影响因素分析-中国山地冰川雪冰演化过程

融水渗浸作用导致雪-冰界面不同离子的迁移。由前期的研究结果可得，不同时段形成的离子浓度峰值从粒雪进入附加冰中的时间存在一定的差异。乌鲁木齐河源1号冰川，地处中纬度山地，受到夏季消融的影响，融水渗浸作用是携带各种化学成分在雪层中发生移动和传输的主要原因，同时也是重要的成冰作用。下渗的融水有一部分下移至雪层底部，遇冷后再冻结导致底部冰面抬升，另外一部分则以冰面径流的方式而损失。上述研究表明，夏季是冰面离子浓度高值期，这与夏季的融水渗浸作用密切相关。一方面融水本身携带有较丰富的化学离子信息，另一方面融水下渗过程容易遇冷发生冻结而产生离子聚集。侯书贵等（1996）的研究亦表明，各离子富集程度与融水量的多寡密切相关。

气温变化导致雪-冰界面不同离子的迁移现象。气温在干湿季节的变化也是导致离子迁移差异性的主要原因。当然这与湿季的淋溶现象密切相关。湿季，因温度较高，雪层融水较多，融水下渗作用频繁。在融水的直接携带下，化学离子在雪层剖面中经历了再分配过程。早期的研究对这一过程也进行了论证：基于珠穆朗玛峰康雄冰川和长江源头岗加曲巴冰川的研究，李忠勤（2006）认为，雪坑化学浓度在冰片和冰面附近出现的离子浓度异常高峰值，是由淋溶作用形成的高离子含量融水在该处聚集冻结而形成。这在K+、Na+两种阳离子中有明显表现；和由于离子活动性较强而发生一定程度的迁移作用，在向下迁移过程中又因为冰层的阻碍而在其顶部发生富集，造成这两种离子在冰面上部的高浓度值。

离子来源的不同、来源物的季节差异及离子活性导致雪坑中雪-冰界面离子浓度差异变化。就陆源离子Mg2+、Ca2+而言，Sun等（1998）认为Mg2+与降水有密切的联系；Wang等（2006）认为Mg2+主要来自远源粉尘的输入。而Ca2+的来源则比Mg2+更加广泛，且Ca2+比Mg2+溶解速率要大。、Na+浓度变化均相似，与这些离子基本上有类似的传输路径和沉积机制存在联系。秋季之后该区域粉尘输入方式以干沉积为主，在低温环境下，积雪表面不存在淋溶，蒸发/升华微弱，含有硫酸盐矿物颗粒的粉尘能够得到很好的保存。而还可能与自身性质有关。在强太阳辐射下会产生强烈的光化学分解作用而从积雪中逸出（余光明等，2014）。

综上，乌鲁木齐河源1号冰川每年会形成一个污化层，Mg2+以1年为分辨率形成冰芯记录。对比同期的气温和降水资料，得到Mg2+在高温影响下仅有30%保留至冰芯记录中。每年4月，化学离子浓度峰值均会受到春季化学离子来源的影响而增大。

总的来说，根据天山乌鲁木齐河源1号冰川积累区海拔4130 m处连续5年（2002—2006年）高密度的观测资料，对冰川降雪成冰的物理化学过程进行了研究。主要研究内容包括近期雪层剖面物理特征研究，不同时期雪层剖面特征对比研究，表层雪中各种离子特征及可能来源，典型离子在雪层中的变化特征，沉积后过程对雪层离子浓度的影响，并以深霜的形成过程及对氧稳定同位素影响为例，研究了物理过程与化学过程的相互联系。这些研究，对于搞清化学物质在暖型成冰作用条件下的沉积后过程，对理解和破译大多数山岳冰川冰芯记录具有十分重要的意义。通过研究得出如下结论：

（1）雪层厚度的变化总体上受气温和降水的共同作用，即厚度与气温呈反相关，与降水呈正相关。雪层最大厚度一般出现在5月底6月初，最小厚度一般出现在7、8月。冰片是融水渗浸冻结的产物。春季波动期，雪层上部最容易形成冰片，到了夏季剧变期初，冰片在雪层大量形成。到夏季剧变期末时上部的冰片大多融化，保存在下部的冰片相对稳定，这种状态一直持续到冬季。粒雪组成反映了粒雪化过程进行的情况，粗粒雪在夏季剧变期所占的比例最大，冬季稳定期次之，春季波动期最小。新雪的情况则与粗粒雪相反，即春季波动期最大，夏季最少。其他要素（冰透镜体、冰片、深霜等）在夏季剧变期所占的比例最高，秋春季波动期次之，冬季最小。夏季雪层消融十分强烈，消融主要发生在雪层上部的新雪、细粒雪中，而粗粒雪消融的比例较小。污化层是雪层中颇为显著的标志层位，受气温的影响最显著。在一般年份，一年中最终只有一个污化层形成。在温度异常高的年份，污化层在雪层中的演变规律将会被打乱。

