环境管理_秦大河《冰川与环境》

冰川与环境 秦大河 中国气象局 中国科学院寒区旱区环境与工程研究所 中国科学院研究生院教程 S070905J16 提纲第一章冰冻圈和现代冰川第二章现代冰川的形成和分类第三章第四纪冰川作用第四章地球冰川作用和冰川变化的归因 两极地区冰盖变化海冰监测和冰山统计积雪变化冻土变化北极土地利用和土地覆盖变化 北半球雪盖变化 MODIS卫星资料 冰冻圈关键地区 一 青藏高原冰川变化 积雪变化 冻土变化 重大自然灾害监测 雪灾 冰湖溃决等 三江源地区土地覆盖变化 草场退化 土地沙化 冰冻圈关键地区 二 第一章冰冻圈和现代冰川1 1 冰冻圈和现代冰川的基本概念1 2 冰冻圈与气候1 3 冰冻圈研究的意义1 4 冰川学研究简史 1 1 冰冻圈和现代冰川的基本概念 冰冻圈又称冰雪圈 英文为Cryosphere 它由在一定低温条件下固态水冰川 冰盖 积雪 海冰 河湖冰等以及地下冰掺杂的多年冻土 季节冻土等组成的特殊圈层 冰冻圈组成积雪 冰盖 冰架 冰川 海冰 河 湖冰 冻土 积雪 海冰 冻土 冰架 冰盖 冰川 冰冻圈 全部 当前 多年冰雪覆盖了全球海洋面积的7 陆地面积的10 左右 多年冻土占有陆地面积的24 季节性冰雪在1月覆盖陆地面积的15 在7月覆盖9 而季节冻土更为广泛 冰川 glacier 是寒冷地区多年降雪积聚 经过变质作用形成的自然冰体 在重力作用下有一定的运动 冰川以冰为主体 还包含有一定数量的空气 液体物质和岩屑 不同纬度冰冻圈高度变化示意 冰盖 覆盖在周围地形上的穹隆状冰川冰 面积大于350000km2 如格陵兰和南极冰盖 冰架 与陆地冰川相连但漂浮在海面上的巨厚冰体 主要通过陆地冰盖和冰川的流动获得物质补充 通过冰山断裂和融化而消减 海冰由海水冻结而成 大部分分布在极地海洋 在南北半球都具有季节性 区域性和年际的变化特征 海冰的范围在南半球从最小的2月份3 0 4 4 106km2到9月份的17 0 20 0 106km2 可相差5倍 北半球海冰面积从9月最小的7 0 9 0 106km2到3月份最大的14 0 16 0 106km2 相差仅1倍 积雪 积雪在构成冰冻圈的所有分量中覆盖的面积最大 年平均达26 106km2范围 地球上的大部分积雪分布在北半球 季节变化较大 北半球平均积雪面积从1月份的46 5 106km2到8月的3 8 106km2间变化 冻土和多年冻土 在多年平均地温在 1 的地区 连续多年冻土一般分布在多年平均地温在 7 以下的地区 北半球多年冻土面积约22 8 106km2 大约占北半球陆地面积的24 5 最大区域分布在60 N 68 N之间 最北分布到84 N的格陵兰北部 最南可分布到26 N的喜马拉雅山脉 1 2 冰冻圈与气候 冰雪圈虽是气候的产物 但一经生成 又对气候有重要的反馈作用冰冻圈是地球系统五大圈层之一古气候和古环境的重要信息库气候系统变化的灵敏的指示器通过冰雪的反射率和冰川融化起作用通过水循环影响气候 一通过冰雪的反射率和冰川融化起作用 干净冰雪的反射率 50 80 比土 10 和水 30 大得多 每年到达地面的太阳能大约有30 消耗于冰雪圈中 由于冰川融化热和水的汽化热分别是同体积液态水升高1 所需热量的80倍和539倍 因而冰雪圈在地表热量平衡中有举足轻重的作用 是地球表面与大气的天然绝缘层 导致大气层与岩石圈和水圈的相互作用减少 并通过调节海洋与大气的水汽和热量交换来影响气候模式和大气环流 