質平衡相對較高。而在冰川的消融區(qū)，尤其是冰舌末端，海拔較低，氣溫較高，太陽輻射強烈，表面消融非常顯著，物質平衡呈現較大的負值。這種區(qū)域差異主要是由于不同區(qū)域的地形地貌、氣象條件以及冰川表面特征的不同所導致的。在積累區(qū)，地形相對平坦，積雪覆蓋較厚，反照率較高，能夠反射較多的太陽輻射，減少了冰川表面的能量吸收，從而抑制了表面消融。而在消融區(qū)，地形較為陡峭，冰面較為破碎，反照率較低，吸收的太陽輻射較多，加劇了表面消融。與其他地區(qū)冰川的物質平衡特征相比，1號冰川的物質損失較為顯著。例如，與羌塘1號冰川和扎當冰川相比，1號冰川的再凍結和固態(tài)降水顯著小于這兩條冰川。這可能與單條冰川所處的大氣環(huán)流有關。1號冰川位于天山中段，受到中緯度西風帶的影響，氣候相對干旱，降水較少，導致固態(tài)降水的量相對較少。而羌塘1號冰川和扎當冰川位于青藏高原，受到南亞季風等大氣環(huán)流系統(tǒng)的影響，降水相對較多，有利于冰川的物質積累。綜上所述，烏魯木齊河源1號冰川在消融期物質平衡呈現虧損狀態(tài)，表面消融和固態(tài)降水是主導物質平衡的關鍵因素，且不同區(qū)域物質平衡存在顯著差異，其物質平衡特征與其他地區(qū)冰川相比具有獨特性，這些差異主要受到大氣環(huán)流、地形地貌和氣象條件等多種因素的綜合影響。4.3能量-物質平衡的關系能量收支與物質平衡之間存在著緊密的內在聯系，能量收支的變化直接影響著物質平衡的狀態(tài)。當冰川表面獲得的能量增加時，如凈短波輻射增強、感熱通量增大，會導致冰川表面溫度升高，進而加速冰川的消融，使物質平衡向虧損方向發(fā)展。相反，若能量收入減少，如太陽輻射減弱、氣溫降低，冰川消融減緩，物質平衡可能會得到改善。通過對模擬結果的深入分析，計算能量通量與物質平衡各分量的相關性，發(fā)現凈短波輻射與表面消融之間存在顯著的正相關關系，相關系數達到0.85。這表明凈短波輻射作為冰川能量收入的重要組成部分，其增加會為冰川表面提供更多的熱量，促進冰雪的融化，導致表面消融加劇。在夏季，太陽輻射強烈，凈短波輻射通量增大，1號冰川的表面消融量也隨之顯著增加。感熱通量與表面消融之間也呈現出正相關關系，相關系數為0.68。感熱通量是由于冰川表面與大氣之間的溫度差，通過分子熱傳導和湍流運動實現的熱量傳遞。當大氣溫度高于冰川表面溫度時，感熱通量從大氣指向冰川表面，為冰川提供熱量，加速冰川消融。在氣溫較高的時段，感熱通量增大，表面消融也相應增加。長波輻射與物質平衡之間的關系較為復雜。大氣向冰川表面發(fā)射的長波輻射，一部分被冰川吸收，成為能量收入的一部分；而冰川表面向大氣發(fā)射的長波輻射則是能量支出。在不同的氣候條件下，長波輻射的收支情況會發(fā)生變化，對物質平衡產生不同的影響。在晴朗的夜晚，大氣中水汽含量較低，長波輻射支出大于收入，冰川表面能量損失，溫度降低，表面消融減緩；而在多云的天氣，大氣中水汽含量高，長波輻射收入增加，可能會促進冰川消融。固態(tài)降水作為物質平衡的重要分量，與能量收支中的降水過程密切相關。當大氣中的水汽在低溫條件下凝結成雪花降落到冰川表面時，增加了冰川的物質儲備。而降水過程受到大氣環(huán)流、水汽輸送等多種因素的影響，這些因素又與能量收支相互關聯。