張勇，劉時銀，王欣

（1.湖南科技大學資源環(huán)境與安全工程學院，湖南 湘潭 411201；2.云南大學國際河流與生態(tài)安全研究院，云南 昆明 650500）

0 引言

青藏高原及周邊地區(qū)是除南北極以外冰川儲量最大的區(qū)域，被稱為“亞洲水塔”［1-2］。作為“亞洲水塔”冰凍圈重要組成部分的冰川，對氣候變化的響應極為迅速［3-4］。其中表磧覆蓋型冰川是青藏高原及周邊地區(qū)分布較為廣泛的冰川類型［5-10］，其獨特的氣候響應特征和變化已引起了顯著的水資源效應［10-13］和災害效應［11，14］，已成為影響我國和“一帶一路”區(qū)域眾多國家流域水資源安全與社會經濟發(fā)展的重要因素。

表磧覆蓋型冰川的典型特征是消融區(qū)部分或全部覆蓋了一層厚度不一的表磧（圖1）。冰川在運動過程中除通過刨蝕和掘蝕從冰床獲得冰磧物外，凍融作用、冰/雪崩、重力滑塌等都會導致冰川周圍山坡上的巖屑物質崩落至冰川表面或進入冰川內部［15-18］。冰內巖屑物質從冰川上部隨著冰川向下運動至消融區(qū)［圖2（a）］，在消融區(qū)融出冰面，與冰面巖屑等物質形成表磧。表磧和冰川一起向末端運動的過程中，隨著冰川運動速度的減緩，表磧在不同海拔高度堆積，尤其在冰川末端。與裸冰或雪相比，表磧層的物理性質（顆粒大小、顏色等）、熱力過程和反射率不同，導致表磧下覆冰川的消融過程不同［19-23］。表磧對下覆冰川消融的影響主要取決于其厚度變化［圖2（b）］。當表磧層厚度較薄時，表磧的存在加速了冰川消融，其下覆冰層消融速率大于裸冰區(qū)消融速率；隨著表磧層的增厚，表磧的存在抑制了冰川消融，其下覆冰層消融速率小于裸冰區(qū)消融速率［19-23］。這一過程深刻地影響了表磧覆蓋型冰川的物質平衡響應特征、水文過程及相關災害的形成［10-14，24-26］，進而影響流域周邊及下游地區(qū)社會生產與生活。

圖1 青藏高原東南部海螺溝冰川區(qū)表磧分布（a），厚層表磧（b），冰崖（c）與冰面湖（塘）（d）Fig.1 Debris distribution（a），thick debris cover（b），ice cliff（c）and supraglacial pond（d）on the Hailuogou Glacier in the southeastern Tibetan Plateau

圖2 表磧覆蓋型冰川區(qū)表磧運移（a），表磧厚度與冰川消融關系（b）和表磧厚度-海拔分布圖（c），其中圖2（b）和圖2（c）數(shù)據(jù)來源于Mattson等［22］和Zhang等［27］Fig.2 Debris transport processes（a），relationship between ice melting rate and debris thickness（b）and variation in debris thickness with altitude（c）on debris-covered glaciers，datasets in Fig.2（b）and 2（c）are derived from Mattson et al［22］and Zhang et al［27］，respectively

在氣候變暖和冰川劇烈變化背景下，青藏高原及周邊不同冰川區(qū)表磧覆蓋范圍呈逐漸擴張趨勢［17，28-30］，上述表磧的影響將日趨顯著。表磧分布及影響的研究一直以來備受關注［10-11，23-25，31-35］。然而，受冰川區(qū)表磧觀測和數(shù)據(jù)積累的限制，現(xiàn)有研究對青藏高原及周邊冰川區(qū)表磧影響動態(tài)過程與機理的認識較為有限［10，36］，尤其對廣大無資料或缺資料冰川區(qū)的表磧影響評估，已成為制約認識青藏高原及周邊地區(qū)冰川差異性變化（退縮、前進或穩(wěn)定）影響研究的重要因素。為更好地理解表磧覆蓋型冰川對氣候變化的響應特征及其影響，服務于區(qū)域社會經濟可持續(xù)發(fā)展，迫切需要從觀測與模型的角度審視氣候-冰川-表磧系統(tǒng)相互作用與反饋機制，深入研究氣候變化背景下冰川區(qū)表磧覆蓋范圍和厚度的動態(tài)變化及其影響。