冰雪下垫面的变化主要是冰盖 海冰和积雪的收缩与放大 对能量平衡为基础的气候模式有重要影响 例如青藏高原积雪异常对东亚大气环流 印度降水以及长江中下游梅雨都有相当的影响 一通过冰雪的反射率和冰川融化起作用 二通过水循环影响气候 全球变暖 冰川和冰盖融化促使海平面上升 海洋面积扩大 蒸发增加 由海洋上水汽输送到大陆 大陆降水亦相应增加 据计算 目前全球冰川的平均年消融量约3000km3 近乎全球河流水量的3倍 冰盖消融量的增减 将直接影响海平面的升降 如在2万年前的末次冰期盛时 水分集中在冰盖上 海面比现在低140米左右 现在渤海 黄海 东海等大部分转为陆地 台湾与大陆联成一片 夏季风萎缩 陆地上降水量大幅度减小 从东北到长江流域的降水可能不足现代的一半 二通过水循环影响气候 云 Sun 冻土 海洋 海冰 大气 海冰耦合 生物体 大气 冻土耦合 冻融过程地面特性 反射率 植被等变化 大气 冰雪耦合 冰川积雪 CH4CO2N2O 太阳幅射 大气 陆面耦合 面积 反射率等变化储存环境记录 水份循环 海平面海洋温度 敏感指示器 冰冻圈与气候系统 H2ON2O2CO2O3 面积 反射率等变化 冰盖 雪 冰冻圈与气候系统相互作用示意图 冰川学 数学 第四纪地质学 水文学 气象学 物理学 地貌学 自然地理学 同位素化学 交叉学科 测量学 遥测 遥感学 1 4 冰川学研究简史 冰川学研究简史中国冰川学发展的过程 近代科学意义上的冰川学孕育于18 19世纪的欧洲 始于对冰川如何运动的解释 Altman于1751年提出重力说 继而Bondier和Forbes提出黏流性说 20世纪上半期 在吸收了固体物理学和冶金学理论后 认识到冰川是结晶体 象金属晶体那样 在接近融点时的变形始冰川流动的基本性质 对冰川的系统观测 始于1830年LouisAgassiz对阿尔卑斯山一条冰川各部分的流速测量 他是第一各冰川观测站的建立者 并以丰富的观察证明第四纪大冰期的存在 经过近200年 特别是第二次世界大战后的迅速发展 冰川学以冰川物理为主体 冰川水文气候和冰川地质地貌为两翼发展着 冰川物理学研究冰的内部结构 力学 热学 电学性质和化学成分 冰力学研究冰的流变 各种天然冰体的应力分布和运动状态 冰川 雪崩 风吹雪的动力学问题以及冰的跃动等 冰热学研究天然冰体内温度变化 冰的热学和辐射性质 相组成和相态转换等 冰地球化学研究分析冰内杂质和痕量元素 氢 氧同位素和某些组成的变化 近年来深孔冰芯分析技术的发展 促进了冰川化学的突飞猛进 成为高分辨率 保真性强 重建古气候和古环境的重要手段 冰川水文和气候学研究冰川与大气相互作用 热量和物质收支 消融与产生径流过程 冰川对河流的补给作用 冰川洪水 冰川泥石流以及冰川对气候变化的响应等 冰川地质和地貌研究冰川对冰床的侵蚀 岩屑搬运和堆积过程 形态 沉积特征以及在古地理 古气候变化中的作用和对环境的指示意义等 这里有相当部分称为 第四纪冰川研究 中国冰川学的发展 如 礼记月令 称 孟冬之月 水始冰 地始冻 仲冬之月 冰富坚 地如圻 西汉时韩婴在 韩诗外传 中指出 凡草木花皆五出 雪花独六出 唐代玄奘法师去印度取经 于公元630年途径天山的木扎尔特冰川 描写为 冰雪所聚 积而为凌 春夏不解 2000年前中国古代文献 就有对冰雪的记述 但多着重于现象和形态的描述 19世纪末到20世纪初 西方国家一些地质 地理 生物学家到中国西部山区探险考察 