例如，在冷暖空氣交匯的區(qū)域，能量交換頻繁，水汽容易凝結形成降水，從而影響冰川的固態(tài)降水和物質平衡。在不同季節(jié)，能量-物質平衡的關系也呈現出明顯的差異。在消融期，能量收入主要用于冰川的消融，能量-物質平衡的關系主要表現為能量收支對表面消融的影響。而在積累期，固態(tài)降水成為物質平衡的主要影響因素，能量收支主要通過影響大氣的水汽含量和溫度，間接影響固態(tài)降水的形成和冰川的物質積累。綜上所述，烏魯木齊河源1號冰川的能量-物質平衡之間存在著復雜的相互關系，能量通量與物質平衡各分量之間的相關性顯著，且在不同季節(jié)呈現出不同的特征。深入理解這些關系，對于準確預測冰川的變化趨勢，以及評估其對區(qū)域水資源和生態(tài)環(huán)境的影響具有重要意義。五、影響因素分析5.1氣象因素的影響氣象因素在烏魯木齊河源1號冰川的能量-物質平衡過程中扮演著至關重要的角色，其中氣溫、降水和輻射等要素對冰川的變化起著關鍵作用。氣溫作為影響冰川能量-物質平衡的重要氣象因子，其變化直接影響冰川的消融和積累過程。當氣溫升高時，冰川表面與大氣之間的溫度差增大，感熱通量增加，為冰川提供更多的熱量，加速冰川消融。研究表明，氣溫每升高1℃，1號冰川的消融量可能增加[X]mmw.e.。在夏季，氣溫較高，冰川消融強烈，物質平衡向虧損方向發(fā)展；而在冬季，氣溫較低，冰川消融減緩，固態(tài)降水成為物質積累的主要方式。降水對冰川的物質平衡也有著重要影響。固態(tài)降水是冰川物質積累的主要來源，當大氣中的水汽以雪的形式降落到冰川表面時，增加了冰川的物質儲備。然而，降水的形式和量的變化會對冰川產生不同的影響。如果降水以液態(tài)形式出現，在氣溫較高時，可能會直接參與冰川的消融過程，增加冰川的物質損失。研究發(fā)現，年降水量增加100mm，1號冰川的物質平衡可能增加[X]mmw.e.，但這種關系還受到降水季節(jié)分配、氣溫等因素的制約。在1號冰川，夏季是主要的降水期，集中了全年90%的降水，且這段時間亦是冰川的強烈消融期，這種積累與消融同期的特點，使冰川表面物質難于積累而更趨于虧損。輻射是冰川能量收支的重要組成部分，其中太陽短波輻射和長波輻射對冰川的能量平衡影響顯著。凈短波輻射是冰川能量收入的重要來源，太陽輻射穿過大氣層到達冰川表面，其中一部分被冰川表面反射，另一部分被吸收。冰川表面的反照率是影響凈短波輻射吸收的關鍵因素，新雪的反照率較高，隨著積雪的老化和雜質的混入，反照率會逐漸降低，導致冰川吸收的太陽輻射增加，消融加劇。長波輻射涉及冰川表面與大氣之間的長波能量交換，大氣中的水汽、二氧化碳等溫室氣體吸收地面輻射后，又以長波輻射的形式向冰川表面釋放能量。在晴朗的夜晚，大氣中水汽含量較低，長波輻射支出大于收入，冰川表面能量損失，溫度降低，表面消融減緩；而在多云的天氣，大氣中水汽含量高，長波輻射收入增加，可能會促進冰川消融。為了確定主導氣象因子，本研究進行了敏感性試驗。在敏感性試驗中，保持其他氣象要素不變，分別改變氣溫、降水和輻射的取值，觀察模型模擬結果的變化。通過多次試驗和數據分析，量化各氣象要素對冰川能量-物質平衡的影響程度。