本文以目前所獲取的觀測數(shù)據(jù)和相關研究結果為基礎，系統(tǒng)分析了青藏高原及周邊冰川區(qū)表磧空間分布特征，梳理了表磧對冰川區(qū)能水過程的影響特征及其研究現(xiàn)狀，同時探討了現(xiàn)有表磧影響研究面臨的問題和挑戰(zhàn)，展望與表磧分布和影響研究相關的前沿問題，為準確評估氣候變化條件下青藏高原及周邊表磧覆蓋型冰川變化及其響應特征、水資源效應和災害效應奠定基礎。

1 青藏高原及周邊冰川區(qū)表磧分布

全球冰川區(qū)表磧覆蓋總面積約26 000 km2，占全球冰川面積的4.4%左右［9］，其中，青藏高原及周邊冰川區(qū)是世界上最大的表磧分布區(qū)（圖3）。在青藏高原及周邊地區(qū)，冰川區(qū)表磧覆蓋面積約8 415 km2，占該地區(qū)冰川面積的9.0%左右，占全球表磧覆蓋面積的32.4%［9］。喜馬拉雅山地區(qū)表磧覆蓋型冰川條數(shù)最多，且表磧覆蓋面積最大，占青藏高原及周邊地區(qū)表磧覆蓋面積的31.3%，其次是喀喇昆侖山（18.6%）、帕米爾高原（14.2%）、天山（10.9%），祁連山地區(qū)表磧覆蓋面積相對較小。據(jù)中國第二冰川編目統(tǒng)計，中國境內表磧覆蓋型冰川共有1 723條，表磧覆蓋面積占這些冰川總面積的11.5%，其中面積超過100 km2的22條冰川中10條冰川有表磧覆蓋［5］。托木爾冰川、土格別里齊冰川和音速蓋提冰川是中國面積最大的三條冰川，同時也是表磧覆蓋面積最大的三條冰川，表磧面積占冰川面積的比例分別為17.6%、13.7%和10.6%［5］。

青藏高原及周邊不同冰川區(qū)的表磧覆蓋比例差異較大，喜馬拉雅山東段以及青藏高原東南部冰川區(qū)表磧覆蓋比例較高（圖3）。喜馬拉雅山中段南坡表磧覆蓋面積占冰川面積的比例較高，達36.0%，其次是興都庫什山達22.0%，喜馬拉雅山西段、喀喇昆侖山、喜馬拉雅山中段北坡表磧面積比例介于18.0%～21.0%，西昆侖山地區(qū)表磧面積較小，僅為2.8%［37］。在青藏高原東南部的貢嘎山，表磧覆蓋型冰川占該地區(qū)冰川數(shù)量的68.0%，其表磧覆蓋比例介于1.7%～53.0%之間［6］。圖4（a）顯示了青藏高原及周邊地區(qū)冰川和表磧覆蓋面積隨海拔高度的分布，其中表磧覆蓋主要分布在海拔3 500～5 000 m之間，分別占該地區(qū)表磧覆蓋總面積和冰川總面積的81%和7.5%。盡管海拔3 000 m以下的表磧覆蓋面積較?。蹐D4（a）］，但其表磧覆蓋比例達到了79.6%，且表磧層相對較厚。

圖3 青藏高原及周邊冰川區(qū)表磧覆蓋分布，其中表磧覆蓋數(shù)據(jù)來源于Scherler等［9］Fig.3 Spatial distribution of debris cover in the Tibetan Plateau and surroundings，debris cover dataset is derived from Scherler et al［9］

圖4 青藏高原及周邊地區(qū)表磧覆蓋和冰川面積隨海拔高度的分布（a）和不同研究獲取的表磧覆蓋面積比較（b），其中M2018、S2018和Z2018數(shù)據(jù)分別來源自M?lg等［8］、Scherler等［9］和Zheng等［38］Fig.4 Area-altitude distribution of debris-covered surface and glacier in the Tibetan Plateau and surroundings（a），and comparison of debris-covered area-altitude distribution from different studies（b），datasets for M2018，S2018 and Z2018 in b are derived from M?lg et al［8］，Scherler et al［9］and Zheng et al［38］，respectively

