气温对淋溶过程的影响研究结果

气温对淋溶过程有良好的指示作用。如果可以建立淋溶过程与气温之间的相关关系，结合气温资料就可以更好地对淋溶过程进行评价。雪坑中离子浓度的变化决定了离子的保存和损失过程。当雪坑中离子浓度减小，说明雪层中保存的离子载量小于损失的离子载量，暗示离子正处于淋溶时期。当雪坑中离子浓度增大，说明雪层中保存的离子载量大于损失的离子载量，暗示离子处于积累时期。图5.7为2003—2006年不同离子的浓度、离子总浓度（即8种常量离子浓度的代数和）与同期日平均气温的关系。可以看出，雪坑中的离子浓度呈波动性变化，且与日平均气温具有一定的负相关关系。日平均气温较高时期，离子浓度相对较低且波动剧烈，气温较低时期，离子浓度较高且变化相对平缓。以2005年离子总浓度为例，2005年1—6月，离子浓度相对稳定，波动范围为2093～3016 μg/L，其间对应的日平均气温为-13.0℃，最高和最低气温分别为0℃和-26.2℃。随着气温升高，离子浓度急剧减小，至2005年8月中旬达到最低值985.4 μg/L，其间对应的日平均气温为0.3℃，最高和最低气温分别为6.1℃和-5.9℃。进入9月，气温下降，离子浓度回升，10月初达到2363.2 μg/L并趋于稳定（大约在2000 μg/L波动）。相似的变化在2004和2006年也均有体现。

图5.7　雪坑离子浓度（黑线）与日平均气温（灰线）的变化

不同离子的浓度变化及与日平均气温的关系表现出一定的差异性。Na+、K+和Mg2+波动的年周期性并不十分显著，与气温的负相关关系也不明显，这与其浓度值普遍较低有关。特别是Mg2+，自2004年以来并未出现较大的变化，而、Cl-、和Ca2+的年周期性波动与离子总浓度相近，高温段和离子浓度的低值段对应较好。

雪坑中离子浓度的变化主要受两个过程影响：一是以降水（湿沉降）和干沉降过程为主的沉积过程，二是以风吹雪、升华和淋溶过程为主的沉积后过程。冬季（12月—次年2月），乌鲁木齐河源1号冰川流域降水稀少，气温较低，雪坑中的离子浓度主要受吹雪、升华、干沉降等影响而发生改变，这一过程导致的离子浓度变化相对较小；春季至夏初（3—6月），气温开始回升，降水有所增加，雪坑中的离子浓度微弱上升，这可能与沙尘活动、冷锋和低压的形成及活动有关。春季，在西风上升气流的作用下，来自沙源地的大量沙尘穿过天山并逐渐向东传输。同时，大量水汽在西风影响下向东移动，使得天山东段进入一年中降水较多的季节。直至初夏，雪坑离子总浓度达到最大值。7月，气温迅速升高，雪坑出现消融现象，大量离子随融水流失，离子浓度急剧减小。进入9月，气温开始下降，淋溶过程减弱，离子浓度有所回升。

日平均气温是一日内气温的平均描述，而淋溶过程主要发生在高于0℃的气温条件下，因此，为了得到更适合表征离子浓度变化特征的气象要素，我们进一步分析了采样期间周积温、周正积温与雪坑离子浓度的关系，并对照雪层厚度进行对比研究（图5.8）。雪层厚度的变化亦受制于气温的高低，在一定程度上可以反映消融量的大小。因离子总浓度可代表大部分离子的变化特征，这里用离子总浓度进行说明。

图5.8为2003年9月—2006年9月雪坑中的离子总浓度与积温、正积温及雪层厚度的变化关系。由图可见，雪层厚度的年际变化与雪坑离子浓度的年波动相似，春季和夏季分别是雪深最大和最小的季节。然而雪深的最小值与离子浓度的最低值并没有很好地对应，两者没有十分显著的相关性，其相关系数R2仅为0.10。正积温对离子浓度的影响十分显著。当正积温持续出现非零值时，雪坑离子浓度即出现较大波动并迅速减至最小值。其后，尽管正积温依然在大于零的范围内变化，雪坑离子浓度却开始逐渐回升。积温对离子浓度的影响类同于正积温。积温的负值区对应于离子浓度的相对稳定区，积温的正值区则对应于离子浓度的快速减少区。非消融季节积温对离子浓度的影响是不存在的，表现在积温的波动变化并未引起离子浓度相应的改变。