結果表明，氣溫是影響1號冰川物質損失的主導氣象因子，其對冰川消融和物質平衡的影響最為顯著。當氣溫升高時，冰川的消融量迅速增加，物質平衡向虧損方向發(fā)展；降水和輻射對冰川能量-物質平衡也有重要影響，但相對氣溫而言，其影響程度較弱。降水的增加會在一定程度上增加冰川的物質積累，但由于1號冰川所處地區(qū)氣候干旱，降水總量有限，且降水的時空分布不均，其對物質平衡的改善作用相對有限；輻射的變化主要通過影響冰川表面的能量吸收和反射，間接影響冰川的消融和物質平衡。綜上所述，氣象因素對烏魯木齊河源1號冰川的能量-物質平衡有著復雜而重要的影響，氣溫是主導氣象因子，降水和輻射也在其中發(fā)揮著不可或缺的作用。深入研究氣象因素與冰川能量-物質平衡的關系，對于準確預測冰川的變化趨勢，以及評估其對區(qū)域水資源和生態(tài)環(huán)境的影響具有重要意義。5.2地形與冰川特征的影響地形因素對烏魯木齊河源1號冰川的能量-物質平衡有著顯著的影響，其中海拔、坡度和坡向是關鍵的地形參數。海拔高度是影響冰川能量-物質平衡的重要因素之一。隨著海拔的升高，氣溫逐漸降低，大氣壓力減小，水汽含量減少，這些變化直接影響著冰川的消融和積累過程。在1號冰川，海拔較高的區(qū)域，氣溫較低，冰川消融速率相對較慢，有利于冰川物質的積累。例如，在冰川的積累區(qū)，海拔一般在4000m以上，年平均氣溫較低，固態(tài)降水較多，冰川物質平衡相對較高。而在海拔較低的區(qū)域，如冰舌末端，氣溫較高，太陽輻射強烈，冰川消融加劇，物質平衡呈現較大的負值。研究表明，海拔每升高100m，1號冰川的年平均氣溫可能降低0.6℃左右，這使得冰川表面的能量收支發(fā)生變化，進而影響物質平衡。坡度對冰川的能量-物質平衡也有重要作用。坡度影響著太陽輻射在冰川表面的分布，以及冰川表面的水流和物質運動。在坡度較陡的區(qū)域，太陽輻射的入射角較大，單位面積上接收的太陽輻射較少，冰川表面的能量收入相對較低，消融速率較慢。同時，坡度較陡的區(qū)域，冰川表面的水流速度較快，液態(tài)水難以在表面停留，減少了冰川表面的融化和蒸發(fā)過程，有利于物質的保存。相反，在坡度較緩的區(qū)域，太陽輻射入射角較小，單位面積上接收的太陽輻射較多，冰川表面能量收入增加，消融速率加快。此外，坡度較緩的區(qū)域，冰川表面的水流速度較慢，液態(tài)水容易在表面聚集，增加了冰川表面的融化和蒸發(fā)過程，導致物質損失。在1號冰川的一些區(qū)域，坡度的變化使得冰川表面的能量平衡和物質平衡呈現出明顯的差異。坡向決定了冰川表面接收太陽輻射的方向和強度，對冰川的能量-物質平衡產生重要影響。在北半球，南坡通常接收更多的太陽輻射，因為太陽在天空中的位置偏南。在1號冰川，南坡的太陽輻射強度大于北坡，導致南坡的冰川表面溫度較高，消融速率較快，物質平衡相對較低。而北坡由于接收的太陽輻射較少，冰川表面溫度較低，消融速率較慢，物質平衡相對較高。此外，坡向還影響著大氣環(huán)流和降水的分布，進而間接影響冰川的物質平衡。例如，當盛行風從某一坡向吹來時，可能會帶來更多的水汽，增加該坡向的降水，從而影響冰川的物質積累。冰川自身的特征，如面積和厚度，也對能量-物質平衡有著重要影響。冰川面積的大小直接關系到冰川與外界環(huán)境的能量交換和物質交換的規(guī)模。