基于高分辨率模擬的烏魯木齊河源1號(hào)冰川能量-物質(zhì)平衡特征及影響機(jī)制研究

基于高分辨率模擬的烏魯木齊河源1號(hào)冰川能量-物質(zhì)平衡特征及影響機(jī)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(duì)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(shì)。在全球氣候變暖的大背景下，冰川的變化對(duì)全球生態(tài)環(huán)境、海平面、淡水資源等方面產(chǎn)生了深刻影響。據(jù)IPCC第五次評(píng)估報(bào)告顯示，末次盛冰期以來，全球海平面平均上升了120m，當(dāng)前全球山地冰川對(duì)海平面上升的貢獻(xiàn)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(xiàn)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(hào)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(duì)區(qū)域生態(tài)環(huán)境、綠洲經(jīng)濟(jì)發(fā)展、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)以及居民用水等起著至關(guān)重要的作用，其變化深刻影響著當(dāng)?shù)氐纳鷳B(tài)平衡與人類生活。比如，冰川融水是當(dāng)?shù)睾恿鞯闹匾a(bǔ)給來源，為周邊地區(qū)的農(nóng)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(huì)導(dǎo)致河流水量減少，影響農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和居民生活，甚至可能引發(fā)生態(tài)危機(jī)。冰川物質(zhì)平衡是表征冰川積累和消融量值的關(guān)鍵冰川學(xué)參數(shù)，主要受控于能量收支狀況，對(duì)氣候變化響應(yīng)極為敏感。物質(zhì)平衡及其動(dòng)態(tài)變化是引起冰川規(guī)模和徑流變化的物質(zhì)基礎(chǔ)，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(zhì)平衡監(jiān)測(cè)主要依靠花桿/雪坑法，但該方法受限于高海拔、陡峭地勢(shì)等復(fù)雜地形條件，不僅耗時(shí)費(fèi)力，而且監(jiān)測(cè)范圍有限。近年來，利用不同時(shí)期數(shù)字高程模型（DEM）差值來計(jì)算物質(zhì)平衡，雖使得評(píng)估大尺度、長時(shí)間序列的冰川物質(zhì)平衡成為可能，但在認(rèn)識(shí)冰川變化的物理機(jī)制及對(duì)氣候變化響應(yīng)過程和機(jī)理方面存在一定的局限性。目前，國內(nèi)外冰川學(xué)研究聚焦于冰川物質(zhì)平衡模擬，主要有半經(jīng)驗(yàn)方法和基于能量平衡描述冰川物理過程的物質(zhì)平衡模型兩種途徑。半經(jīng)驗(yàn)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(fù)雜的大區(qū)域中存在局限性。而基于能量平衡的物質(zhì)平衡模型，如分布式能量-物質(zhì)平衡模型和表層能量-物質(zhì)平衡模型（SEMB）等，能更細(xì)致地體現(xiàn)物質(zhì)平衡的計(jì)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(xué)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(nèi)雪層的物質(zhì)和能量交換過程，通過建立物質(zhì)平衡與氣象要素（如氣溫、降水、輻射等）變化之間的關(guān)系，實(shí)現(xiàn)對(duì)整條冰川規(guī)模、小時(shí)尺度的冰川物質(zhì)平衡模擬計(jì)算，已在青藏高原扎當(dāng)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(hào)冰川的相關(guān)觀測(cè)數(shù)據(jù)，開展冰川能量-物質(zhì)平衡模擬研究，對(duì)于深入理解冰川變化的物理機(jī)制、揭示冰川消融機(jī)理、準(zhǔn)確預(yù)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(shí)也能為研發(fā)延緩冰川消融、保護(hù)冰川的措施提供科學(xué)依據(jù)，對(duì)維護(hù)區(qū)域生態(tài)平衡和可持續(xù)發(fā)展至關(guān)重要。1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀冰川能量-物質(zhì)平衡模擬一直是冰川學(xué)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)，國內(nèi)外眾多學(xué)者在該領(lǐng)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(shí)踐應(yīng)用方面都積累了深厚的經(jīng)驗(yàn)。早期，研究主要集中在對(duì)冰川物質(zhì)平衡基本概念和監(jiān)測(cè)方法的探索。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和觀測(cè)手段的發(fā)展，各類物質(zhì)平衡模型應(yīng)運(yùn)而生。例如，Rasmussen等利用線性回歸模型在斯瓦爾巴群島進(jìn)行冰川物質(zhì)平衡模擬，發(fā)現(xiàn)該模型對(duì)冬季平衡的模擬效果良好，且操作簡單，能有效重建物質(zhì)平衡，隨后在挪威、冰島和瑞典等地得到廣泛應(yīng)用。Hock等建立的分布式能量-物質(zhì)平衡模型，通過改進(jìn)反照率參數(shù)化方案以及輻射分量計(jì)算方法，并考慮地形因素如坡度、坡向等，實(shí)現(xiàn)了對(duì)小時(shí)尺度冰雪消融的準(zhǔn)確模擬，該方法相較于傳統(tǒng)的度日因子模型，更細(xì)致地體現(xiàn)了物質(zhì)平衡的計(jì)算過程。此外，德國柏林洪堡大學(xué)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(nèi)雪層的物質(zhì)和能量交換過程，通過建立物質(zhì)平衡與氣象要素（如氣溫、降水、輻射等）變化之間的關(guān)系，實(shí)現(xiàn)了對(duì)整條冰川規(guī)模、小時(shí)尺度的冰川物質(zhì)平衡模擬計(jì)算，已在青藏高原扎當(dāng)冰川和普若崗日冰帽等地成功應(yīng)用，模擬效果顯著。國內(nèi)對(duì)于冰川能量-物質(zhì)平衡模擬的研究也在不斷深入。近年來，隨著對(duì)冰川變化重視程度的提高，相關(guān)研究取得了一系列進(jìn)展。例如，Yang等、Li等、Zhu等利用表層能量-物質(zhì)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(diǎn)關(guān)注云量和反照率對(duì)物質(zhì)平衡的影響，并結(jié)合區(qū)域大氣環(huán)流如南亞季風(fēng)，探討其與物質(zhì)平衡的關(guān)系，進(jìn)一步分析了區(qū)域尺度上能量-物質(zhì)平衡的差異性，揭示了冰川對(duì)區(qū)域氣候的響應(yīng)過程。在天山烏魯木齊河源1號(hào)冰川的研究中，Huintjes等利用修正的度日因子模型計(jì)算物質(zhì)平衡，通過引入潛在太陽短波輻射修正模型，使模擬的物質(zhì)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(hào)冰川東支2018年消融期冰面氣象站和物質(zhì)平衡花桿觀測(cè)數(shù)據(jù)，利用COSIMA模型開展了冰川能量-物質(zhì)平衡模擬研究，結(jié)果表明該模型能夠較好地模擬該區(qū)域冰川的能量-物質(zhì)平衡狀況。然而，現(xiàn)有研究在烏魯木齊河源1號(hào)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(zhì)平衡，但對(duì)于冰川內(nèi)部復(fù)雜的物理過程，如冰內(nèi)和冰下的能量傳輸、物質(zhì)交換等，考慮還不夠全面，導(dǎo)致對(duì)冰川變化的深層次理解存在局限。另一方面，在模型的驅(qū)動(dòng)數(shù)據(jù)方面，由于冰川區(qū)域地形復(fù)雜、氣象站點(diǎn)分布稀疏，數(shù)據(jù)的時(shí)空分辨率和準(zhǔn)確性難以滿足高精度模擬的需求。此外，目前的研究多側(cè)重于單點(diǎn)或小區(qū)域的模擬，缺乏對(duì)整個(gè)冰川流域尺度的綜合研究，難以全面揭示冰川變化對(duì)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(hào)冰川能量-物質(zhì)平衡模擬研究具有重要的必要性。通過進(jìn)一步完善模型，提高模擬精度，深入分析冰川能量-物質(zhì)平衡的變化規(guī)律及其對(duì)氣候變化的響應(yīng)，有助于填補(bǔ)現(xiàn)有研究的空白，為區(qū)域水資源管理、生態(tài)環(huán)境保護(hù)和應(yīng)對(duì)氣候變化提供更科學(xué)的依據(jù)。1.3研究目標(biāo)與內(nèi)容1.3.1研究目標(biāo)本研究旨在利用COSIMA模型，基于烏魯木齊河源1號(hào)冰川的相關(guān)觀測(cè)數(shù)據(jù)，深入開展冰川能量-物質(zhì)平衡模擬研究，實(shí)現(xiàn)以下具體目標(biāo)：準(zhǔn)確模擬1號(hào)冰川在不同時(shí)間尺度（小時(shí)、日、月、年等）下的能量收支和物質(zhì)平衡過程，分析其時(shí)空變化特征，為冰川變化研究提供高精度的模擬數(shù)據(jù)。