于辰璐

(蘭州大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院，甘肅 蘭州 730000)

中國(guó)是中低緯度山地冰川最發(fā)育的國(guó)家[1]，青藏高原地區(qū)擁有除極地冰蓋以外最大的冰川數(shù)量。然而，近50年來(lái)，中國(guó)西部82.2%的冰川處于退縮狀態(tài)[2]，青藏高原及其周?chē)貐^(qū)的冰川面積顯著減少[3]，對(duì)冰川退縮的研究和保護(hù)刻不容緩。

冰川反照率影響著冰川表面的熱量平衡，它可以從新雪中的90%下降到黑雪中的20%[4]，是控制冰雪消融速率的決定性因素。冰川反照率的變化主要取決于冰雪的物理性質(zhì)和太陽(yáng)輻射[5]，大量的黑碳?xì)馊苣z在青藏高原高空與雪花混合，并隨著降雪落在冰川上，使冰川表面變暗[6]；同時(shí)，它還能大大增強(qiáng)雪冰對(duì)太陽(yáng)輻射的吸收[7]，導(dǎo)致反照率的降低，從而加劇冰川消融[8]。

研究表明，祁連山老虎溝12號(hào)地區(qū)自1957年開(kāi)始呈現(xiàn)退縮趨勢(shì)，截至2015年其退縮面積達(dá)到1.54 km2，占到冰川總面積的7.03%[9]。孫維君等[10]統(tǒng)計(jì)了2010年～2015年消融季(6月～9月)反照率的數(shù)值，發(fā)現(xiàn)其平均數(shù)值從0.52降低到0.43。李洋等[11]在2013年～2014年采取了4300 m～4950 m海拔上92個(gè)雪冰樣本進(jìn)行分析，得出黑碳對(duì)反照率降低的貢獻(xiàn)率達(dá)到45%。

黑碳對(duì)反照率降低的貢獻(xiàn)率可以用SNICAR模型進(jìn)行定量模擬。該模型目前在青藏高原地區(qū)已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用，其性能也得到了印證[8]。SNICAR模型的模擬表明，在天山烏魯木齊河源1號(hào)冰川，積累區(qū)黑碳和粉塵對(duì)反照率降低的貢獻(xiàn)率分別為25%和7%[12]；天山西部的科其喀爾冰川中，黑碳對(duì)反照率降低的貢獻(xiàn)占到了64%，導(dǎo)致的平均輻射強(qiáng)迫可達(dá)323.18 W/m2[13]，這在青藏高原區(qū)屬于高值；在高原中部的小冬克瑪?shù)妆?，老雪和裸冰中黑碳和粉塵對(duì)反照率降低的貢獻(xiàn)分別為52%和25%，總輻射強(qiáng)迫可達(dá)97 W/m2；新雪中黑碳和粉塵對(duì)反照率降低的貢獻(xiàn)約為8%，總輻射強(qiáng)迫約為7 W/m2[14]；在藏東南地區(qū)，老雪中黑碳和粉塵對(duì)冰雪消融貢獻(xiàn)約為15%，在新雪中該值小于5%，黑碳和粉塵導(dǎo)致的輻射強(qiáng)迫分別為1.0 W/m2～141 W/m2和1.5 W/m2～120 W/m2[15]?？傮w上，在青藏高原的不同地區(qū)，黑碳對(duì)反照率的影響大于粉塵，其貢獻(xiàn)值存在明顯的空間差異，且貢獻(xiàn)程度隨雪的新舊程度呈現(xiàn)明顯的變化。

近些年來(lái)，對(duì)祁連山地區(qū)冰川退縮現(xiàn)象的研究層出不窮。然而，由于地區(qū)海拔較高、環(huán)境惡劣，人工采集的樣品數(shù)量有限，且時(shí)間的連續(xù)性較差。本文以祁連山老虎溝12號(hào)冰川為例，利用MOD10A1系列產(chǎn)品反演2001年～2019年的積雪反照率，并結(jié)合黑碳的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)以及SNICAR模型，定量分析黑碳對(duì)反照率降低的貢獻(xiàn)率。