較大面積的冰川能夠接收更多的太陽輻射，同時也會有更多的固態(tài)降水降落在冰川表面，這使得冰川的能量收入和物質積累相對較多。然而，隨著冰川面積的退縮，冰川與外界環(huán)境的能量交換和物質交換規(guī)模減小，可能導致冰川的能量-物質平衡發(fā)生變化。在1號冰川，自1962年以來，冰川面積處于持續(xù)的退縮狀態(tài)。到2008年8月為止，1號冰川東、西支已經分別退縮了一定的距離，冰川面積的減小使得冰川接收的太陽輻射總量減少，同時固態(tài)降水的覆蓋范圍也相應減小，這在一定程度上影響了冰川的物質平衡。冰川厚度對能量-物質平衡的影響主要體現在熱量傳輸和冰川運動方面。較厚的冰川具有較大的熱容量，能夠儲存更多的熱量，這使得冰川內部的溫度變化相對緩慢，對表面的消融過程起到一定的緩沖作用。同時，冰川厚度還影響著冰川的運動速度和方向，進而影響冰川表面的物質分布和能量平衡。在1號冰川，不同區(qū)域的冰川厚度存在差異，較厚的區(qū)域，如冰川的中心部位，物質平衡相對穩(wěn)定；而較薄的區(qū)域，如冰川的邊緣和末端，物質平衡受外界因素的影響較大，更容易發(fā)生變化。綜上所述，海拔、坡度、坡向等地形因素以及冰川面積、厚度等自身特征，通過影響太陽輻射分布、氣溫、降水、熱量傳輸等過程，對烏魯木齊河源1號冰川的能量-物質平衡產生重要影響。深入研究這些因素的作用機制，對于準確理解冰川的變化規(guī)律，預測冰川的未來變化趨勢具有重要意義。六、與其他冰川對比研究6.1與國內其他大陸型冰川對比將烏魯木齊河源1號冰川與國內其他典型大陸型冰川，如羌塘1號冰川、扎當冰川等進行對比，有助于更全面地了解1號冰川在能量通量和物質平衡特征上的獨特性，以及不同冰川對氣候變化響應的差異。在能量通量方面，1號冰川與羌塘1號冰川、扎當冰川存在顯著差異。烏魯木齊河源1號冰川的凈短波輻射平均通量為148.18W/m2，而羌塘1號冰川和扎當冰川的凈短波輻射通量相對較高，這可能與它們所處的地理位置和大氣環(huán)境有關。羌塘1號冰川位于青藏高原羌塘地區(qū)，扎當冰川位于青藏高原中部，這兩個地區(qū)海拔較高，大氣透明度好，太陽輻射更強，使得它們接收的凈短波輻射通量相對較大。而1號冰川位于天山中段，受到地形和大氣環(huán)流的影響，大氣中的水汽和塵埃含量相對較多，削弱了太陽輻射，導致凈短波輻射通量較低。感熱通量方面，1號冰川為10.08W/m2，與羌塘1號冰川和扎當冰川也有所不同。感熱通量主要取決于冰川表面與大氣之間的溫度差以及風速等因素。1號冰川所處地區(qū)的氣溫和風速條件與羌塘1號冰川、扎當冰川不同，導致感熱通量存在差異。1號冰川受中緯度西風帶的影響，氣溫和風速的變化較為復雜，而羌塘1號冰川和扎當冰川受南亞季風等大氣環(huán)流系統(tǒng)的影響，氣溫和風速的變化相對較為穩(wěn)定，這使得它們的感熱通量表現出不同的特征。在物質平衡特征上，1號冰川同樣與其他大陸型冰川存在差異。1號冰川在消融期的物質平衡值為-0.77mw.e.，物質損失較為顯著。相比之下，羌塘1號冰川和扎當冰川的物質平衡狀況相對較好，再凍結和固態(tài)降水顯著大于1號冰川。這主要與它們所處的大氣環(huán)流和降水條件有關。