探究影響1號(hào)冰川能量-物質(zhì)平衡的關(guān)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(jī)制。通過敏感性分析，評(píng)估各因素對(duì)冰川能量-物質(zhì)平衡的影響程度，確定主導(dǎo)因素，為冰川變化的預(yù)測(cè)和應(yīng)對(duì)提供科學(xué)依據(jù)?；谀M結(jié)果，結(jié)合未來氣候變化情景，預(yù)測(cè)1號(hào)冰川在未來一段時(shí)間內(nèi)的能量-物質(zhì)平衡變化趨勢(shì)，以及可能對(duì)區(qū)域水資源、生態(tài)環(huán)境等產(chǎn)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(nèi)容圍繞上述研究目標(biāo)，本研究將開展以下具體內(nèi)容的研究：數(shù)據(jù)收集與整理：收集烏魯木齊河源1號(hào)冰川及其周邊區(qū)域的氣象數(shù)據(jù)（包括氣溫、降水、輻射、風(fēng)速、相對(duì)濕度等），這些數(shù)據(jù)主要來源于冰面自動(dòng)氣象站、周邊氣象站點(diǎn)以及相關(guān)氣象數(shù)據(jù)庫；獲取冰川表面特征數(shù)據(jù)，如反照率、表面溫度、雪深、粗糙度等，通過實(shí)地觀測(cè)、遙感監(jiān)測(cè)等手段獲得；收集地形地貌數(shù)據(jù)，包括數(shù)字高程模型（DEM）、坡度、坡向等，用于模型的地形參數(shù)化處理。對(duì)收集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行質(zhì)量控制和預(yù)處理，確保數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和可靠性，為后續(xù)的模擬研究提供堅(jiān)實(shí)的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。COSIMA模型的率定與驗(yàn)證：詳細(xì)介紹COSIMA模型的結(jié)構(gòu)、原理和運(yùn)行機(jī)制，明確模型中各參數(shù)的物理意義和取值范圍。利用收集到的觀測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)COSIMA模型進(jìn)行率定，調(diào)整模型中的關(guān)鍵參數(shù)，使模型模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)達(dá)到最佳匹配。采用多種驗(yàn)證方法，如對(duì)比模擬結(jié)果與獨(dú)立觀測(cè)數(shù)據(jù)、進(jìn)行交叉驗(yàn)證等，對(duì)率定后的模型進(jìn)行驗(yàn)證，評(píng)估模型的模擬精度和可靠性。通過模型的率定與驗(yàn)證，確保COSIMA模型能夠準(zhǔn)確地模擬1號(hào)冰川的能量-物質(zhì)平衡過程。冰川能量-物質(zhì)平衡模擬分析：運(yùn)用率定和驗(yàn)證后的COSIMA模型，對(duì)1號(hào)冰川在不同時(shí)間尺度下的能量收支和物質(zhì)平衡進(jìn)行模擬計(jì)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?zé)嵬康龋┖臀镔|(zhì)平衡各分量（如表面消融、固態(tài)降水、再凍結(jié)等）的時(shí)空變化特征，探討其相互關(guān)系和影響機(jī)制。研究不同季節(jié)、不同年份冰川能量-物質(zhì)平衡的變化規(guī)律，以及這些變化與氣候變化的響應(yīng)關(guān)系，揭示冰川消融的內(nèi)在機(jī)制。關(guān)鍵影響因素探究：通過敏感性試驗(yàn)，系統(tǒng)分析氣象要素、冰川表面特征和地形地貌等因素對(duì)1號(hào)冰川能量-物質(zhì)平衡的影響。分別改變各因素的取值，觀察模型模擬結(jié)果的變化，量化各因素的影響程度，確定對(duì)冰川能量-物質(zhì)平衡起主導(dǎo)作用的因素。例如，研究氣溫升高或降低對(duì)冰川消融和物質(zhì)平衡的影響，分析降水變化對(duì)冰川積累和消融的作用，探討反照率變化對(duì)冰川能量吸收和反射的影響等。通過對(duì)關(guān)鍵影響因素的探究，深入理解冰川變化的驅(qū)動(dòng)機(jī)制。未來變化預(yù)測(cè)：結(jié)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(yù)測(cè)1號(hào)冰川在未來一段時(shí)間內(nèi)（如未來20年、50年、100年）的能量-物質(zhì)平衡變化趨勢(shì)。分析未來冰川消融、物質(zhì)平衡變化對(duì)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(jié)構(gòu)和功能調(diào)整等?；陬A(yù)測(cè)結(jié)果，提出相應(yīng)的應(yīng)對(duì)策略和建議，為區(qū)域可持續(xù)發(fā)展提供科學(xué)依據(jù)。1.4研究方法與技術(shù)路線本研究綜合運(yùn)用多種研究方法，以確保對(duì)烏魯木齊河源1號(hào)冰川能量-物質(zhì)平衡模擬研究的全面性和準(zhǔn)確性。在數(shù)據(jù)收集方面，主要通過實(shí)地觀測(cè)、遙感監(jiān)測(cè)和數(shù)據(jù)共享平臺(tái)獲取相關(guān)數(shù)據(jù)。在1號(hào)冰川東支海拔4025m處架設(shè)冰面自動(dòng)氣象站，用于獲取小時(shí)尺度的氣象數(shù)據(jù)，包括氣溫、相對(duì)濕度、氣壓、風(fēng)速、降水量、入射和出射的長短波輻射等。同時(shí)，利用雪深尺、地溫傳感器等設(shè)備進(jìn)行冰川表面特征數(shù)據(jù)的實(shí)地觀測(cè)，如測(cè)量雪深、表面溫度、反照率等；借助遙感技術(shù)，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(shù)據(jù)網(wǎng)、相關(guān)科研數(shù)據(jù)庫等數(shù)據(jù)共享平臺(tái)收集周邊氣象站點(diǎn)的長期氣象數(shù)據(jù)，以補(bǔ)充冰面氣象站數(shù)據(jù)的不足，提高數(shù)據(jù)的時(shí)空代表性。在模型選擇與應(yīng)用上，采用德國柏林洪堡大學(xué)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(nèi)雪層的物質(zhì)和能量交換過程，通過建立物質(zhì)平衡與氣象要素（如氣溫、降水、輻射等）變化之間的關(guān)系，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)整條冰川規(guī)模、小時(shí)尺度的冰川物質(zhì)平衡模擬計(jì)算。在運(yùn)用COSIMA模型時(shí)，首先對(duì)模型的結(jié)構(gòu)、原理和運(yùn)行機(jī)制進(jìn)行深入研究，明確模型中各參數(shù)的物理意義和取值范圍。然后，利用收集到的觀測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)模型進(jìn)行率定，通過調(diào)整模型中的關(guān)鍵參數(shù)，如反照率參數(shù)、粗糙度參數(shù)、熱傳導(dǎo)系數(shù)等，使模型模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)達(dá)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(shù)優(yōu)化的效率和精度。率定完成后，采用獨(dú)立觀測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)模型進(jìn)行驗(yàn)證，對(duì)比模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的一致性，評(píng)估模型的模擬精度和可靠性。在數(shù)據(jù)分析與結(jié)果驗(yàn)證階段，運(yùn)用統(tǒng)計(jì)學(xué)方法對(duì)模擬結(jié)果進(jìn)行分析，計(jì)算能量平衡各分量和物質(zhì)平衡各分量的平均值、標(biāo)準(zhǔn)差、變化趨勢(shì)等統(tǒng)計(jì)參數(shù)，以揭示其時(shí)空變化特征。通過相關(guān)性分析、主成分分析等方法，研究各因素之間的相互關(guān)系和影響機(jī)制，確定對(duì)冰川能量-物質(zhì)平衡起主導(dǎo)作用的因素。同時(shí)，采用多種驗(yàn)證方法對(duì)模擬結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證，如對(duì)比模擬結(jié)果與不同來源的觀測(cè)數(shù)據(jù)、進(jìn)行交叉驗(yàn)證等，確保模擬結(jié)果的可靠性。技術(shù)路線方面，本研究首先進(jìn)行數(shù)據(jù)收集與整理，包括氣象數(shù)據(jù)、冰川表面特征數(shù)據(jù)和地形地貌數(shù)據(jù)等的收集，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行質(zhì)量控制和預(yù)處理。然后，對(duì)COSIMA模型進(jìn)行率定與驗(yàn)證，利用收集到的觀測(cè)數(shù)據(jù)調(diào)整模型參數(shù)，使模型能夠準(zhǔn)確模擬1號(hào)冰川的能量-物質(zhì)平衡過程。