基于离子浓度的变化特征，将雪坑离子浓度开始急剧减少至最小值的时期（6月初至8月底）定义为强烈淋溶期。该时期离子浓度变化可看作淋溶程度的指标，浓度越小说明越多的离子被融水淋溶。值得一提的是，淋溶过程可能在强烈淋溶期之前已经发生，因并未显著影响整个雪坑离子浓度的总量，在此不做重点讨论。一般来讲，在消融初期，少量融水携带化学离子向雪层下部迁移。与此同时，整个雪层温度较低，融水可能受到密度较大的雪层阻挡而再次冻结，这样的迁移过程对整个雪坑来说，没有离子的损耗。随着温度进一步升高，融水达到一定程度时，雪坑离子随着冰面径流流失，雪层中的离子浓度急剧减少。以2004年为例，强烈淋溶期初始（6月），雪坑离子总浓度为最大值（3844.3 μg/L），日平均气温、积温和正积温分别是-0.5、-3.2和1.9℃。随着温度持续上升，淋溶过程加剧，雪坑离子浓度在8月下旬降至最低值（940.1 μg/L），相应的日平均气温、积温和正积温分别升高至-0.2、-1.4和6.3℃。与此同时，雪层厚度也由247 cm减小至最小值135 cm。

图5.8　雪坑离子总浓度与积温、正积温及雪层厚度的变化

注：底部灰色面积图为雪深，折线图为雪坑离子总浓度，中部折线图为正积温，上部柱状图表示积温。

不同年份离子浓度变化及其对应的气温参数是不同的（见表5.5）。2004—2006年强烈淋溶开始于6月上中旬，结束于8月中下旬。雪坑离子浓度的变化值近似，分别为2904.2、2318和2397.6 μg/L。然而，相应的气温值略有不同，强烈淋溶期开始时日平均气温分别为-0.5、-0.6和-1.2℃，积温分别为-3.2、-4.2和-8.5℃，正积温分别为1.9、3.4和1.6℃。由此可见，不同年份强烈淋溶发生和结束的时间及气温并不完全相同。可能的原因是，本研究的采样间隔为一周，雪坑离子浓度变化应为一周内气温变化的结果，故与逐日气温的对应关系并不理想。另外，除了气温这一主要因素外，不同时期的雪层厚度、冰川冷储、降水和风速风向等气象要素都可能不同程度地引起雪坑离子浓度的改变。

表5.5　雪坑离子总浓度在最大和最小值时对应的温度参数

为了对淋溶过程进行定量化，尝试建立强烈淋溶期气温和离子浓度之间的拟合关系。研究发现，正积温与离子浓度具有较好的相关性。图5.9为2003—2007年强烈淋溶期的雪坑离子总浓度与同期正积温变化的拟合曲线，表现为指数函数的关系，拟合公式如下：

其中，yo是拟合曲线的偏移值，A代表曲线振幅，c是衰减指数。拟合函数各项参数的大小可以用于表示淋溶过程和淋溶特征：A取决于强淋溶发生时雪坑离子的总浓度初始值；c表示不同正积温影响下离子的淋溶程度。(www.xing528.com)

很明显，雪坑离子总浓度随正积温的增大表现出指数衰减的规律。这一衰减过程大致可以分为两个阶段：第一阶段，当正积温达到0℃以上时，雪坑离子浓度开始急剧减少。相关研究也表明，雪坑中大部分离子是被早期融水淋溶而流失的。这一阶段表现出的离子淋溶特点是，淋溶速度快，离子损失量大；第二阶段，随着气温的进一步升高，当正积温达到60℃左右时，雪坑离子浓度的减小趋势逐渐变缓，表现在淋溶曲线呈现出近似水平的变化，并在强烈消融期末达到最小值，暗示强淋溶过程结束。

