中国山地冰川雪冰演化：乌鲁木齐冰川的季节变化差异

依据采样期间降水量的变化特征，可将一年划分为干季（10月1日到次年3月31日）和湿季（4月1日到9月30日）。为保证主成分分析结果可靠有效，需保证每个季节有相同的样品数。据此可将研究期间划分为3个干季和3个湿季。同期气象数据显示，在干季，日平均气温为-15.7℃，平均降水量仅有46 mm，而湿季，平均气温为-2.5℃，降水量为447 mm。

主成分分析可用于分析表层雪中各化学成分的来源。该方法利用降维（线性变换）的方法，在信息损失较少的前提下把多个指标转化为几个综合指标（主成分），用综合指标来解释多变量的方差-协方差结构，即每个主成分都是原始变量的线性组合，且各个主成分之间互不相关，使得主成分比原始变量具有某些更优越的性能。通过主成分分析和特征值比对的方法研究雪坑中化学离子的浓度变化特征。一方面可以清晰地对影响雪坑离子浓度变化的主要成分进行归纳总结，另一方面可以对影响这种变化的气候环境因素进行较好的相关分析。在进行主成分分析前，需对离子浓度数据进行对数转换和标准化处理。

对2003年10月至2006年9月每个季节的雪坑主要化学离子（Cl-、、、Na+、K+、Ca2+、Mg2+和），即8个变量，进行主成分分析。结果显示，在湿季，第一主成分可解释70%以上的方差，第二主成分和第三主成分则分别可解释5%～10%和3%～8%的方差。前三个主成分可解释的累积方差为90%以上（表5.3）。第一主成分对每种离子均有较高载荷，可解释的累积方差分别为74.9%、88.6%和76.8%。对于1号冰川而言，夏季融水对离子的淋溶作用十分明显。随着融水的下渗，所有离子浓度均不同程度地发生迁移和流失。因此，推测融水是导致其浓度发生变化的主要原因。第二主成分则对Mg2+和K+显示出较高载荷，考虑可能和两者与其他离子相对独立的来源及淋溶特征有关。在干季，第一主成分可解释40%～60%的方差，前三个主成分可解释的平均累积方差仅为79%。暗示着在干季，不同化学离子受到不同的沉积后作用影响，例如升华、吹雪、粒雪化等。这些作用之间不存在明显关系，彼此相对独立。此处，仅通过主成分分析无法确定每一个成分所对应的沉积后过程。

表5.3　雪坑离子浓度主成分分析结果

雪坑中离子浓度之间的关联可能受到两个不同过程的影响：降水和沉积后过程。降水过程作为雪坑离子的主要来源，其源地、传输途径均会对不同离子间的关联产生影响。沉积后过程中不同离子的特性和冰晶的位置，均会影响离子对淋溶过程的响应顺序。为了更好地说明雪坑离子浓度的关联和迁移特征，对干季和湿季主成分1和主成分2的特征值进行比对（图5.5）。不同季节，不同种类离子的组合显示了离子在沉积和沉积后过程中的关联性。图5.5a显示，2003—2004年湿季，、Ca2+、Na+、和Cl-的主成分1和主成分2的特征值表现出明显的组合特征，其F2值在-0.5～0之间。而Mg2+和K+呈明显组合，其F2值均大于0。上述离子的特征值F1均集中在0.3～0.4之间。2003—2004年干季，各离子的特征值呈分散状，特别是和Cl-，暗示着在该季节多种沉积后过程共同影响着离子浓度的变化。2004—2005年，各离子特征值变化具有相似性。图5.5b显示，2004—2005年湿季，所有离子的特征值F1均集中在0.3～0.4之间。其中，、Ca2+、Na+、和Cl-特征值较为集中，亦说明融水作用的影响十分显著。而Mg2+、K+和则较为分散。干季（2004年10月至2005年3月），除了和Cl-相对位置发生变化外，其余离子的关联性同2003—2004年干季。这种位置变化和重新组合，反映了不同季节沉积和沉积后过程的差异。(www.xing528.com)

图5.5　主成分1（F1）和主成分2（F2）特征值的比对

改变雪坑离子浓度的过程主要有两个方面，即干、湿沉降过程和沉积后过程。其中，沉积后过程又包括吹雪、升华、粒雪化和融水渗浸等。对于大多数温冰川而言，融水导致的离子浓度的改变是最为显著的，可能会消弱其他沉积后过程对离子浓度的影响。这一点可以由湿季主成分的特征值均表现出聚合现象看出（表5.3，图5.5）。Mg2+、K+主成分特征值的分离现象可能是沉积或沉积后过程的差异导致的。早期研究表明，Mg2+是长距离传输的结果，其潜在来源是矿物粉尘，主要出现在8月频繁的降水中。雪坑中的K+被认为是局地源，主要来自当地的矿物岩石和冰碛沉积。同时，比起其他离子，Mg2+和K+在雪坑中较为稳定，两者特征值在图中的聚合状态亦可能是其不易移动的结果。

降水可以将陆地粉尘和不溶物带至冰川表面。而湿季的降水量占全年降水量的90%以上，使得各种离子的传输和沉降成为可能。在干季，消融微弱，降水亦十分稀少，雪坑中离子浓度的改变与各种沉积后过程有关。研究显示，大部分离子（除了）会通过升华作用富集在表层雪；矿物粉尘比如Mg2+、Ca2+和Na+等，易通过干沉降作用富集在冰川表面；而吹雪可能清除湍流层底部的微粒，从而导致雪层中的富集。此外，离子在雪晶体中最初的位置亦会影响离子浓度的变化。例如，Cl-被认为存在于雪晶体的中间，比起附着在雪晶体表面的离子，较难发生迁移。而较易嵌入冰格中，并在冰格中产生固相迁移。

综上所述，离子浓度的改变在湿季是十分显著的。为了探究离子的淋溶特征，我们进一步分析了湿季离子浓度的变化轨迹，并分析了不同离子之间的淋溶差异。