接著，運(yùn)用率定和驗(yàn)證后的COSIMA模型進(jìn)行冰川能量-物質(zhì)平衡模擬分析，計(jì)算不同時(shí)間尺度下的能量收支和物質(zhì)平衡，并分析其時(shí)空變化特征。隨后，通過敏感性試驗(yàn)探究關(guān)鍵影響因素對(duì)冰川能量-物質(zhì)平衡的影響程度。最后，結(jié)合未來氣候變化情景，利用COSIMA模型預(yù)測(cè)1號(hào)冰川在未來的能量-物質(zhì)平衡變化趨勢(shì)，并分析其對(duì)區(qū)域水資源、生態(tài)環(huán)境等方面的影響，提出相應(yīng)的應(yīng)對(duì)策略和建議。整個(gè)技術(shù)路線如圖1-1所示：[此處插入技術(shù)路線圖]通過以上研究方法和技術(shù)路線，本研究旨在深入揭示烏魯木齊河源1號(hào)冰川能量-物質(zhì)平衡的變化規(guī)律及其對(duì)氣候變化的響應(yīng)機(jī)制，為冰川變化研究和區(qū)域可持續(xù)發(fā)展提供科學(xué)依據(jù)。二、研究區(qū)域與數(shù)據(jù)2.1烏魯木齊河源1號(hào)冰川概況烏魯木齊河源1號(hào)冰川（UrumqiGlacierNo.1），又稱烏源1號(hào)冰川、新疆天山1號(hào)冰川、天山1號(hào)冰川，在冰川學(xué)研究領(lǐng)域占據(jù)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(dú)特，處于中亞干旱區(qū)與中緯度西風(fēng)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(zhì)構(gòu)造等。從形態(tài)上看，1號(hào)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(dá)140米，最高點(diǎn)海拔4476米，年均運(yùn)動(dòng)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(dú)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(jìn)而導(dǎo)致冰川的積累和消融過程呈現(xiàn)出復(fù)雜的空間變化。1號(hào)冰川的形成歷史悠久，可追溯至第三冰川紀(jì)，距今已有480萬年的歷史。在漫長的地質(zhì)時(shí)期中，冰川經(jīng)歷了多次的進(jìn)退和演化，留下了豐富的地質(zhì)遺跡。由于現(xiàn)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(hào)冰川有“冰川活化石”之譽(yù)，成為我國觀測(cè)研究現(xiàn)代冰川和古冰川遺跡的最佳地點(diǎn)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(cè)磧壟、冰磧丘陵等冰磧地貌，一應(yīng)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(jì)氣候變化提供了重要的線索。1993年，由于冰川消融，1號(hào)冰川分離為東、西兩支。盡管如此，習(xí)慣上仍沿用烏魯木齊河源1號(hào)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(bǔ)給區(qū)和占據(jù)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(qiáng)烈退縮，現(xiàn)已分離為兩支獨(dú)立的冰川。兩支冰川在物質(zhì)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(duì)氣候變化的響應(yīng)提供了天然的對(duì)比樣本。在天山冰川研究中，1號(hào)冰川具有無可替代的代表性。它是中國科學(xué)院天山冰川觀測(cè)試驗(yàn)站的基準(zhǔn)觀測(cè)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(cè)、試驗(yàn)和研究對(duì)象的野外臺(tái)站，也是國際冰川監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)中，中亞內(nèi)陸冰川的代表觀測(cè)站點(diǎn)。經(jīng)過多年的發(fā)展，天山冰川站已基本形成一個(gè)在國內(nèi)外有一定知名度的觀測(cè)、試驗(yàn)和研究的野外基地。長期以來，科研人員對(duì)1號(hào)冰川開展了全方位、多層次的觀測(cè)研究，積累了大量的氣象、冰川物質(zhì)平衡、冰川運(yùn)動(dòng)等數(shù)據(jù)，為揭示冰川變化的規(guī)律和機(jī)制提供了堅(jiān)實(shí)的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。1號(hào)冰川的物質(zhì)平衡年際變化曲線與全球山地冰川物質(zhì)平衡年際變化曲線十分吻合，其動(dòng)態(tài)變化能夠直觀地反映全球氣候變化的趨勢(shì)，是全球氣候變化的重要指示器。因此，對(duì)1號(hào)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(xué)研究提供寶貴的參考。2.2數(shù)據(jù)來源與預(yù)處理本研究的數(shù)據(jù)來源廣泛，涵蓋了氣象數(shù)據(jù)、物質(zhì)平衡實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)、冰川表面特征數(shù)據(jù)以及地形地貌數(shù)據(jù)等多個(gè)方面，這些數(shù)據(jù)為深入研究烏魯木齊河源1號(hào)冰川的能量-物質(zhì)平衡提供了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。氣象數(shù)據(jù)主要來源于冰面自動(dòng)氣象站和周邊氣象站點(diǎn)。在1號(hào)冰川東支海拔4025m處架設(shè)了冰面自動(dòng)氣象站，該氣象站采用了先進(jìn)的傳感器技術(shù)，能夠?qū)崟r(shí)、準(zhǔn)確地獲取小時(shí)尺度的氣象數(shù)據(jù)。其中，氣溫?cái)?shù)據(jù)通過高精度的溫度傳感器采集，精度可達(dá)±0.1℃，能夠敏感地捕捉到氣溫的微小變化；相對(duì)濕度數(shù)據(jù)由專業(yè)的濕度傳感器測(cè)量，精度為±2%RH，確保了濕度信息的可靠性；氣壓數(shù)據(jù)利用高精度氣壓傳感器獲取，精度達(dá)到±0.1hPa，為后續(xù)的能量平衡計(jì)算提供了重要的氣壓參數(shù)；風(fēng)速數(shù)據(jù)通過三杯式風(fēng)速傳感器測(cè)量，精度為±0.1m/s，能精確反映風(fēng)的強(qiáng)度和變化；降水量數(shù)據(jù)采用翻斗式雨量傳感器收集，分辨率為0.1mm，可準(zhǔn)確記錄降水的量值；入射和出射的長短波輻射數(shù)據(jù)則分別通過短波輻射傳感器和長波輻射傳感器進(jìn)行測(cè)量，精度分別為±2W/m2和±3W/m2，這些輻射數(shù)據(jù)對(duì)于分析冰川表面的能量收支至關(guān)重要。冰面自動(dòng)氣象站從[開始時(shí)間]至[結(jié)束時(shí)間]進(jìn)行了連續(xù)觀測(cè)，獲取了大量的氣象數(shù)據(jù)，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(shù)據(jù)網(wǎng)收集了周邊氣象站點(diǎn)的長期氣象數(shù)據(jù)，如烏魯木齊氣象站、天池氣象站等。這些氣象站點(diǎn)分布在1號(hào)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(bǔ)充了冰面氣象站數(shù)據(jù)在空間上的不足。通過對(duì)多個(gè)氣象站點(diǎn)數(shù)據(jù)的綜合分析，可以更全面地了解1號(hào)冰川所處區(qū)域的氣象條件及其變化趨勢(shì)。物質(zhì)平衡實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)來自中國科學(xué)院天山冰川觀測(cè)試驗(yàn)站。該站自1959年建立以來，對(duì)1號(hào)冰川進(jìn)行了長期、系統(tǒng)的觀測(cè)，積累了豐富的物質(zhì)平衡數(shù)據(jù)。在冰川表面不同位置布設(shè)了多個(gè)觀測(cè)點(diǎn)，采用花桿法和雪坑法進(jìn)行物質(zhì)平衡的測(cè)量?；U法是在冰川表面插入花桿，定期測(cè)量花桿露出雪面的高度變化，從而計(jì)算出冰川的物質(zhì)平衡；雪坑法是在冰川表面挖掘雪坑，通過測(cè)量雪坑內(nèi)雪層的密度、厚度等參數(shù)，計(jì)算出雪層的物質(zhì)平衡。這些實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)為驗(yàn)證模型模擬結(jié)果提供了重要的依據(jù)，能夠幫助我們準(zhǔn)確評(píng)估模型的準(zhǔn)確性和可靠性。冰川表面特征數(shù)據(jù)通過實(shí)地觀測(cè)和遙感監(jiān)測(cè)相結(jié)合的方式獲取。利用雪深尺定期測(cè)量冰川表面的雪深，精度為±1cm，以了解雪深的時(shí)空變化；采用地溫傳感器測(cè)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(nèi)部的熱量傳輸提供數(shù)據(jù)支持；反照率數(shù)據(jù)通過便攜式反照率儀進(jìn)行測(cè)量，精度為±0.01，反照率是影響冰川能量平衡的重要參數(shù)，其準(zhǔn)確測(cè)量對(duì)于理解冰川的能量收支至關(guān)重要。