（2）通过对20世纪60年代、80年代和21世纪初1号冰川雪层剖面、成冰带和成冰年限的对比分析发现，自20世纪60年代以来，雪层厚度及其内部组成要素都发生了显著的变化。雪层厚度明显减薄，粗粒雪所占比重不断减小，冰片及污化层数量急剧下降。成冰带的类型及分布发生了明显变化，冷气候条件下的冷渗浸带消失，被渗浸带所替代；东支顶部的变化尤为显著，2004年夏季发现消融冰面湖，说明冰川上部已具有消融带特征。

（3）利用相关及因子分析探讨了各种离子的可能来源，并将1号冰川的离子来源进行分类。分析表明，亚洲粉尘是春夏季表层雪中离子浓度总体升高的主要原因。通过比较夏季雪坑内部离子浓度的变化幅度，确定了离子的淋溶顺序。量化研究了淋溶的驱动机制，分析得到淋溶强度与大气温度呈良好的正相关关系；发现当大气温度上升到-3.6℃时淋溶开始明显加强，而当温度达到0.3℃时雪坑中当年沉降的离子几乎都被融水带走，但多数离子仍在雪层中留下微弱可辨的季节信息。表层雪中不溶微粒和Mg2+的浓度变化表现出一致性，6—8月出现浓度的最大值，并伴有较大幅度的波动，这与同期频繁的降水和盛行局地风密切相关。粗微粒和Mg2+浓度在雪层垂直剖面中的分布具有相似性，且其演化过程也十分近似。雪层剖面中，粗微粒和Mg2+浓度分布的相关性受到温度的影响，气温越高，不溶微粒与Mg2+在沉积后过程中的相关性越低，气温越低，两者的相关性越高。

（4）消融期雪坑中离子浓度其实是关于消融量与离子损失率的指数函数，而消融量又是度日因子和正积温的函数，因此，可通过建立模型得到正积温与雪坑离子浓度的关系模型，进而为定量评估淋溶作用提供依据。在强烈消融期雪坑中的离子浓度与气温变化具有明显的负相关关系，即温度越高，离子浓度越低。在气温较低且降水稀少的冬季，雪坑中的离子浓度受温度的影响较小。强烈消融期正积温与雪坑离子浓度的关系表明，离子总浓度随正积温的升高呈指数衰减。不同离子对正积温变化具有不同的响应，、Na+、Cl-、和Ca2+随正积温增加呈现出的衰减态势与指数函数拟合较好；Mg2+和K+受正积温影响并未有明显的规律性变化。雪层中最容易淋溶的离子为，Mg2+是最为稳定的。降水过程主要通过直接影响表层雪中的离子浓度而影响整个雪坑的离子浓度变化，这种影响在强烈消融期是可以忽略的。(www.xing528.com)

（5）分析研究了雪层中深霜的形成过程及其对氧同位素的影响。结果表明，10月中旬当雪层中的温度梯度达到13.0℃/m时深霜开始发育。到次年3月底，深霜所占的比例可达雪层厚度的25%。4—6月，随着气温升高，升华作用的减弱以及融水下渗，深霜层逐渐被改造成粗粒雪。在深霜的形成过程中，伴随着氧同位素的分流。深霜层下部15 cm，由于升化作用造成分子量小的水分子逃逸，从而增加了δ18O的含量。深霜层上部10 cm，由于分子量小的水分子在该处凝结，造成δ18O含量相对降低。

（6）乌鲁木齐河源1号冰川每年会形成一个污化层，Mg2+以1年为分辨率形成冰芯记录。对比同期的气温和降水资料，得到Mg2+在高温影响下仅有30%保留至冰芯记录中。每年4月，化学离子浓度峰值均会受到春季化学离子来源的影响而增大。在雪-冰界面10 cm以下，雪层底部干季的主要离子浓度的平均值大于湿季的，冰层顶部干季的主要离子浓度的平均值小于湿季的。干季雪层底部离子的浓度一般高于冰层顶部的浓度，湿季则相反。雪-冰界面附近离子的迁移反映了环境信息的记录过程，受融水和气温变化、物质来源等不同因素的综合影响。