2 表磧對冰川區(qū)能水過程的影響及對氣候變化的響應

2.1 表磧對冰川區(qū)能水過程的影響

與裸冰區(qū)不同，表磧層作為大氣—冰川界面的隔熱層改變了其覆蓋表面的能量平衡收支和熱傳導過程，進而影響其下覆冰川的消融機制［19，23，39］。與裸冰表面反照率（0.34～0.51）相比，表磧覆蓋表面的平均反照率較?。?.10～0.15）［16］，導致其表面吸收的太陽輻射能增加?；诖?，當表磧層厚度較小時，表磧覆蓋表面吸收的熱量在加熱表磧層的同時，仍有大量熱量有效地傳輸?shù)较赂脖鶎?，進而加速下覆冰層融化。隨著表磧層厚度增加，其獲取的熱量大部分用于加熱表磧層，減少了到達下覆冰層的熱量，且在氣層不穩(wěn)定層結條件下，表磧層表面部分熱量還要向上傳導給空氣，進一步減少了到達下覆冰層的熱量［39-40］，因而與裸冰區(qū)消融相比表磧下覆冰層消融受到了抑制。

冰川區(qū)表磧層厚度隨海拔高度增加而呈逐漸減薄趨勢［圖2（c）］，在同一海拔高度上由中間向兩側表磧逐漸增厚［27］。由于冰川區(qū)表磧厚度空間分布的異質性，改變了冰川區(qū)消融的空間特征［6，11］，從而影響表磧覆蓋型冰川物質平衡變化的空間分布與高度結構。這導致該類型冰川與無表磧覆蓋型冰川相比，對同樣的氣候變化顯示了不同的響應特征［11］。從冰川物質平衡梯度變化可以看出，無表磧覆蓋型冰川物質損失最強烈的區(qū)域出現(xiàn)在末端［圖5（a）］。與之不同，表磧覆蓋型冰川物質損失最強烈的區(qū)域出現(xiàn)在消融區(qū)中部，這一區(qū)域表磧層厚度較小且分布不連續(xù)，而冰川末端由于表磧層較厚且連續(xù)分布導致物質損失相對較小［圖5（b）］。因而，表磧覆蓋型冰川物質損失的主要方式是冰面減薄，而無表磧覆蓋型冰川以末端退縮為主要方式［41］。因此，與相同規(guī)模的無表磧覆蓋型冰川相比，表磧覆蓋型冰川由于末端表磧相對較厚且連續(xù)的分布［圖2（a）］，表磧影響以抑制消融為主，導致該類型冰川即使在氣候變化強烈的條件下仍可在較低海拔高度上繼續(xù)存在［11，42］。

圖5 無表磧覆蓋型（a）和表磧覆蓋型（b）冰川物質平衡梯度示意圖Fig.5 Schematic diagram of mass balance gradients for debris-free（a）and debris-covered（b）glaciers

消融區(qū)是冰川主要的產流區(qū)，也是表磧主要的分布區(qū)。不同冰川區(qū)開展的示蹤實驗表明，冰面融水輸入量和日增加幅度與冰內/冰下水文系統(tǒng)排水效率的提高密切相關，顯著影響冰川區(qū)排水系統(tǒng)的季節(jié)演變特征［43-44］。對于冰川消融區(qū)表磧層較厚且連續(xù)分布的區(qū)域，由于表磧的抑制消融作用，冰川消融速率較小，加之冰面地形復雜，導致該區(qū)域冰內/冰下排水系統(tǒng)效率較低；而對于冰川消融區(qū)中上部來說，該區(qū)域表磧層較薄且不連續(xù)分布，表磧分布加速了冰川消融，消融速率較大，促進了冰內/冰下排水系統(tǒng)的早期發(fā)展，且排水效率較高［26，45］。因此，表磧分布顯著影響其下覆冰川消融速率及其空間結構特征，進而影響冰川區(qū)排水系統(tǒng)的形成和季節(jié)演化過程及其排水效率，以此改變流域匯水儲水和徑流的形成過程［12，26，45-47］。此外，表磧厚度的空間異質性使得冰川表面產生顯著的差異性消融，導致消融區(qū)容易形成冰崖［圖1（c）］和冰面湖（塘）［圖1（d）］［48-51］。眾多冰崖和冰面湖（塘）的形成與消亡是消融區(qū)局部加速消融的重要影響因素［34，51-55］。例如在喜馬拉雅山Langtang流域發(fā)現(xiàn)，冰崖導致冰川消融區(qū)的減薄速率高于預期，流域物質損失在不考慮冰崖影響的情況下將會被低估17.0%左右［34，51］；而冰面湖（塘）促進的消融量占該流域冰川物質損失的12.5%［55］。在喜馬拉雅山典型表磧覆蓋型冰川流域的徑流模擬表明，該流域55.5%的流域徑流量來源于表磧覆蓋區(qū)的冰川融水［24］。近期全球冰川水資源量估算表明，模型考慮表磧分布與否將導致冰川融水量差異超過10.6%［10］。由此可見，表磧加速/抑制消融及由此形成的冰崖、冰面湖（塘）等過程顯著影響冰川區(qū)融水總量的變化，進而影響冰川區(qū)徑流的形成與變化過程。