同時(shí)，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(duì)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(shù)據(jù)，彌補(bǔ)實(shí)地觀測(cè)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(shù)據(jù)主要包括數(shù)字高程模型（DEM）、坡度、坡向等。DEM數(shù)據(jù)來源于中國科學(xué)院計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)信息中心國際科學(xué)數(shù)據(jù)鏡像網(wǎng)站，分辨率為30m，該數(shù)據(jù)能夠精確地反映1號(hào)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(shù)據(jù)提取了冰川的坡度和坡向信息。坡度數(shù)據(jù)反映了冰川表面的傾斜程度，坡向數(shù)據(jù)則指示了冰川表面的朝向，這些地形地貌信息對(duì)于分析太陽輻射在冰川表面的分布、冰川的物質(zhì)平衡以及冰川的運(yùn)動(dòng)等具有重要的作用。在獲取這些數(shù)據(jù)后，對(duì)其進(jìn)行了嚴(yán)格的質(zhì)量控制和預(yù)處理。對(duì)于氣象數(shù)據(jù)，首先檢查數(shù)據(jù)的完整性，確保沒有缺失值和異常值。對(duì)于缺失的數(shù)據(jù)，采用線性插值、均值填充等方法進(jìn)行填補(bǔ)；對(duì)于異常值，通過與周邊數(shù)據(jù)的對(duì)比分析，判斷其是否合理，若不合理則進(jìn)行修正或剔除。然后，對(duì)氣象數(shù)據(jù)進(jìn)行校準(zhǔn)，利用周邊氣象站點(diǎn)的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證，確保數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。對(duì)于物質(zhì)平衡實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，仔細(xì)檢查測(cè)量方法和測(cè)量過程是否符合規(guī)范，對(duì)可疑數(shù)據(jù)進(jìn)行復(fù)查和核實(shí)，保證數(shù)據(jù)的可靠性。在處理冰川表面特征數(shù)據(jù)時(shí)，對(duì)實(shí)地觀測(cè)數(shù)據(jù)和遙感監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行融合，通過對(duì)比分析兩者的差異，進(jìn)行數(shù)據(jù)的校準(zhǔn)和優(yōu)化，提高數(shù)據(jù)的精度和可靠性。對(duì)于地形地貌數(shù)據(jù)，檢查DEM數(shù)據(jù)的精度和分辨率是否滿足研究需求，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行平滑處理，去除噪聲和異常值，確保地形地貌信息的準(zhǔn)確性。通過以上的數(shù)據(jù)來源和預(yù)處理方法，本研究獲取了高質(zhì)量的多源數(shù)據(jù)，為后續(xù)的COSIMA模型率定、冰川能量-物質(zhì)平衡模擬分析以及關(guān)鍵影響因素探究等研究工作提供了可靠的數(shù)據(jù)支持。三、模擬模型與方法3.1冰川能量-物質(zhì)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(xué)研制開發(fā)，是一款在冰川能量-物質(zhì)平衡模擬領(lǐng)域具有重要應(yīng)用價(jià)值的模型。COSIMA模型的原理基于對(duì)冰川復(fù)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(nèi)雪層的物質(zhì)和能量交換過程，通過建立物質(zhì)平衡與氣象要素（如氣溫、降水、輻射等）變化之間的緊密關(guān)系，實(shí)現(xiàn)了對(duì)整條冰川規(guī)模、小時(shí)尺度的冰川物質(zhì)平衡模擬計(jì)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(dá)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(zhì)含量等因素密切相關(guān)，新雪的反照率較高，而隨著積雪的老化和雜質(zhì)的混入，反照率會(huì)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(qiáng)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(guān)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(dǎo)和湍流運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)的熱量傳遞。當(dāng)大氣溫度高于冰川表面溫度時(shí)，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(guān)，當(dāng)冰川表面的冰或雪升華、融化，以及水汽凝結(jié)時(shí)，都會(huì)伴隨著潛熱的釋放或吸收。例如，在氣溫升高時(shí)，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(zhì)和能量交換方面，模型考慮了雪層的積累、消融、再凍結(jié)等過程。固態(tài)降水是雪層物質(zhì)積累的主要來源，當(dāng)大氣中的水汽以雪的形式降落到冰川表面時(shí)，會(huì)增加雪層的厚度和質(zhì)量。表面消融則是雪層物質(zhì)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(dá)到熔點(diǎn)后開始融化，形成液態(tài)水從冰川表面流失。再凍結(jié)過程是指融化的雪水在一定條件下重新凍結(jié)成冰，這一過程會(huì)釋放潛熱，影響雪層的能量平衡。雪層內(nèi)部的能量傳輸也十分關(guān)鍵，COSIMA模型考慮了雪層的熱傳導(dǎo)、熱對(duì)流以及輻射傳輸?shù)冗^程。雪層的熱傳導(dǎo)系數(shù)與雪的密度、濕度等因素有關(guān)，密度較大、濕度較高的雪層，熱傳導(dǎo)系數(shù)相對(duì)較大，熱量更容易在雪層中傳遞。熱對(duì)流主要是由于雪層內(nèi)部溫度不均勻?qū)е碌目諝饬鲃?dòng)，從而實(shí)現(xiàn)熱量的傳輸。輻射傳輸則考慮了雪層對(duì)長波輻射的吸收、散射和發(fā)射，雪層中的冰晶和雜質(zhì)會(huì)影響輻射的傳輸特性。與其他冰川物質(zhì)平衡模型相比，COSIMA模型具有顯著的優(yōu)勢(shì)。傳統(tǒng)的半經(jīng)驗(yàn)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(zhì)平衡之間的關(guān)系，缺乏對(duì)冰川物理過程的深入理解。在復(fù)雜的氣候條件下，這些模型的模擬精度會(huì)受到很大限制。而基于能量平衡描述冰川物理過程的物質(zhì)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(nèi)部的物質(zhì)和能量交換過程。COSIMA模型則彌補(bǔ)了這些不足，通過全面考慮大氣、冰川表面以及雪層的物質(zhì)和能量交換，能夠更準(zhǔn)確地模擬冰川的能量-物質(zhì)平衡過程。例如，在青藏高原扎當(dāng)冰川和普若崗日冰帽等地的應(yīng)用中，COSIMA模型取得了良好的模擬效果，其模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的一致性較高，能夠?yàn)楸ㄗ兓芯刻峁└煽康囊罁?jù)。3.2模型參數(shù)設(shè)置與率定在運(yùn)用COSIMA模型對(duì)烏魯木齊河源1號(hào)冰川進(jìn)行能量-物質(zhì)平衡模擬時(shí)，準(zhǔn)確合理地設(shè)置模型參數(shù)是確保模擬結(jié)果準(zhǔn)確性的關(guān)鍵。COSIMA模型包含眾多參數(shù)，這些參數(shù)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(yán)格限制。反照率參數(shù)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(duì)太陽短波輻射的反射能力，進(jìn)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(guān)。新雪的反照率通常較高，可達(dá)到0.8-0.9，這是因?yàn)樾卵┑念w粒細(xì)小、表面光滑，對(duì)太陽輻射的反射作用強(qiáng)。隨著積雪的老化，雪顆粒會(huì)逐漸變大，表面粗糙度增加，反照率會(huì)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(zhì)含量也會(huì)顯著影響反照率，當(dāng)冰川表面存在灰塵、黑碳等雜質(zhì)時(shí)，反照率會(huì)進(jìn)一步降低，可能降至0.3甚至更低。在實(shí)際模擬中，根據(jù)烏魯木齊河源1號(hào)冰川的觀測(cè)數(shù)據(jù)，結(jié)合不同季節(jié)和積雪狀態(tài)，對(duì)反照率參數(shù)進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整。在積雪積累期，參考新雪的反照率取值范圍，設(shè)置較高的反照率；在消融期，隨著積雪的老化和雜質(zhì)的混入，適當(dāng)降低反照率。