有涉及第四纪冰川与现代冰川的报道 中国冰川学的发展 在我国 气候学 地理学的奠基人竺可桢先生较早倡导冰川学 上世纪二十年代初 他在大学教地学通论 就设专章讲冰川 20世纪50年代末 他任职中国科学院副院长时 支持在兰州设立专门的冰川冻土机构 系统开展研究 中国冰川学的发展 著名地质学家李四光先生从20世纪20年代起就致力于中国东部第四纪冰川问题的研究 提出以庐山为样本的第四纪冰川模式 形成一个学派 在国内有较大影响 著名地质学家黄汲清先生在20世纪40年代对天山南麓台兰河流域的第四纪冰川堆积进行了考察和冰期划分 并撰文介绍西方学者关于中国及毗邻地区冰川的研究情况 中国冰川学的发展 中国冰川学的发展 1958年 中国科学院在兰州建立了专门的冰川研究机构 高山冰雪利用研究队 它与有关高校以及研究所 生产部门合作 对中国西部高山冰川进行了广泛考察 并逐渐扩展研究领域至冰川学的各个方面 如组织祁连山 天山现代冰川考察和水资源利用实验 参与喜马拉雅山 包括希夏邦马峰和珠穆朗玛峰 综合科学考察 青藏公路冻土考察以及进行喀喇昆仑山冰川考察与研究等 出版了大量冰川科学考察报告 1978年以后 中国冰川学进入空前发展阶段 主要取得了以下几方面的成果 极地冰盖研究青藏高原冰芯研究冰雪灾害研究冰川编目与区域冰川考察天山冰川站和其他定位站的观测研究季节积雪研究冰雪融水资源与山区径流变化研究第四纪冰川与环境研究等等 中国冰川学的主要代表著作 经过几代人40多年的艰辛创业 协力工作 中国冰冻圈科学得到了极大的发展 发表了大量文献 各个时期的主要代表作有 祁连山现代冰川考察报告 1959年 中国现代冰川的基本特征 1964年 乌鲁木齐河冰川与水文研究 1965年 珠穆朗玛峰地区科学考察报告 1966 1968 1975年 喀喇昆仑山巴托拉冰川考察与研究 1980年 西藏冰川 1986年 中国冰川概论 1988年 中国东部第四纪冰川与环境 1989年 中国冰川水资源 1991年 中国雪崩研究 1992年 南极冰盖表层雪内的物理过程和现代气候及环境记录 1995年 高亚洲浅冰芯与气候环境变化研究 中国冰川编目 横断山冰川 1996年 中国冰川与环境 现在 过去和将来 2000年 南极冰川学 2001年 青藏高原中部冰冻圈动态特征 2002年 冰雪圈虽是气候的产物 但一经生成 又对气候有重要的反馈作用 成为气候形成的重要因子 1 3 冰冻圈研究的意义 冰冻圈与大气圈 水圈 岩石圈和生物圈共同构成地球系统五大圈层 1 3 冰冻圈研究的意义 气候系统变化的灵敏的指示器 冰川末端进退 厚度增减 面积扩缩可反映气候变化状况 1 3 冰冻圈研究的意义 冰冻圈是古气候和古环境的重要信息库 储存有很多气候与环境变化的信息 如在南极冰盖钻取的Vostok冰芯 DomeC冰芯中分别包含了地球42万年和72万年以来的气候变化信息 1 3 冰冻圈研究的意义 1 3 冰冻圈研究的意义 冰川是宝贵的淡水资源南北极冰盖是地球上最大的潜在的淡水资源 占全球总淡水量的77 相当于71m的世界海平面变化 我国的冰川冰储量约为5590km3 占亚洲冰川总量的一半多 在西北内陆流域 冰川融水量约占河川径流量的1 4 是一些绿洲农业赖以生存和发展的生命线 冰雪灾害妨碍交通 旅游的发展 危害工农业生产 如雪灾 道路风吹雪 雪崩灾害以及冰湖溃决洪水 冰川泥石流等严重影响我国西部地区的农 牧业生产和交通 通讯的安全 冰凌和海冰 冰山等对航运 海上采油等造成危害 