1 研究區(qū)域概況

祁連山老虎溝12號(hào)冰川(39°26.4′N(xiāo)、96°32.5′E，冰川編目5Y448D0012)位于祁連山西段北坡，長(zhǎng)9.7 km，冰川面積20.37 km2，約占老虎溝流域的40.3%；平均厚度為101.05 m[16]，冰儲(chǔ)量為2.125 km3，達(dá)到老虎溝流域的65.8%[17]，是整個(gè)祁連山最大的復(fù)式山谷冰川。屬多溫型冰川，年平均氣溫為-11.8℃，但始終高于冰川表面溫度。降水主要受西風(fēng)影響，年降水量可達(dá)424 mm，主要集中在5月～9月，約占全年的85%[18]。研究表明，該地區(qū)氣溫呈升高趨勢(shì)[19]，老虎溝12號(hào)冰川正處于退縮狀態(tài)[20]。

圖1 老虎溝12號(hào)冰川地形圖

2 研究數(shù)據(jù)與研究方法

2.1 MODIS反照率提取

MODIS中分辨率成像光譜儀系列產(chǎn)品是美國(guó)航空航天局(NASA)陸地產(chǎn)品組研制的逐日積雪數(shù)據(jù)，采用正弦曲線投影，空間分辨率為500 m。相較于實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，MODIS數(shù)據(jù)集反演的反照率在時(shí)間上具有連續(xù)性，且精確度較高，目前使用MODIS數(shù)據(jù)反演冰川反照率在青藏高原地區(qū)已經(jīng)取得了一些進(jìn)展。徐田利等[21]等反演了2000年～2013年青藏高原中西部11條冰川的反照率變化，并分析了其時(shí)空變化特征。通過(guò)與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的對(duì)比，發(fā)現(xiàn)MODIS數(shù)據(jù)產(chǎn)品中的MOD10A1逐日反照率產(chǎn)品具有較好適用性，可以用其分析單條冰川、甚至大范圍冰川區(qū)的反照率特征[22]。

MODIS傳感器搭載于Terra和Aqua衛(wèi)星，已有研究表明，Terra衛(wèi)星對(duì)反照率的反演效果略好[23]。本文從NASA官網(wǎng)(http://www.nasa.gov/)上下載了MYD09A1和MOD10A1數(shù)據(jù)，軌道號(hào)為h26v05，時(shí)間跨度從2001年1月1日～2020年1月1日。首先利用MYD09A1產(chǎn)品在ENVI中讀取祁連山老虎溝12號(hào)冰川有效單元格的行列號(hào)，再使用Matlab提取MOD10A1數(shù)據(jù)層中反照率的像元值。各像元值的含義見(jiàn)表1。

表1 反照率像元值的含義

選取其中像元值為0～100的數(shù)據(jù)，取研究范圍內(nèi)所有有效柵格的加權(quán)平均值作為當(dāng)日的反照率數(shù)值，并采用算術(shù)平均法統(tǒng)計(jì)2001年～2019年的逐月平均反照率數(shù)值。

2.2 SNICAR模型簡(jiǎn)介

SNICAR是Flanner于2007年首先提出的集成了雪(SNow)、冰(ICe)和氣溶膠輻射(Aerosol Radiation)模塊的模式[24]，它通過(guò)雙向流輻射傳輸解決方案[25]來(lái)模擬雪冰的半球反照率。SNICAR模型的基本原理(圖2)為：將雪顆粒抽象為球體，忽略顆粒之間的散射，用米氏散射近似計(jì)算單顆雪粒的散射。

圖2 SNICAR模型原理[26]

SNICAR模式既可以對(duì)黑碳濃度變化、融水對(duì)積雪中氣溶膠的清洗作用、雪齡等因素產(chǎn)生的輻射強(qiáng)迫的不確定性進(jìn)行評(píng)估，還能與Global Climate Model模式進(jìn)行耦合，模擬積雪中的黑碳含量及其對(duì)反照率降低的貢獻(xiàn)率。進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)時(shí)，主要輸入的參數(shù)有入射輻射、太陽(yáng)天頂角、入射輻射光譜分布、雪顆粒有效半徑、雪冰厚度和密度、下墊面反照率、黑碳類(lèi)型和濃度、粉塵類(lèi)型和濃度等。