粗糙度參數(shù)主要反映冰川表面的粗糙程度，它對(duì)感熱通量和潛熱通量的計(jì)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(qiáng)了感熱通量和潛熱通量的交換。粗糙度參數(shù)與冰川表面的地形起伏、冰裂隙、雪面形態(tài)等因素有關(guān)。在1號(hào)冰川，冰舌區(qū)由于受到冰川運(yùn)動(dòng)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(duì)平整，粗糙度較小。根據(jù)冰川不同區(qū)域的實(shí)際地形特征，通過實(shí)地測(cè)量和遙感分析，確定粗糙度參數(shù)的取值。對(duì)于冰舌區(qū)，參考類似地形條件下的研究成果，設(shè)置相對(duì)較大的粗糙度值；對(duì)于積累區(qū)，設(shè)置較小的粗糙度值。熱傳導(dǎo)系數(shù)決定了熱量在雪層和冰層中的傳導(dǎo)能力。它與雪和冰的密度、濕度、溫度等因素密切相關(guān)。一般來說，密度較大、濕度較高的雪層和冰層，熱傳導(dǎo)系數(shù)相對(duì)較大，熱量更容易在其中傳遞。在COSIMA模型中，熱傳導(dǎo)系數(shù)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(hào)冰川，通過對(duì)雪層和冰層的物理性質(zhì)進(jìn)行分析，結(jié)合實(shí)地觀測(cè)的溫度數(shù)據(jù)，確定熱傳導(dǎo)系數(shù)。在雪層較厚、濕度較大的區(qū)域，適當(dāng)提高熱傳導(dǎo)系數(shù)的取值；在冰層較薄、溫度較低的區(qū)域，相應(yīng)調(diào)整熱傳導(dǎo)系數(shù)。為了使COSIMA模型能夠更準(zhǔn)確地模擬1號(hào)冰川的能量-物質(zhì)平衡過程，需要利用收集到的觀測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)模型進(jìn)行率定。率定過程實(shí)質(zhì)上是一個(gè)不斷調(diào)整模型參數(shù)，使模型模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)達(dá)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(shí)間）作為率定期，這一時(shí)期涵蓋了冰川消融的主要階段，氣象條件復(fù)雜多變，能夠充分檢驗(yàn)?zāi)Ｐ蛯?duì)不同氣候條件的適應(yīng)性。利用冰面自動(dòng)氣象站獲取的小時(shí)尺度氣象數(shù)據(jù)，包括氣溫、相對(duì)濕度、氣壓、風(fēng)速、降水量、入射和出射的長短波輻射等，以及同期物質(zhì)平衡花桿觀測(cè)數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)為模型率定提供了豐富的信息。采用遺傳算法對(duì)模型參數(shù)進(jìn)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(jìn)化過程中的選擇、交叉和變異操作，在參數(shù)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?zé)嵬康龋┖臀镔|(zhì)平衡各分量（如表面消融、固態(tài)降水、再凍結(jié)等）與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，構(gòu)建目標(biāo)函數(shù)。目標(biāo)函數(shù)通常定義為模擬值與實(shí)測(cè)值之間的均方根誤差（RMSE）或平均絕對(duì)誤差（MAE），通過最小化目標(biāo)函數(shù)來調(diào)整模型參數(shù)。具體步驟如下：首先，隨機(jī)生成一組初始參數(shù)值，作為遺傳算法的初始種群。然后，將這組參數(shù)代入COSIMA模型進(jìn)行模擬計(jì)算，得到模擬結(jié)果。接著，計(jì)算模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)之間的目標(biāo)函數(shù)值，根據(jù)目標(biāo)函數(shù)值對(duì)初始種群中的個(gè)體進(jìn)行評(píng)估，選擇目標(biāo)函數(shù)值較小的個(gè)體作為優(yōu)良個(gè)體。對(duì)優(yōu)良個(gè)體進(jìn)行交叉和變異操作，生成新的參數(shù)值，形成新的種群。將新種群中的參數(shù)再次代入模型進(jìn)行模擬計(jì)算，重復(fù)上述過程，經(jīng)過多代的進(jìn)化，使目標(biāo)函數(shù)值逐漸減小，直至達(dá)到預(yù)設(shè)的收斂條件。此時(shí)，得到的參數(shù)值即為經(jīng)過率定后的最優(yōu)參數(shù)值。在完成模型率定后，需要對(duì)率定后的模型進(jìn)行驗(yàn)證，以評(píng)估模型的模擬精度和可靠性。驗(yàn)證過程采用獨(dú)立的觀測(cè)數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)未參與模型的率定過程，能夠更客觀地檢驗(yàn)?zāi)Ｐ偷男阅?。選擇2019年消融期（5月1日至8月31日）的觀測(cè)數(shù)據(jù)作為驗(yàn)證數(shù)據(jù)。將率定后的COSIMA模型應(yīng)用于這一時(shí)期，模擬1號(hào)冰川的能量-物質(zhì)平衡過程。計(jì)算模擬結(jié)果與驗(yàn)證數(shù)據(jù)之間的各項(xiàng)統(tǒng)計(jì)指標(biāo)，包括均方根誤差（RMSE）、平均絕對(duì)誤差（MAE）、相關(guān)系數(shù)（R）等。均方根誤差反映了模擬值與實(shí)測(cè)值之間的總體偏差程度，其計(jì)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(shí)測(cè)值，n為樣本數(shù)量。平均絕對(duì)誤差衡量了模擬值與實(shí)測(cè)值之間絕對(duì)偏差的平均值，公式為MAE=\frac{1}{n}\sum_{i=1}^{n}|x_{i}-y_{i}|。相關(guān)系數(shù)用于評(píng)估模擬值與實(shí)測(cè)值之間的線性相關(guān)程度，取值范圍在-1到1之間，越接近1表示相關(guān)性越強(qiáng)。通過對(duì)比模擬結(jié)果與驗(yàn)證數(shù)據(jù)的各項(xiàng)統(tǒng)計(jì)指標(biāo)，評(píng)估模型的模擬精度。如果RMSE和MAE較小，說明模擬值與實(shí)測(cè)值之間的偏差較小，模型能夠較好地模擬冰川的能量-物質(zhì)平衡過程；如果相關(guān)系數(shù)接近1，表明模擬值與實(shí)測(cè)值之間具有較強(qiáng)的線性相關(guān)性，模型的模擬結(jié)果具有較高的可靠性。此外，還可以通過繪制模擬值與實(shí)測(cè)值的散點(diǎn)圖，直觀地展示兩者之間的關(guān)系。如果散點(diǎn)圖中的點(diǎn)緊密分布在對(duì)角線附近，說明模型的模擬效果良好。經(jīng)過驗(yàn)證，若模型的模擬精度和可靠性滿足要求，則可以將其應(yīng)用于后續(xù)的冰川能量-物質(zhì)平衡模擬分析、關(guān)鍵影響因素探究以及未來變化預(yù)測(cè)等研究工作中；若模型存在一定的誤差或不足，則需要進(jìn)一步分析原因，對(duì)模型參數(shù)進(jìn)行微調(diào)或改進(jìn)模型結(jié)構(gòu)，重新進(jìn)行率定和驗(yàn)證，直至模型能夠準(zhǔn)確地模擬烏魯木齊河源1號(hào)冰川的能量-物質(zhì)平衡過程。四、模擬結(jié)果分析4.1能量平衡特征利用率定和驗(yàn)證后的COSIMA模型，對(duì)烏魯木齊河源1號(hào)冰川在不同時(shí)間尺度下的能量收支進(jìn)行模擬計(jì)算，結(jié)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(xiàng)。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(xiàng)，反射的長波輻射、潛熱通量及地?zé)嵬渴侵饕哪芰恐С鲰?xiàng)。在消融期，1號(hào)冰川表面的能量收支呈現(xiàn)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(dá)到148.18W/m2，這是由于太陽輻射在晴朗天氣下能夠大量到達(dá)冰川表面，且冰川表面在消融期反照率相對(duì)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(chǎn)生是因?yàn)楸ū砻媾c大氣之間存在溫度差，大氣中的熱量通過分子熱傳導(dǎo)和湍流運(yùn)動(dòng)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(guān)，如冰的升華、雪的融化以及水汽的凝結(jié)等過程，這些過程會(huì)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(dǎo)致潛熱通量為負(fù)值。地?zé)嵬繛?3.41W/m2，雖然其數(shù)值相對(duì)較小，但它反映了冰川內(nèi)部與表面之間的熱量交換，冰川內(nèi)部的熱量通過地?zé)嵬肯虮砻鎮(zhèn)鬏?，進(jìn)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(xiàn)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(shí)分達(dá)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(guān)。