泰坦尼克号邮轮的沉没等 1 3 冰冻圈研究的意义 第二章现代冰川的形成和分类 2 1冰川的形成2 2现代冰川的分类2 3现代冰川的分布特征2 4冰川学在全球变化研究中的作用 2 1冰川的形成 冰川是分布在陆地表面能够长期存在并具有运动特性的自然冰体 它是大气中各种形式的降水在特定地形单元内经沉降 压实 变质等过程转化成的具有运动特性的自然冰体 冰川是在一系列外部条件和内部因素长时间作用过程下形成的 其中外部条件主要包括 较低的气温 丰富的降水和一定的地形和地势 内部因素包括 粒雪化过程和成冰过程 2 1冰川的形成 2 1 1外部条件 1 较低的气温 使冰雪消融量减少以至停止2 丰富的降水 冰川形成和发育所必须的物质基础3 一定的地形和地势 对于极地地区来说 由于常年低温和固体降水量积累 这一条件要求不高 但对于山地冰川来说 地形和地势仍然是影响冰川的形成 发育 形态 规模和性质的重要条件 2 1冰川的形成 2 1 2内部因素 1 粒雪化过程新降的雪呈现为多种形态 是一种极不稳定的固体降水形态 随着时间和外界条件的变化 雪花的晶体形态和大小也逐渐改变 成为球状的晶粒 称为粒雪 这一转化过程称为粒雪化过程 粒雪化过程还可以进一步细分为以下3种变质作用 融化 冻结变质作用 凝华再结晶作用 积雪沉陷作用 2 成冰过程即粒雪变成冰川冰的过程 根据温度状况和融水参与的程度 成冰作用基本分为以下两种 重结晶成冰作用即冷而干的粒雪依靠不断增加的雪层重力而缓慢压实成冰的 压力增大使粒雪晶粒之间产生位移和变形 宏观上表现为雪 粒雪层的沉陷 在此过程中晶粒间的接触点变粗 形成的联接键使系统的总表面积减少 称为烧结 随着压力的增大 密度增加 孔隙减少 分子扩散和晶粒内部变形占主导地位 其进一步发展可使孔隙完全封闭而形成冰川冰 2 1冰川的形成 2 1 2内部因素 2 成冰过程渗浸冻结成冰作用当气温达到或超过0 C时 冰雪发生消融 融水向下渗浸 融水释放的热量部分融化了粒雪 温度降低冻结成冰 成为渗浸冻结冰 这个过程叫做渗浸冻结成冰过程 根据温度的高低和融水量的大小 即热力条件的强弱 它可以再细分为冷渗浸 重结晶 渗浸 冻结 暖渗浸 重结晶等不同的成冰过程 渗浸冻结成冰作用的雪层剖面内有冰层 冰片 冰透镜体等特征结构体 成为识别不同成冰过程形成的冰川冰的标志 2 1冰川的形成 2 1 2内部因素 2 1冰川的形成 2 1 3密实化过程 雪转变成冰的每一个过程都伴随着密度的增大 我们称为密实化过程 它是雪向冰转化过程主要特征之一的形象表述 2 1冰川的形成 2 1 3密实化过程 密实化过程可以用密度随深度变化曲线图加以说明 右图中赛特2站位于格陵兰的干雪线附近 可以代表重结晶成冰作用的密实化过程 另一地点是位于育空地区的一条温性冰川的湿雪带内 可以代表渗浸冻结成冰作用中的密实化过程 椐Paterson 1994 从图中可以看出 湿雪带内密实化速度要比干雪带内的快很多 粒雪变成冰 密度830kg m3 的深度 在上斯沃德冰川约为13m 但在赛特2站则达66m 如果考虑积累率的影响 雪变成冰的时间在上斯沃德冰川为3 5年 但在赛特2站则需要100年以上 赛特2站的密度随深度迅速增大 当到达550kg m3左右以后 变化有所减缓 在达到830kg m3以后又进一步减缓 研究表明 550kg m3为机械压密阶段转变为塑性变形和再结晶阶段的临界密度 通常称为第一临界密度 830kg