祁连山不同类型降水对冰面消融的影响研究

Precipitation type is one of the primary factors which control ice surface mass -energy processes, and induce enormous surface ablation difference in ablation season. Under the background of climate warming, shift from snowfall to rainfall induces more sensible heat from rainfall and decrease surface albedo. However, there is less observation and research work in rainfall related surface ablation. In addition, with poor precision of precipitation type and albedo parameterizations on surface of glacier, the precision and credibility of mass and energy processes simulation results are questionable. Based the observation equipment in Qilian alpine ecology and hydrology research station, key laboratory of ecohydrology of inland river basin, cold and arid regions environmental and engineering research institute, Chinese academy of sciences, we select the Bayi glacier and Shiyi glacier as study areas. Through historical meteorological data, precipitation type data, mass balance data and lone-term systemic observation of snow, ice properties and precipitation types, we intend to establish parameterization methods includes precipitation type, rainfall temperature and albedo. Based on mass-energy balance model and the established parameterization methods, we intend to analysis the effect of different precipitation types on glacier melt processes, and find the energy items change when snowfall transfer to rainfall. We attempt to provide the basic data and parametric methods for the study of glacier variation and glacier hydrological processes in China.

不同类型降水对冰川表面物质和能量平衡及消融过程的影响具有很大的差异，随着气候变暖，雨雪比增大、祁连山多数冰川夏季积累区消失，降雨加热冰面和降低冰面反照率加剧冰面消融，但缺乏系统的观测与研究。同时，冰面降水类型观测缺乏导致现有相关模型中降水类型、反照率等参数化方法精度不高，降低了冰面模拟精度和可靠性。本项目拟依托中科院寒旱所黑河上游站，选取祁连山八一冰川和十一冰川作为研究对象，在已有的冰面气象、降水类型和物质平衡观测数据基础上，结合人工和自动雪/冰表面特性及冰川降水特征参数的观测，优选改进冰面不同类型降水参数化方法，找出雨温的代用指标，分别建立考虑不同类型降水影响下冰面积雪覆盖区和裸冰区的反照率参数化方法，利用物质能量平衡模型模拟分析不同类型降水对冰面消融的影响，探讨消融季降雪向降雨转化可能导致的能量输入组份变化，为冰川变化及冰川水文过程研究提供基础数据和可能的参数化方法。

不同类型降水对冰面消融的观测研究表明：当冰面为裸冰时，降雨导致冰面粗糙度降低，冰面污化物出露并富集于表面，裸冰反照率可降低到0.07-0.16。导致近90%的短波被冰面吸收，加速了冰面消融。当冰面积雪覆盖时，降雨可使得积雪含水量增加，有效雪粒径增大，同时降雨导致雪面差异化消融，增加了雪面的糙度，综合两种因素可造成雪面反照率降低20%-40%。降雪导致冰面粗糙度降低，污化物隐藏在积雪之下，反照率急剧增加至0.8以上。.利用4D摄影测量技术获取冰面三维高程地形数据，并采样分析冰面污化物含量。统计分析裸冰表面污化物（CLAI），有效污化物含量（Cξ）与反照率之间的关系。裸冰冰面污化物分布呈现三种状态：第一是污化物均匀分布在冰面，此时冰面非常平整，污化物降低反照率效率达到最高，观测反照率为0.1左右；其次是冰面分布有大量污化眼，污化物藏匿于污化眼中，此时的冰面污化物由于冰面结构的遮挡，导致冰面反照率增加到0.17-0.3；第三种是冰面存在大的地形起伏，污化物分布较为集中，且分布很不均匀，导致冰面反照率异质性较高。总体而言，反照率在裸冰表面整体受污化物和粗糙度的控制。据此依据裸冰和雪面两种覆盖类型，建立了基于冰面粗糙度和污化物含量的冰面反照率模型。结果表明，裸冰表面污化物与反照率之间的相关系数为0.59，而考虑粗糙度的有效污化物含量与反照率之间的统计关系则为0.79。考虑粗糙度后的有效污化物含量与冰面反照率模型相比传统参数化方法在精度方面有明显改善。.结合观测气象数据和冰面能量平衡模型计算了2018至2020年八一冰川消融的主要驱动因素。结果表明：短波辐射是八一冰川冰雪消融的主要能量来源，平均值达到95.3W/m2，站到所有输入能量的84%。感热为次要的能量输入，平均值为25.1w/m2。降雨直接带来的感热则很小，仅为0.32 W/m2，站到所有输入能量的0.2%。冰面消融为能量的首要耗散项，占到冰面的98%。 潜热为次要的能量耗散项，平均值为-13.2w/m2，占到0.9%的能量输入。