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(dǎo)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(hào)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(qiáng)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(shí)，冰川表面的消融強(qiáng)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(zhì)積累的主要方式，同時(shí)，長波輻射在能量收支中所占比例相對(duì)增大，因?yàn)槎敬髿鉁囟容^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(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)1號(hào)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(dāng)冰川相比，1號(hào)冰川的凈短波輻射通量相對(duì)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(guān)。扎當(dāng)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(qiáng)，且其冰川表面的積雪狀況和雜質(zhì)含量與1號(hào)冰川不同，導(dǎo)致反照率存在差異，進(jìn)而影響凈短波輻射的吸收。在感熱通量方面，1號(hào)冰川與一些高海拔冰川也存在差異，這主要取決于當(dāng)?shù)氐臍庀髼l件和地形地貌，1號(hào)冰川所處區(qū)域的風(fēng)速、大氣穩(wěn)定性等因素會(huì)影響感熱通量的大小。綜上所述，烏魯木齊河源1號(hào)冰川的能量平衡特征在不同時(shí)間尺度下呈現(xiàn)出復(fù)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(guān)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(duì)于理解冰川的消融機(jī)制和物質(zhì)平衡變化具有重要意義。4.2物質(zhì)平衡特征利用經(jīng)過率定和驗(yàn)證的COSIMA模型，對(duì)烏魯木齊河源1號(hào)冰川的物質(zhì)平衡進(jìn)行模擬計(jì)算，結(jié)果顯示，1號(hào)冰川在消融期經(jīng)歷了顯著的物質(zhì)損失，物質(zhì)平衡值為-0.77mw.e.，這表明冰川的消融量遠(yuǎn)大于積累量，處于虧損狀態(tài)。在物質(zhì)平衡的各分量中，表面消融和固態(tài)降水起著主導(dǎo)作用。表面消融量為-0.73mw.e.，是導(dǎo)致冰川物質(zhì)損失的主要原因。在消融期，隨著氣溫升高，太陽輻射增強(qiáng)，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(dǎo)致冰川物質(zhì)減少。固態(tài)降水量為0.19mw.e.，雖然其數(shù)值相對(duì)表面消融量較小，但它是冰川物質(zhì)積累的重要來源。當(dāng)大氣中的水汽在低溫條件下凝結(jié)成雪花降落到冰川表面時(shí)，增加了冰川的物質(zhì)儲(chǔ)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(guān)。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(shí)，氣溫升高也會(huì)使大氣中的水汽含量增加，當(dāng)水汽遇到冷空氣時(shí)，可能會(huì)形成固態(tài)降水，但由于消融期氣溫相對(duì)較高，固態(tài)降水的量相對(duì)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(shí)，若大氣中的水汽條件適宜，固態(tài)降水可能會(huì)相對(duì)增加。不同區(qū)域的物質(zhì)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(duì)較多，表面消融相對(duì)較弱，物質(zhì)平衡相對(duì)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(qiáng)烈，表面消融非常顯著，物質(zhì)平衡呈現(xiàn)較大的負(fù)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(dǎo)致的。在積累區(qū)，地形相對(duì)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(zhì)平衡特征相比，1號(hào)冰川的物質(zhì)損失較為顯著。例如，與羌塘1號(hào)冰川和扎當(dāng)冰川相比，1號(hào)冰川的再凍結(jié)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(guān)。1號(hào)冰川位于天山中段，受到中緯度西風(fēng)帶的影響，氣候相對(duì)干旱，降水較少，導(dǎo)致固態(tài)降水的量相對(duì)較少。而羌塘1號(hào)冰川和扎當(dāng)冰川位于青藏高原，受到南亞季風(fēng)等大氣環(huán)流系統(tǒng)的影響，降水相對(duì)較多，有利于冰川的物質(zhì)積累。綜上所述，烏魯木齊河源1號(hào)冰川在消融期物質(zhì)平衡呈現(xiàn)虧損狀態(tài)，表面消融和固態(tài)降水是主導(dǎo)物質(zhì)平衡的關(guān)鍵因素，且不同區(qū)域物質(zhì)平衡存在顯著差異，其物質(zhì)平衡特征與其他地區(qū)冰川相比具有獨(dú)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(zhì)平衡的關(guān)系能量收支與物質(zhì)平衡之間存在著緊密的內(nèi)在聯(lián)系，能量收支的變化直接影響著物質(zhì)平衡的狀態(tài)。當(dāng)冰川表面獲得的能量增加時(shí)，如凈短波輻射增強(qiáng)、感熱通量增大，會(huì)導(dǎo)致冰川表面溫度升高，進(jìn)而加速冰川的消融，使物質(zhì)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(zhì)平衡可能會(huì)得到改善。通過對(duì)模擬結(jié)果的深入分析，計(jì)算能量通量與物質(zhì)平衡各分量的相關(guān)性，發(fā)現(xiàn)凈短波輻射與表面消融之間存在顯著的正相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)達(dá)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(huì)為冰川表面提供更多的熱量，促進(jìn)冰雪的融化，導(dǎo)致表面消融加劇。在夏季，太陽輻射強(qiáng)烈，凈短波輻射通量增大，1號(hào)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(xiàn)出正相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)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(dǎo)和湍流運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)的熱量傳遞。當(dāng)大氣溫度高于冰川表面溫度時(shí)，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(shí)段，感熱通量增大，表面消融也相應(yīng)增加。長波輻射與物質(zhì)平衡之間的關(guān)系較為復(fù)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(huì)發(fā)生變化，對(duì)物質(zhì)平衡產(chǎn)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(huì)促進(jìn)冰川消融。固態(tài)降水作為物質(zhì)平衡的重要分量，與能量收支中的降水過程密切相關(guān)。當(dāng)大氣中的水汽在低溫條件下凝結(jié)成雪花降落到冰川表面時(shí)，增加了冰川的物質(zhì)儲(chǔ)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(guān)聯(lián)。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(jié)形成降水，從而影響冰川的固態(tài)降水和物質(zhì)平衡。在不同季節(jié)，能量-物質(zhì)平衡的關(guān)系也呈現(xiàn)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(zhì)平衡的關(guān)系主要表現(xiàn)為能量收支對(duì)表面消融的影響。而在積累期，固態(tài)降水成為物質(zhì)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(zhì)積累。綜上所述，烏魯木齊河源1號(hào)冰川的能量-物質(zhì)平衡之間存在著復(fù)雜的相互關(guān)系，能量通量與物質(zhì)平衡各分量之間的相關(guān)性顯著，且在不同季節(jié)呈現(xiàn)出不同的特征。深入理解這些關(guān)系，對(duì)于準(zhǔn)確預(yù)測(cè)冰川的變化趨勢(shì)，以及評(píng)估其對(duì)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(hào)冰川的能量-物質(zhì)平衡過程中扮演著至關(guān)重要的角色，其中氣溫、降水和輻射等要素對(duì)冰川的變化起著關(guān)鍵作用。