图5.9　2003—2007年强烈消融期正积温与雪坑离子总浓度的关系

不同年份，雪坑离子浓度随正积温的变化呈现出差异性，这可能与当年的温度变化特征、雪层化学组成和冻融过程有关（Davies et al，1987；Bales et al，1990）。2003—2007年强烈淋溶期初始，雪坑离子总浓度值分别为2894、3844、3303、3322和7200 μg/L；强烈淋溶期末，离子浓度值降至最低，分别为886、940、985、925和787 μg/L，对应的正积温分别为63.9、123.8、104.3、60.3和108℃。当离子浓度达到最低值时，对应的正积温并非当年的最高值，如2003和2006年。这说明在强淋溶后期，气温的升高并未导致雪坑融水进一步增加，更加证明了离子淋溶主要发生在雪层融水产生的初期。研究推测，雪坑离子的损失量不可能无限增加，而是存在一个最低值。对于1号冰川来说，这个最低值大约在800 μg/L左右。加之8月底9月初，尽管正积温持续增加，但气温趋于降低且伴随有频繁的降水，这对离子浓度起到了一定的补偿作用。2007年较为特殊，雪层离子总浓度达到5年来的极大值，经过夏季淋溶后变为5年来的最小值，而当年的正积温并非5年来的最高值。事实上，雪坑融水的产生与和能量平衡有关的各个要素有关，而这些要素又随着雪坑条件而发生变化。比如坡度、白昼时长、温度、太阳辐射和云量等。雪坑离子浓度除了受正积温大小的影响，还与正积温的持续时间、淋溶期的冻融作用等因素有关。其作用机理有待进一步的深入分析。

表5.6　不同年份拟合曲线的参数

图5.10为2003年雪坑中主要离子（Na+、K+、Ca2+、Mg2+、、Cl-、和）浓度与正积温的关系。可见，尽管总的离子浓度在强烈消融期表现出明显的淋溶作用，但不同离子之间的差异性比较显著。从指数函数与曲线的拟合度来说，、Na+、Cl-、和Ca2+的拟合度较好，分别为0.91、0.96、0.85、0.82、0.78和0.89。上述离子均经历了强烈淋溶期初期的急剧淋溶和强烈淋溶期后期的缓慢淋溶两个阶段，暗示这几种离子的淋溶过程是相似的。而K+和Mg2+的拟合度相对较低，分别为0.41和0.24。就衰减指数（c）来说，Cl-、Na+、和有相似的c值，分别为12.7、12.7、12.1和13.1；差异较大的为K+和Mg2+，分别为49.9和-28.1。从正积温影响下的淋溶曲线来看，K+浓度随着温度的升高呈近乎直线的衰退，且浓度变化相对均一。Mg2+浓度的减少过程与其他不同，而是表现出先慢后快的特点。

图5.10　正积温与雪坑中不同离子淋溶过程的关系

研究表明，在融水或物理变形过程影响下的离子能被多大程度保存在冰晶中，取决于该离子的可溶性、离子存于冰晶中的位置等要素。很明显，、、Na+、Cl-、和Ca2+等是较容易被淋溶的。当正积温达到0℃以上时，大量离子被融水带走，表现在淋溶曲线上第一次和第二次采样间隔期间的离子浓度急剧减少。K+和Mg2+与其他离子的差异性在其他研究中亦有体现。这与离子在雪坑中较为稳定且其可迁移性较小有关。另外，K+在雪层中的低含量亦是其变化较小的原因。

我们引入“淋溶因子”（e）的概念，用来表达经过一个消融期后，雪坑中离子的损失率。计算公式如下：

其中，Cs为强烈淋溶初期的离子浓度值，Ct代表强烈淋溶末期离子浓度值，结果见表5.7。

表5.7　不同年份总离子的淋溶因子及不同离子的平均淋溶因子

淋溶因子有助于对离子的损失情况进行定量分析。显然，乌鲁木齐河源1号冰川的融水渗浸作用导致雪坑中大部分离子被淋溶。在观测期内，平均淋溶因子为0.79，其中淋溶因子最大值和最小值分别出现在2007年（0.90）和2006年（0.67）。不同离子的淋溶因子也有明显差异，Mg2+的淋溶因子最小（0.43），的淋溶因子最大（0.84）。这说明Mg2+在融水作用下最为稳定，而最容易被淋溶。有研究对乌鲁木齐河源1号冰川融水径流化学特征进行分析，得到1号冰川融水逐日径流中阳离子以Ca2+为主，阴离子以和为主（冯芳等，2014），这与淋溶因子反映的结果是相同的。

不同年份淋溶因子存在差异，可能有三个原因：一是，离子淋溶过程与当年的温度值及其变化特征有关。由离子浓度随正积温增大的指数衰减规律可以看出，温度变化是导致离子淋溶最关键的因素。二是，淋溶作用发生前大气中各化学成分的干湿沉降决定了雪坑中的离子载荷，作为雪坑中化学离子的基数，其对淋溶率也存在一定程度的影响。三是，对乌鲁木齐河源而言，每年的8—10月既是消融期又是降水频发期，参与淋溶过程的除了雪坑中的化学离子，还有同期降水中的化学成分。因此，降水的强度和频次也会对淋溶因子产生影响。已有研究表明，离子渗浸过程还与消融率、冻融作用、粒雪化过程等要素有关。