2.2 氣候對表磧及其覆蓋區(qū)能水過程的影響

隨著青藏高原氣候變暖，青藏高原及周邊地區(qū)的大多數(shù)冰川正在發(fā)生以減薄退縮為特征的劇烈變化［1，4-5，7，13］，深刻影響著冰川區(qū)表磧分布的空間格局［9-10］。Kirkbride［56］研究發(fā)現(xiàn)，隨著氣候變暖，冰川處于強烈的負物質平衡過程，導致冰流速減慢，加之消融增大，繼而導致表磧覆蓋范圍向冰川上部進一步擴展；反之，冰川處于正物質平衡時期，較快的冰流速和較小的消融過程導致表磧在冰川末端進一步形成與堆積。同時，氣候變化可能通過加速冰川周圍山坡巖石的崩解與堆積［16，18］，或者增加高海拔地區(qū)冰/雪崩活動［30］，導致更多的巖屑物質從周圍山坡進入冰川區(qū)，繼而隨冰川運動在消融區(qū)運移與再分布。近期不同研究表明，隨著冰川退縮和物質損失加劇，不同冰川區(qū)的表磧覆蓋面積正在增加［17，28-30］。如在喀喇昆侖山的洪扎河流域，流域內各冰川表磧覆蓋范圍呈向冰川上部平衡線擴張的趨勢，在1990—2019年間表磧覆蓋面積增加了8.1%～21.3%。全球氣候將呈持續(xù)升溫的態(tài)勢，冰川區(qū)表磧分布勢必持續(xù)增加［9-10］。

在氣候變暖背景下，隨著冰川區(qū)表磧覆蓋范圍的不斷擴展，如果冰川區(qū)堆積了較薄的表磧層，冰川消融勢必加速，冰川物質損失加劇、融水徑流增加，導致冰川對氣候變化的正反饋效應［56-57］。反之，如果冰川區(qū)堆積了較厚的表磧，冰川消融勢必受到抑制，進而減緩冰川物質損失，導致冰川對氣候變化的負反饋效應［56-57］。氣候-冰川-表磧系統(tǒng)的這一反饋機制深刻影響著表磧覆蓋區(qū)的能水過程。在青藏高原東南部海螺溝流域發(fā)現(xiàn)，氣溫升高是流域各冰川物質損失的主要原因，而表磧的存在加速了該流域冰川的物質虧損，與假定無表磧覆蓋條件下的物質平衡和徑流相比，表磧覆蓋導致物質損失增加了一倍［58］，而流域總徑流量增加了11.0%，尤其是低海拔表磧覆蓋區(qū)的冰川融水貢獻量超過了一半以上［25］。而在喜馬拉雅山地區(qū)，由于氣候變暖，導致該山區(qū)幾乎所有的無表磧覆蓋型冰川的響應特征一致表現(xiàn)為退縮趨勢，而表磧覆蓋型冰川除了呈顯著的負物質平衡和減薄趨勢外，其末端并沒有對氣候變化呈現(xiàn)出一致的響應特征［11，59-60］，其中，一些表磧覆蓋型冰川呈前進狀態(tài)，一些處于穩(wěn)定狀態(tài)，而另一些呈退縮趨勢［11，37，59］。表磧覆蓋型冰川和無表磧覆蓋型冰川物質平衡與末端響應之間的這種顯著差異突出表明了氣候-冰川-表磧系統(tǒng)這一反饋機制對冰川區(qū)物質響應和能水過程的深刻影響。

3 表磧影響研究進展

目前氣候變暖和冰川變化日益強烈，冰川區(qū)表磧覆蓋擴張的現(xiàn)象已在不同地區(qū)被觀測證實［17，28-30］，加之大多數(shù)表磧覆蓋型冰川面積較為巨大［5，11，40］，其變化導致的影響日趨顯著。受觀測條件和數(shù)據(jù)積累的限制，本文主要圍繞表磧影響的觀測與模擬，系統(tǒng)梳理當前表磧影響的研究進展。