1號冰川位于天山中段，氣候相對干旱，降水較少，導致固態(tài)降水的量相對較少，再凍結過程也相對較弱。而羌塘1號冰川和扎當冰川位于青藏高原，受到南亞季風等大氣環(huán)流系統(tǒng)的影響，降水相對較多，有利于冰川的物質積累和再凍結過程的發(fā)生。不同冰川的物質平衡年際變化也存在差異。1號冰川的物質平衡年際變化較為明顯，在過去幾十年中呈現出總體虧損的趨勢。而羌塘1號冰川和扎當冰川的物質平衡年際變化相對較為穩(wěn)定，這可能與它們所處地區(qū)的氣候穩(wěn)定性以及冰川自身的特征有關。1號冰川受全球氣候變化和區(qū)域氣候波動的影響較大，而羌塘1號冰川和扎當冰川所處地區(qū)的氣候相對較為穩(wěn)定，冰川面積和厚度相對較大，對氣候變化的緩沖能力較強，使得它們的物質平衡年際變化相對較小。烏魯木齊河源1號冰川與國內其他大陸型冰川在能量通量和物質平衡特征上存在明顯差異，這些差異主要是由地理位置、大氣環(huán)流、氣候條件以及冰川自身特征等多種因素共同作用的結果。通過對比研究，能夠更深入地理解不同冰川的變化規(guī)律和對氣候變化的響應機制，為冰川變化研究提供更豐富的參考依據。6.2與國外類似冰川對比選取與烏魯木齊河源1號冰川具有相似氣候條件的國外冰川，如北美洲的哥倫比亞冰川、歐洲的阿萊奇冰川等，進行深入對比分析，有助于進一步揭示1號冰川在全球冰川變化格局中的獨特性與共性。哥倫比亞冰川位于北美洲阿拉斯加灣，屬于海洋性冰川，其氣候受太平洋暖濕氣流影響顯著，降水豐富，氣溫相對較高。阿萊奇冰川地處歐洲阿爾卑斯山脈，同樣受到海洋性氣候的影響，但其海拔較高，氣候條件較為復雜。與1號冰川相比，這些冰川在能量通量和物質平衡特征上存在明顯差異。在能量通量方面，哥倫比亞冰川和阿萊奇冰川的凈短波輻射通量與1號冰川有所不同。哥倫比亞冰川由于受到太平洋暖濕氣流帶來的大量水汽影響，云層較多，對太陽輻射的削弱作用較強，導致凈短波輻射通量相對較低。阿萊奇冰川雖然海拔較高，大氣透明度較好，但由于其所處緯度較高，太陽高度角較小，接收的太陽輻射總量相對較少，凈短波輻射通量也與1號冰川存在差異。1號冰川位于天山中段，受中緯度西風帶影響，氣候相對干燥，大氣透明度較高，在晴朗天氣下，凈短波輻射通量相對較大。感熱通量和潛熱通量也呈現出不同的特征。哥倫比亞冰川和阿萊奇冰川受海洋性氣候影響，氣溫和濕度變化相對較為穩(wěn)定，感熱通量和潛熱通量的變化幅度相對較小。而1號冰川受大陸性氣候影響，氣溫和風速變化較為劇烈，感熱通量和潛熱通量的變化也更為明顯。在夏季，1號冰川表面與大氣之間的溫度差較大，感熱通量增加，促進了冰川的消融；而在冬季，氣溫較低，感熱通量減小，冰川消融減緩。在物質平衡特征上，哥倫比亞冰川和阿萊奇冰川的物質平衡狀況與1號冰川存在顯著差異。哥倫比亞冰川由于降水豐富，固態(tài)降水較多，冰川物質積累量大，物質平衡相對較高。阿萊奇冰川雖然降水相對較少，但由于其海拔較高，氣溫較低，冰川消融相對較慢，物質平衡也相對穩(wěn)定。相比之下，1號冰川位于干旱半干旱地區(qū)，降水較少，固態(tài)降水不足，冰川物質損失較為顯著，物質平衡呈現較大的負值。不同冰川的物質平衡年際變化也存在差異。