m3为雪层内空隙封闭为气泡的临界密度 称为第二临界密度 若压力继续增大 随着冰内气泡不断被压缩 密度可一直增大到917kg m3 即纯冰密度 这时 原来气泡中的气体被压缩到晶格边界上且以液态存在 成为极为珍贵的古大气成分的 化石 若压力减小 气泡又可重新恢复 从冰芯中收集气泡中的气体为全球变化研究做出了重要贡献 南极冰盖雪层剖面示例 2 1冰川的形成 2 1 4冰川成冰作用带谱 现代冰川自上游源头到冰川末端冰舌 跨跃数百米乃至数千米的高度范围 其水热条件必然发生变化 因此在不同高度上冰川表面的成冰过程必然不同 即冰川表面的成冰作用按高度呈带谱状分布 典型的大陆型冰川自冰川末端到冰川顶部可以划分出消融带 附加冰带 湿雪带 渗浸带和干雪带 冰川成冰带分布图 椐Paterson 1994 1 消融带 是指平衡线以下至冰川末端之间的冰体 位于冰川下游 气温高 消融强烈 暖季冰面无积雪 为冰川消耗最严重的区域 冷季表层可形成季节性附加冰 2 附加冰带 冰的形成主要靠渗浸一冻结成冰作用 是大陆型冰川占优势的成冰作用带 下界位于平衡线附近 上界为粒雪线 附加冰对冰川有补给作用 3 湿雪带 成冰作用以融水渗浸作用为主导 主要由渗浸冰和部分附加冰组成 该带下界为粒雪线 4 渗浸带 表面仍有融水参与雪层改造 但融水不能透过一个年层的积雪 渗入雪层融水再冻结后形成冰透镜体或渗浸冰层 成冰年龄较长 5 干雪带 又称重结晶带 即使在夏季也不发生融化 因而无融水渗浸作用 成冰作用依靠雪一粒雪晶体间的物质迁移来实现 成冰时间漫长 是极地内陆地区和青藏高原极高海拔地带的主要成冰作用带 海洋型冰川上气温高 液态降水比重大 成冰带略有不同 可划分为消融带 暖渗浸带 冷渗浸带和干雪带 一般不发育附加冰带 湿雪带可视为海洋型冰川的典型成冰带 融水活动强烈 可以渗浸前几个连续年层 粒雪下部的一些水分参与冰晶的位移和变形并充填孔隙 进而冻结成冰 在我国西藏东南部及横断山部分冰川存在此成冰带 海洋型冰川上其它几个成冰带的性质与大陆型冰川相同 2 1冰川的形成 2 1 5冰川的物质平衡 各种相态的降水在冰川上的堆积 即冰川的物质收入部分称为冰川的积累 冰川的消融是指冰川上的雪 粒雪和冰川冰等由于温度上升而融化 蒸发所造成的冰川物质的支出过程 冰川上各种相态水的收入和支出之间的数量关系 即积累量和消融量的代数和 称为冰川的物质平衡 它不仅直接反映了冰川作用区的气候变化 导致冰川的进退 而且与冰川表面的热量平衡 冰体内的水文状态 成冰作用 活动层的温度状况 以及冰川运动速度等密切联系 在一个物质平衡年内 冰川上物质平衡等于0的点的连线称为物质零平衡线 简称平衡线 equilibriumline 平衡线以上为冰川积累区 以下为消融区 雪线为消融期末冰川表面上粒雪的下限 严格来说 它们之间还有一个附加冰带 但在实际工作中 常常由于附加冰带很小和雪线容易确定等原因 使用雪线来代替平衡线 2 1冰川的形成 2 1 2内部因素 大陆冰盖主要是指南极冰盖和格陵兰冰盖两大冰盖 它们占地球上冰川总面积的97 总体积的99 山地冰川主要分布在地球中 低纬度的山地上 其中亚洲山区的冰川数量最多 山地冰川由于受到发育地形的限制 在空间上表现形态各异 规模大小不等 2 2现代冰川分类 2 2 1地理分类 极地冰盖 山地冰川 2 2现代冰川分类 2 2 2物理分类 主要根据冰川的冰温状况或热力特征因素 包括引起冰温状况差异的自然地理因素进行冰川分类 