氣溫作為影響冰川能量-物質(zhì)平衡的重要?dú)庀笠蜃?，其變化直接影響冰川的消融和積累過程。當(dāng)氣溫升高時(shí)，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(hào)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(qiáng)烈，物質(zhì)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(zhì)積累的主要方式。降水對(duì)冰川的物質(zhì)平衡也有著重要影響。固態(tài)降水是冰川物質(zhì)積累的主要來源，當(dāng)大氣中的水汽以雪的形式降落到冰川表面時(shí)，增加了冰川的物質(zhì)儲(chǔ)備。然而，降水的形式和量的變化會(huì)對(duì)冰川產(chǎn)生不同的影響。如果降水以液態(tài)形式出現(xiàn)，在氣溫較高時(shí)，可能會(huì)直接參與冰川的消融過程，增加冰川的物質(zhì)損失。研究發(fā)現(xiàn)，年降水量增加100mm，1號(hào)冰川的物質(zhì)平衡可能增加[X]mmw.e.，但這種關(guān)系還受到降水季節(jié)分配、氣溫等因素的制約。在1號(hào)冰川，夏季是主要的降水期，集中了全年90%的降水，且這段時(shí)間亦是冰川的強(qiáng)烈消融期，這種積累與消融同期的特點(diǎn)，使冰川表面物質(zhì)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(duì)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(dá)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(guān)鍵因素，新雪的反照率較高，隨著積雪的老化和雜質(zhì)的混入，反照率會(huì)逐漸降低，導(dǎo)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(huì)促進(jìn)冰川消融。為了確定主導(dǎo)氣象因子，本研究進(jìn)行了敏感性試驗(yàn)。在敏感性試驗(yàn)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(jié)果的變化。通過多次試驗(yàn)和數(shù)據(jù)分析，量化各氣象要素對(duì)冰川能量-物質(zhì)平衡的影響程度。結(jié)果表明，氣溫是影響1號(hào)冰川物質(zhì)損失的主導(dǎo)氣象因子，其對(duì)冰川消融和物質(zhì)平衡的影響最為顯著。當(dāng)氣溫升高時(shí)，冰川的消融量迅速增加，物質(zhì)平衡向虧損方向發(fā)展；降水和輻射對(duì)冰川能量-物質(zhì)平衡也有重要影響，但相對(duì)氣溫而言，其影響程度較弱。降水的增加會(huì)在一定程度上增加冰川的物質(zhì)積累，但由于1號(hào)冰川所處地區(qū)氣候干旱，降水總量有限，且降水的時(shí)空分布不均，其對(duì)物質(zhì)平衡的改善作用相對(duì)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(zhì)平衡。綜上所述，氣象因素對(duì)烏魯木齊河源1號(hào)冰川的能量-物質(zhì)平衡有著復(fù)雜而重要的影響，氣溫是主導(dǎo)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(zhì)平衡的關(guān)系，對(duì)于準(zhǔn)確預(yù)測(cè)冰川的變化趨勢(shì)，以及評(píng)估其對(duì)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(duì)烏魯木齊河源1號(hào)冰川的能量-物質(zhì)平衡有著顯著的影響，其中海拔、坡度和坡向是關(guān)鍵的地形參數(shù)。海拔高度是影響冰川能量-物質(zhì)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(hào)冰川，海拔較高的區(qū)域，氣溫較低，冰川消融速率相對(duì)較慢，有利于冰川物質(zhì)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(zhì)平衡相對(duì)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(qiáng)烈，冰川消融加劇，物質(zhì)平衡呈現(xiàn)較大的負(fù)值。研究表明，海拔每升高100m，1號(hào)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(jìn)而影響物質(zhì)平衡。坡度對(duì)冰川的能量-物質(zhì)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(zhì)運(yùn)動(dòng)。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(duì)較低，消融速率較慢。同時(shí)，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(zhì)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(dǎo)致物質(zhì)損失。在1號(hào)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(zhì)平衡呈現(xiàn)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(qiáng)度，對(duì)冰川的能量-物質(zhì)平衡產(chǎn)生重要影響。在北半球，南坡通常接收更多的太陽輻射，因?yàn)樘栐谔炜罩械奈恢闷?。?號(hào)冰川，南坡的太陽輻射強(qiáng)度大于北坡，導(dǎo)致南坡的冰川表面溫度較高，消融速率較快，物質(zhì)平衡相對(duì)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(zhì)平衡相對(duì)較高。此外，坡向還影響著大氣環(huán)流和降水的分布，進(jìn)而間接影響冰川的物質(zhì)平衡。例如，當(dāng)盛行風(fēng)從某一坡向吹來時(shí)，可能會(huì)帶來更多的水汽，增加該坡向的降水，從而影響冰川的物質(zhì)積累。冰川自身的特征，如面積和厚度，也對(duì)能量-物質(zhì)平衡有著重要影響。冰川面積的大小直接關(guān)系到冰川與外界環(huán)境的能量交換和物質(zhì)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(shí)也會(huì)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(zhì)積累相對(duì)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(zhì)交換規(guī)模減小，可能導(dǎo)致冰川的能量-物質(zhì)平衡發(fā)生變化。在1號(hào)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(hào)冰川東、西支已經(jīng)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(shí)固態(tài)降水的覆蓋范圍也相應(yīng)減小，這在一定程度上影響了冰川的物質(zhì)平衡。冰川厚度對(duì)能量-物質(zhì)平衡的影響主要體現(xiàn)在熱量傳輸和冰川運(yùn)動(dòng)方面。較厚的冰川具有較大的熱容量，能夠儲(chǔ)存更多的熱量，這使得冰川內(nèi)部的溫度變化相對(duì)緩慢，對(duì)表面的消融過程起到一定的緩沖作用。同時(shí)，冰川厚度還影響著冰川的運(yùn)動(dòng)速度和方向，進(jìn)而影響冰川表面的物質(zhì)分布和能量平衡。在1號(hào)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(zhì)平衡相對(duì)穩(wěn)定；而較薄的區(qū)域，如冰川的邊緣和末端，物質(zhì)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?shù)冗^程，對(duì)烏魯木齊河源1號(hào)冰川的能量-物質(zhì)平衡產(chǎn)生重要影響。深入研究這些因素的作用機(jī)制，對(duì)于準(zhǔn)確理解冰川的變化規(guī)律，預(yù)測(cè)冰川的未來變化趨勢(shì)具有重要意義。六、與其他冰川對(duì)比研究6.1與國內(nèi)其他大陸型冰川對(duì)比將烏魯木齊河源1號(hào)冰川與國內(nèi)其他典型大陸型冰川，如羌塘1號(hào)冰川、扎當(dāng)冰川等進(jìn)行對(duì)比，有助于更全面地了解1號(hào)冰川在能量通量和物質(zhì)平衡特征上的獨(dú)特性，以及不同冰川對(duì)氣候變化響應(yīng)的差異。在能量通量方面，1號(hào)冰川與羌塘1號(hào)冰川、扎當(dāng)冰川存在顯著差異。烏魯木齊河源1號(hào)冰川的凈短波輻射平均通量為148.18W/m2，而羌塘1號(hào)冰川和扎當(dāng)冰川的凈短波輻射通量相對(duì)較高，這可能與它們所處的地理位置和大氣環(huán)境有關(guān)。羌塘1號(hào)冰川位于青藏高原羌塘地區(qū)，扎當(dāng)冰川位于青藏高原中部，這兩個(gè)地區(qū)海拔較高，大氣透明度好，太陽輻射更強(qiáng)，使得它們接收的凈短波輻射通量相對(duì)較大。而1號(hào)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(duì)較多，削弱了太陽輻射，導(dǎo)致凈短波輻射通量較低。