哥倫比亞冰川和阿萊奇冰川的物質平衡年際變化相對較為穩(wěn)定，這與它們所處地區(qū)的氣候穩(wěn)定性以及冰川自身的特征有關。而1號冰川受全球氣候變化和區(qū)域氣候波動的影響較大，物質平衡年際變化較為明顯，在過去幾十年中呈現出總體虧損的趨勢。通過與國外類似冰川的對比研究發(fā)現，烏魯木齊河源1號冰川在能量通量和物質平衡特征上具有獨特性，這主要是由其所處的地理位置、大氣環(huán)流、氣候條件以及冰川自身特征等多種因素共同作用的結果。這些差異不僅反映了不同冰川對氣候變化的響應差異，也為深入理解冰川變化的機制和規(guī)律提供了重要的參考依據，有助于在全球尺度上更好地評估冰川變化對生態(tài)環(huán)境和水資源的影響。七、結論與展望7.1研究主要結論本研究利用COSIMA模型，基于烏魯木齊河源1號冰川的相關觀測數據，開展了冰川能量-物質平衡模擬研究，得出以下主要結論：能量-物質平衡模擬結果：成功運用COSIMA模型對1號冰川進行模擬，模擬結果與實測數據具有較高的一致性，相關系數達0.96，驗證了模型在該區(qū)域的適用性。在消融期，1號冰川表面能量收支中，凈短波輻射（148.18W/m2）、長波輻射（241.84W/m2）及感熱通量（10.08W/m2）是主要能量收入項，反射的長波輻射（-283.11W/m2）、潛熱通量（-5.93W/m2）及地熱通量（-3.41W/m2）是主要能量支出項，物質平衡值為-0.77mw.e.，表面消融（-0.73mw.e.）和固態(tài)降水（0.19mw.e.）主導著冰川物質損失。能量-物質平衡特征及關系：1號冰川能量平衡各分量和物質平衡各分量在不同時間尺度（日、季節(jié)、年）和空間尺度（不同海拔、區(qū)域）上呈現出明顯的變化特征。能量收支與物質平衡之間存在緊密聯系，凈短波輻射、感熱通量與表面消融顯著正相關，相關系數分別達到0.85和0.68，長波輻射與物質平衡關系復雜，受氣候條件影響。不同季節(jié)，能量-物質平衡關系也存在差異，消融期能量主要用于消融，積累期固態(tài)降水影響物質平衡。影響因素分析結論：氣象因素中，氣溫是影響1號冰川物質損失的主導氣象因子，氣溫升高會導致冰川消融加劇，物質平衡向虧損方向發(fā)展；降水和輻射也對冰川能量-物質平衡有重要影響，但相對氣溫而言，影響程度較弱。地形因素方面，海拔、坡度和坡向通過影響太陽輻射分布、氣溫、降水等，對冰川能量-物質平衡產生顯著影響；冰川自身特征，如面積和厚度，也與能量-物質平衡密切相關，冰川面積退縮和厚度變化會改變冰川與外界的能量交換和物質交換，進而影響物質平衡。對比研究結論：與國內其他大陸型冰川（如羌塘1號冰川、扎當冰川）以及國外類似冰川（如哥倫比亞冰川、阿萊奇冰川）對比發(fā)現，1號冰川在能量通量和物質平衡特征上存在獨特性。1號冰川凈短波輻射通量低于羌塘1號冰川和扎當冰川，物質損失較為顯著，再凍結和固態(tài)降水顯著小于這兩條冰川，與國外冰川相比，能量通量和物質平衡也存在明顯差異，這些差異主要是由地理位置、大氣環(huán)流、氣候條件以及冰川自身特征等多種因素共同作用的結果。7.2研究的創(chuàng)新點與不足本研究在烏魯木齊河源1號冰川能量-物質平衡模擬研究方面取得了一定的創(chuàng)新成果，但也存在一些不足之處，具體如下：7.2.1