冰川与环境(秦大河)1

《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）冰川冰盖冰架永久冻土海冰积雪当前，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。LarsenIceSheetBreakup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。夏冬冬夏积雪: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-雪冻土和多年冻土热量交换气体交换积雪表层能量和水平衡径流河冰和湖冰能量交换径流输送冰川/冰盖/冰架/冰山物质平衡海冰表层能量平衡，生长与融化海洋海面变化、海面温度和盐度、大洋环流大气气温、降水、辐射、环流、云陆地土地覆盖、地形、地面温度、土壤水分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