3 研究結(jié)果

3.1 2001年～2019年反照率的變化特征

老虎溝12號(hào)冰川2001年～2019年的年平均反照率(圖3)在時(shí)間上呈現(xiàn)上下浮動(dòng)變化趨勢(shì)，其波動(dòng)范圍控制在0.5848～0.6597之間，平均值為0.6231，變化率為0.0103，變化趨勢(shì)不顯著。其中平均反照率最大值出現(xiàn)在2008年，為0.6596；最小值出現(xiàn)在2018年，為0.5858。根據(jù)反照率的原始數(shù)據(jù)，反照率呈現(xiàn)出較明顯的季節(jié)相關(guān)性變化，最大值集中在每年11月～次年3月的冰雪積累季節(jié)，最小值集中出現(xiàn)在每年6月～8月等冰雪消融季節(jié)。究其原因，很有可能是因?yàn)槠钸B山老虎溝12號(hào)冰川屬于極大陸型冰川，而這一類(lèi)型冰川對(duì)氣候變化的動(dòng)力響應(yīng)相對(duì)較為遲緩[2]。

根據(jù)采購(gòu)經(jīng)理在不在現(xiàn)場(chǎng)來(lái)進(jìn)行操作流程的安排：(1)在現(xiàn)場(chǎng)，這時(shí)候可以按照職責(zé)分工來(lái)安排采購(gòu)經(jīng)理、招標(biāo)代理和評(píng)委這三個(gè)角色；(2)不在現(xiàn)場(chǎng)，這是可以根據(jù)職責(zé)分工來(lái)安排評(píng)委和招標(biāo)代理這兩個(gè)角色。必須得注意的就是這兩個(gè)計(jì)劃的工作流程都是一樣的。

將每年夏季(6月、7月、8月)的平均反照率數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)其與年平均反照率變化趨勢(shì)相似。其波動(dòng)范圍控制在0.4559～0.6260之間，平均值為0.5448。與年平均反照率相比，夏季平均反照率的上下浮動(dòng)更大，這可能是由于夏季積雪消融，使得黑碳?xì)馊苣z等吸光性雜質(zhì)沉積[27]。

3.2 黑碳對(duì)反照率的影響

3.2.1 SNICAR模型模擬結(jié)果

通過(guò)SNICAR模型進(jìn)行敏感性分析，其具體過(guò)程如下：

(1)將黑碳和粉塵的含量均設(shè)置為0，計(jì)算出沒(méi)有黑碳和粉塵影響時(shí)純雪的反照率。

(2)向模型中輸入粉塵的含量，將黑碳含量設(shè)置為0，模擬只有粉塵影響下的反照率。

(3)再向模型中輸入黑碳的數(shù)據(jù)，模擬粉塵和黑碳共同影響下的反照率。

以2016年6月4日不同海拔高度表層雪的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)為例，利用SNICAR模型分析黑碳和粉塵共同作用以及粉塵單獨(dú)作用兩種情況下的反照率數(shù)值，并得出不同波段下反照率的模擬結(jié)果，見(jiàn)圖4?？梢钥闯?，在不同海拔高度上，黑碳對(duì)冰川反照率存在相同的影響，主要表現(xiàn)為黑碳的存在使得反照率降低，且該降低趨勢(shì)在波長(zhǎng)為0.2 μm～1.0 μm(可見(jiàn)光波段和部分近紅外波段)的范圍內(nèi)更加明顯。

圖4 不同海拔處黑碳對(duì)反照率的影響

3.3.2 模擬結(jié)果的定量分析

在SNICAR模型中輸入2015年8月31日、2015年12月28日和2016年6月4日三次實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，模擬表層雪中黑碳對(duì)反照率的影響。貢獻(xiàn)率的計(jì)算公式為：

ΔαBC=αMD-αBC+MD

(1)

ΔαAll=αPure-αinstitu

(2)

(3)