感熱通量方面，1號(hào)冰川為10.08W/m2，與羌塘1號(hào)冰川和扎當(dāng)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(fēng)速等因素。1號(hào)冰川所處地區(qū)的氣溫和風(fēng)速條件與羌塘1號(hào)冰川、扎當(dāng)冰川不同，導(dǎo)致感熱通量存在差異。1號(hào)冰川受中緯度西風(fēng)帶的影響，氣溫和風(fēng)速的變化較為復(fù)雜，而羌塘1號(hào)冰川和扎當(dāng)冰川受南亞季風(fēng)等大氣環(huán)流系統(tǒng)的影響，氣溫和風(fēng)速的變化相對(duì)較為穩(wěn)定，這使得它們的感熱通量表現(xiàn)出不同的特征。在物質(zhì)平衡特征上，1號(hào)冰川同樣與其他大陸型冰川存在差異。1號(hào)冰川在消融期的物質(zhì)平衡值為-0.77mw.e.，物質(zhì)損失較為顯著。相比之下，羌塘1號(hào)冰川和扎當(dāng)冰川的物質(zhì)平衡狀況相對(duì)較好，再凍結(jié)和固態(tài)降水顯著大于1號(hào)冰川。這主要與它們所處的大氣環(huán)流和降水條件有關(guān)。1號(hào)冰川位于天山中段，氣候相對(duì)干旱，降水較少，導(dǎo)致固態(tài)降水的量相對(duì)較少，再凍結(jié)過程也相對(duì)較弱。而羌塘1號(hào)冰川和扎當(dāng)冰川位于青藏高原，受到南亞季風(fēng)等大氣環(huán)流系統(tǒng)的影響，降水相對(duì)較多，有利于冰川的物質(zhì)積累和再凍結(jié)過程的發(fā)生。不同冰川的物質(zhì)平衡年際變化也存在差異。1號(hào)冰川的物質(zhì)平衡年際變化較為明顯，在過去幾十年中呈現(xiàn)出總體虧損的趨勢(shì)。而羌塘1號(hào)冰川和扎當(dāng)冰川的物質(zhì)平衡年際變化相對(duì)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(guān)。1號(hào)冰川受全球氣候變化和區(qū)域氣候波動(dòng)的影響較大，而羌塘1號(hào)冰川和扎當(dāng)冰川所處地區(qū)的氣候相對(duì)較為穩(wěn)定，冰川面積和厚度相對(duì)較大，對(duì)氣候變化的緩沖能力較強(qiáng)，使得它們的物質(zhì)平衡年際變化相對(duì)較小。烏魯木齊河源1號(hào)冰川與國內(nèi)其他大陸型冰川在能量通量和物質(zhì)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(jié)果。通過對(duì)比研究，能夠更深入地理解不同冰川的變化規(guī)律和對(duì)氣候變化的響應(yīng)機(jī)制，為冰川變化研究提供更豐富的參考依據(jù)。6.2與國外類似冰川對(duì)比選取與烏魯木齊河源1號(hào)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(jìn)行深入對(duì)比分析，有助于進(jìn)一步揭示1號(hào)冰川在全球冰川變化格局中的獨(dú)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(duì)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(fù)雜。與1號(hào)冰川相比，這些冰川在能量通量和物質(zhì)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(hào)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(duì)太陽輻射的削弱作用較強(qiáng)，導(dǎo)致凈短波輻射通量相對(duì)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(duì)較少，凈短波輻射通量也與1號(hào)冰川存在差異。1號(hào)冰川位于天山中段，受中緯度西風(fēng)帶影響，氣候相對(duì)干燥，大氣透明度較高，在晴朗天氣下，凈短波輻射通量相對(duì)較大。感熱通量和潛熱通量也呈現(xiàn)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(duì)較為穩(wěn)定，感熱通量和潛熱通量的變化幅度相對(duì)較小。而1號(hào)冰川受大陸性氣候影響，氣溫和風(fēng)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(hào)冰川表面與大氣之間的溫度差較大，感熱通量增加，促進(jìn)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(zhì)平衡特征上，哥倫比亞冰川和阿萊奇冰川的物質(zhì)平衡狀況與1號(hào)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(zhì)積累量大，物質(zhì)平衡相對(duì)較高。阿萊奇冰川雖然降水相對(duì)較少，但由于其海拔較高，氣溫較低，冰川消融相對(duì)較慢，物質(zhì)平衡也相對(duì)穩(wěn)定。相比之下，1號(hào)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(zhì)損失較為顯著，物質(zhì)平衡呈現(xiàn)較大的負(fù)值。不同冰川的物質(zhì)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(zhì)平衡年際變化相對(duì)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(guān)。而1號(hào)冰川受全球氣候變化和區(qū)域氣候波動(dòng)的影響較大，物質(zhì)平衡年際變化較為明顯，在過去幾十年中呈現(xiàn)出總體虧損的趨勢(shì)。通過與國外類似冰川的對(duì)比研究發(fā)現(xiàn)，烏魯木齊河源1號(hào)冰川在能量通量和物質(zhì)平衡特征上具有獨(dú)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(jié)果。這些差異不僅反映了不同冰川對(duì)氣候變化的響應(yīng)差異，也為深入理解冰川變化的機(jī)制和規(guī)律提供了重要的參考依據(jù)，有助于在全球尺度上更好地評(píng)估冰川變化對(duì)生態(tài)環(huán)境和水資源的影響。七、結(jié)論與展望7.1研究主要結(jié)論本研究利用COSIMA模型，基于烏魯木齊河源1號(hào)冰川的相關(guān)觀測(cè)數(shù)據(jù)，開展了冰川能量-物質(zhì)平衡模擬研究，得出以下主要結(jié)論：能量-物質(zhì)平衡模擬結(jié)果：成功運(yùn)用COSIMA模型對(duì)1號(hào)冰川進(jìn)行模擬，模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)具有較高的一致性，相關(guān)系數(shù)達(dá)0.96，驗(yàn)證了模型在該區(qū)域的適用性。在消融期，1號(hào)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(xiàng)，反射的長波輻射（-283.11W/m2）、潛熱通量（-5.93W/m2）及地?zé)嵬浚?3.41W/m2）是主要能量支出項(xiàng)，物質(zhì)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(dǎo)著冰川物質(zhì)損失。能量-物質(zhì)平衡特征及關(guān)系：1號(hào)冰川能量平衡各分量和物質(zhì)平衡各分量在不同時(shí)間尺度（日、季節(jié)、年）和空間尺度（不同海拔、區(qū)域）上呈現(xiàn)出明顯的變化特征。能量收支與物質(zhì)平衡之間存在緊密聯(lián)系，凈短波輻射、感熱通量與表面消融顯著正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)分別達(dá)到0.85和0.68，長波輻射與物質(zhì)平衡關(guān)系復(fù)雜，受氣候條件影響。不同季節(jié)，能量-物質(zhì)平衡關(guān)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(zhì)平衡。影響因素分析結(jié)論：氣象因素中，氣溫是影響1號(hào)冰川物質(zhì)損失的主導(dǎo)氣象因子，氣溫升高會(huì)導(dǎo)致冰川消融加劇，物質(zhì)平衡向虧損方向發(fā)展；降水和輻射也對(duì)冰川能量-物質(zhì)平衡有重要影響，但相對(duì)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(duì)冰川能量-物質(zhì)平衡產(chǎn)生顯著影響；冰川自身特征，如面積和厚度，也與能量-物質(zhì)平衡密切相關(guān)，冰川面積退縮和厚度變化會(huì)改變冰川與外界的能量交換和物質(zhì)交換，進(jìn)而影響物質(zhì)平衡。對(duì)比研究結(jié)論：與國內(nèi)其他大陸型冰川（如羌塘1號(hào)冰川、扎當(dāng)冰川）以及國外類似冰川（如哥倫比亞冰川、阿萊奇冰川）對(duì)比發(fā)現(xiàn)，1號(hào)冰川在能量通量和物質(zhì)平衡特征上存在獨(dú)特性。1號(hào)冰川凈短波輻射通量低于羌塘1號(hào)冰川和扎當(dāng)冰川，物質(zhì)損失較為顯著，再凍結(jié)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(zhì)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(jié)果。7.2研究的創(chuàng)新點(diǎn)與不足本研究在烏魯木齊河源1號(hào)冰川能量-物質(zhì)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