按冰川热力特征可以将冰川分为以下3类 暖型冰川是指冰川整个纵剖面上都具有相应压力下的冰融点温度 冷型冰川是指冰川活动层直到底部为低于冰融点的温度所控制 过渡型冰川是指冰川表层是冷的而底部达到了相应的压力融点 2 2现代冰川分类 2 2 2物理分类 按照水热条件和物理性质可以将冰川分为以下3类 大陆型冰川具有降水量少 气温低 雪线高 消融弱和冰川温度恒为负温等特点 成冰过程以渗浸冻结作用为主 可以进一步分为极大陆型冰川和亚大陆型 海洋型冰川具有降水量多 气温高 雪线低 消融强和冰川温度处于压力融点等特点 成冰过程以暖渗浸作用为主 复合型冰川是指亚洲中部一些长度在20km以上的大型山谷冰川 它们从高山源地下降到冰川末端 往往跨越几个垂直气候带 同时具有大陆型和海洋型冰川的一些特性 2 2现代冰川分类 2 2 3形态分类 主要是指山地冰川 根据形态特征可分为山谷冰川 悬冰川 冰斗冰川 平顶冰川或冰帽 再生冰川 山麓冰川以及多年雪堆 或雏冰川 1 山谷冰川指从粒雪盆伸入谷地的长大冰舌 其长度一般应超过粒雪盆的长度 大型山谷冰川的冰舌可达数公里至数十公里 是山地冰川中发育最成熟的类型 具有山岳冰川的全部功能 为冰川研究的重点对象 主要分为以下几个亚类 1 单式山谷冰川 2 复式山谷冰川 3 树枝状山谷冰川 4 溢出山谷冰川 2 2现代冰川分类 2 2 3形态分类 1 山谷冰川 1 单式山谷冰川 为山谷冰川类型中最简单的一种 由单一长大的冰舌与粒雪盆相连 此类分布遍及青藏高原各大山系 2 2现代冰川分类 2 2 3形态分类 1 山谷冰川 2 复式山谷冰川 由两条山谷冰川汇合而成 其汇合点可能在冰舌末端也可能在冰舌中部 在两冰川汇流部位表面发育有中碛 2 2现代冰川分类 2 2 3形态分类 1 山谷冰川 3 树枝状山谷冰川 这类冰川由若干条山谷冰川汇合而成 其主干流及各支流都可能是山谷冰川 整个冰川干支流形成树枝状 2 2现代冰川分类 2 2 3形态分类 1 山谷冰川 4 溢出山谷冰川山谷冰川流出山谷口进入山前倾斜平原 冰川宽度保持或略宽于谷口原来的宽度 2 2现代冰川分类 2 2 3形态分类 2 2现代冰川分类 2 2 3形态分类 2 悬冰川多见于山脉或个别山岭的比较陡峭的斜坡上 该类冰川冰舌与粒雪盆相比极其短小 不论粒雪盆还是冰舌区都不是在山坡明显的低洼处 整个冰川就象是悬挂在山坡的陡壁上 3 冰斗冰川分布在河谷源头或谷地两侧呈凹洼围椅状的洼地内 冰斗底部比较平坦 而壁龛陡峻 性质与悬冰川相近 冰斗出口处呈坎状 称冰斗坎 大多数现代冰斗冰川多在冰斗内发育而不能下降到谷地 仅仅占据部分冰斗底部 而其主体紧靠冰斗后壁的冰川称为冰斗一悬冰川 超出冰斗范围到达山间谷地的冰川称为冰斗一山谷冰川 2 2现代冰川分类 2 2 3形态分类 冰斗悬冰川 冰斗山谷冰川 4 平顶冰川或冰帽在某些地形宽阔且相对平缓的高山区顶部发育的冰川称为平顶冰川 这类冰川向下覆地表倾斜方向运动 末端通常为陡峭的冰崖 冰面无冰碛物 某些高山顶部呈穹形突起 覆盖整个山顶的冰川则称为冰帽 如位于青藏高原西北部西昆仑山的古里雅冰帽 面积为376km2 为典型的冰帽冰川 平顶冰川 古里雅冰帽 2 2现代冰川分类 2 2 3形态分类 2 2现代冰川分类 2 2 3形态分类 5 再生冰川山坡陡岩上部的悬空冰雪 受外界因素的扰动而崩落到山体坡脚堆积而成的冰川 该种冰川与为其提供物质堆积场所的补给区相互分离 冰雪物质补给不