式中：ΔαBC、ΔαAll分別表示黑碳和所有因素對(duì)反照率降低的絕對(duì)值，αMD、αBC+MD、αPure分別表示只存在粉塵、黑碳和粉塵同時(shí)存在、純雪時(shí)模擬的反照率數(shù)值，αinsitu表示反照率的實(shí)測(cè)數(shù)值。

由表2可知，當(dāng)雪冰中存在黑碳時(shí)，均會(huì)引起反照率的降低。通過(guò)對(duì)表層雪的數(shù)據(jù)分析可以得出，在積雪消融季節(jié)(2015年8月31日和2016年6月4日)，黑碳對(duì)反照率降低的貢獻(xiàn)率相對(duì)較低，其中2015年8月31日和2016年6月4日的平均貢獻(xiàn)率分別為15.00%和9.32%，而2015年12月28日的平均貢獻(xiàn)率為17.14%，但根據(jù)以往的研究，積雪的消融往往有利于黑碳的富集[28-29]。這可能是因?yàn)槔涎┲泻谔紝?duì)反照率降低的貢獻(xiàn)率大于新雪及雪坑[15-30]，冬季該地區(qū)積雪可能多為老雪。除此之外，冰雪積累季節(jié)黑碳對(duì)反照率降低的影響隨海拔的差異更加顯著，且平均貢獻(xiàn)值較大。

表2 表層雪中黑碳對(duì)反照率的影響

3.3.3 貢獻(xiàn)率與海拔的關(guān)系

圖5顯示了三次實(shí)驗(yàn)表層雪中黑碳對(duì)反照率的影響隨海拔的變化趨勢(shì)。在不同的時(shí)間，黑碳的貢獻(xiàn)率均呈現(xiàn)隨海拔升高而降低的趨勢(shì)，這很有可能是因?yàn)楹０胃咛幋髿庀鄬?duì)較純凈，黑碳的含量較少，且降水較多，冰雪積累使黑碳不容易富集。經(jīng)過(guò)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，在2015年12月28日的實(shí)驗(yàn)中，黑碳的貢獻(xiàn)率與海拔的關(guān)系更加顯著。

圖5 表層雪中貢獻(xiàn)率與海拔的關(guān)系

以2016年6月4日為例，對(duì)表層雪中的黑碳濃度和黑碳貢獻(xiàn)率進(jìn)行空間插值，得到結(jié)果見(jiàn)圖6?？梢钥闯觯瑑烧叽篌w上均隨海拔升高而降低，說(shuō)明黑碳濃度與黑碳貢獻(xiàn)率也呈現(xiàn)明顯的正相關(guān)關(guān)系。

圖6 黑碳濃度和黑碳貢獻(xiàn)率空間分布圖

4 結(jié)論

本文通過(guò)MODIS數(shù)據(jù)反演了祁連山老虎溝12號(hào)冰川2001年～2019年的冰川反照率，并利用SNICAR模型模擬了黑碳對(duì)反照率的影響，得出如下結(jié)論：

(1)2001年～2019年祁連山老虎溝12號(hào)冰川反照率數(shù)值在0.5848～0.6597之間，平均值為0.6231。全年平均反照率和夏季平均反照率均呈上升趨勢(shì)，夏季平均反照率的變化趨勢(shì)略明顯，但兩者的變化均不大。反照率的最低值均出現(xiàn)在每年6月～8月，與冰雪消融的季節(jié)一致。

(2)通過(guò)SNICAR模型的模擬，表層雪中黑碳的存在導(dǎo)致反照率降低，貢獻(xiàn)率隨海拔的升高而降低，且受季節(jié)的影響較大：冰雪積累季節(jié)貢獻(xiàn)率與海拔的相關(guān)性強(qiáng)，而冰雪消融季節(jié)則相對(duì)較弱。

研究數(shù)據(jù)顯示，近年來(lái)冰川反照率和黑碳濃度均呈略微上升趨勢(shì)，而冰川反照率和黑碳濃度呈現(xiàn)明顯的負(fù)相關(guān)關(guān)系，說(shuō)明存在其他影響反照率的因素，未來(lái)應(yīng)對(duì)其他相關(guān)因素的貢獻(xiàn)進(jìn)行定量評(píng)估。