本研究选择在乌鲁木齐河源1号冰川开展比较系统的雪冰现代过程研究，由于该冰川具有长期连续的雪冰观测资料，且受融水作用影响较为显著，对冰芯记录形成较大干扰，使得该研究在空间和时间上都具有一定的代表性。下一步，更多的研究应该集中在以下几个方面：

（1）关系模型的建立：在气温和淋溶作用的关系中应用了数理统计和关系模型的方法，而对于冰芯记录形成过程还停留在现象描述阶段。在后续的研究中，要在定性分析的基础上获得定量的研究结果，形成每单位℃气温的变化与冰芯记录分辨率的变化关系。解释在当前全球变暖背景下，气温和降水将在何种程度内变化可导致冰芯记录断层，不适合冰芯钻取和记录恢复；在何种程度内变化可以通过冰芯恢复气候（如气温、降水）环境（如沉积通量）信息，从而为冰芯钻取和冰芯记录校正提供依据。具体来讲，还有两个方面的关系需要进一步厘清，并构建模型。一是融水对各种冰芯记录的影响机理。观测表明，融水作用对冰芯记录的影响十分强烈。而这种影响对于不同的记录呈现出较大的差异。我们发现，在融水丰富的情况下，粒雪晶体之间的离子会被完全淋溶掉，其携带的环境信息也随之丧失，尽管此时的雪层仍保持一定的离子浓度值，但反映的只是与环境信息无关的镶嵌于雪晶体晶格之间离子的含量。而同一淋溶过程对于易挥发性成分的影响大相径庭，由于与大气之间的交换作用，这类物质在被封闭成为冰芯记录以前，总能保持与大气含量间的动态平衡，而受淋溶影响不大。另一发现是，雪层中的氧同位素比率δ18O（冰芯的气温代用指标）会在沉积后过程中大幅度地变化，我们曾观测到极端强烈的消融使得雪层δ18O值由-28上升至-15，完全破坏了其温度指示效应。而进一步的研究表明，淋溶作用对δ18O值的影响并不明显，影响明显的是消融和冻结过程，会使雪层氧同位素发生分流而富集。上述现象与研究表明，融水对各种冰芯记录的影响机理有很大差异，只有对各种机理开展专门而深入的研究，才能搞清融水对不同冰芯记录的影响程度，为建立融水影响的评估模型奠定基础。二是吹雪、升华与凝华对冰芯记录的影响。吹雪无疑会造成冰芯记录的空间差异，从而影响冰芯记录的准确性和代表性。观测研究发现，尽管吹雪对冰芯记录的影响十分明显，但在方式和幅度方面的变化不大，主要受某些气象条件（包括风的强度、方向及季节分布等）和地形条件的控制。因此，可以尝试建立以气象要素和地形参数等为变量的吹雪影响评估模型。升华与凝华对雪层化学浓度有明显的再分配作用，一般会造成雪层上部许多化学成分的聚集。其机理十分复杂。然而，研究发现升华、凝华过程与冰川的水、热条件关系密切，如能搞清其间的定量关系，便可在更大范围进行推广，实现其对冰芯记录影响的定量或半定量评估。

（2）冰芯记录的综合对比分析：本研究除了雪-冰界面离子迁移特征研究使用了冰层离子资料，其余研究均是基于雪坑资料完成的。然而，考虑到成冰后的化学离子依然可能受到融水的影响，冰芯记录的最终确定还是需要冰芯数据做对比研究。在后续的研究中，需增加冰芯数据的对比分析，以形成完善的雪冰过程研究。

（3）不同区域现代雪冰过程对比研究：由于该研究所需资料时间序列长，采样内容多，在其他地区尚未开展相同内容的研究。然而，以乌鲁木齐河源1号冰川为代表的现代过程研究究竟在其他冰川地区是否具有普适性，需要在更广泛的地区开展对比分析，加以验证。

以上研究问题的提出是我们长期观测研究的凝练和深入，亦是研究沉积后过程的目的所在。这些问题的解决，不仅有助于揭示沉积后过程对冰芯记录的影响，提高冰芯记录恢复的准确性，而且能为已有冰芯的质量及分辨率评估、未来冰芯钻取地点的选择提供科学依据。