3.1 表磧影響觀測研究

?strem［19］率先開展了表磧覆蓋下冰川消融影響的野外量化觀測，提出了表磧下覆冰川消融速率與表磧厚度之間的關系曲線［圖2（b）］。同時，他指出當表磧厚度約為2 cm時，表磧下覆冰川消融速率與裸冰區(qū)相當，該表磧厚度稱為臨界厚度，超過這一臨界厚度后，消融速率逐漸減?。?1］。Mattson等［22］在喜馬拉雅山地區(qū)Rakhiot冰川進行了類似的野外觀測實驗，結果發(fā)現(xiàn)，當表磧厚度為1 cm左右時，其下覆冰川消融量達到最大值，表磧臨界厚度約為3 cm。隨后，不同研究者在不同冰川區(qū)開展了表磧下覆冰川消融和表磧厚度野外觀測實驗，其結果進一步證實了上述冰川消融與表磧厚度之間的關系曲線［20-21，62］，同時指出不同冰川區(qū)表磧臨界厚度的差異較大，一般為3 cm左右［63］。對于較厚的表磧覆蓋消融觀測發(fā)現(xiàn)，表磧層厚度超過2 m后，其下覆冰層的消融基本處于停滯狀態(tài)［22，61，64］。

近年來，在青藏高原及周邊不同表磧覆蓋型冰川區(qū)相繼開展了表磧厚度、冰川消融、表磧層溫度等的觀測［27，65-80］。表1列舉了青藏高原及周邊地區(qū)不同表磧覆蓋型冰川表磧觀測狀況?？梢钥闯?，不同山區(qū)、不同冰川的表磧厚度變化差異十分顯著。在位于青藏高原東南部貢嘎山的海螺溝冰川區(qū)，通過挖掘方法實測的最大表磧層厚度達到了1.2 m，冰川末端表磧層平均厚度約為0.4 m［27］，同樣位于青藏高原東南部崗日嘎布山的24K冰川觀測的最大表磧厚度約為0.7 m左右［69］。位于天山南坡的科其喀爾冰川觀測的表磧厚度介于0.01～2.5 m之間，末端平均厚度1.5 m，局部超過2.0 m［31］，而喜馬拉雅山區(qū)的Ngozumpa冰川區(qū)的最大表磧厚度達到了3.0 m［33］，且該冰川采用探底雷達表磧厚度觀測表明，表磧厚度在較小的區(qū)域內變化很大，其頻率分布的偏度和峰度隨著平均表磧厚度的增加而降低，這可能與表磧覆蓋區(qū)的重力物質再分布過程有關［33］。

表1 青藏高原及周邊典型冰川區(qū)表磧觀測Table 1 Summary of debris observations on glaciers of the Tibetan Plateau and surroundings

由于不同冰川區(qū)表磧覆蓋比例和表磧厚度分布不同，導致表磧影響的區(qū)域差異顯著。喀喇昆侖山區(qū)不同典型冰川區(qū)野外消融觀測表明，該區(qū)表磧對下覆冰川消融的影響以抑制作用為主［65-66，80］，如Baltoro冰川表磧覆蓋區(qū)冰川平均消融量相對于裸冰區(qū)減少了約22.0%［65］。同樣，在天山南坡科其喀爾冰川表磧覆蓋區(qū)，表磧厚度為3 cm處的平均消融量與裸冰區(qū)相比減少了46.5%［71］，與之臨近的瓊臺蘭冰川觀測發(fā)現(xiàn)，與裸冰相比，10 cm和20 cm厚度的表磧下覆平均消融量分別減少了10.0%和56.0%［40］。與之相反，喜馬拉雅山絨布冰川表磧厚度5 cm處的平均消融量與裸冰區(qū)相比增加了67.0%［68］，而青藏高原東南部海螺溝冰川區(qū)表磧對下覆冰川消融的影響總體上以加速作用為主，其中44.0%的表磧覆蓋區(qū)處于加速消融狀態(tài)，17.0%的表磧覆蓋區(qū)冰川消融受到了抑制［6］。

3.2 表磧影響模擬研究

目前青藏高原及周邊地區(qū)僅有十余條冰川開展了表磧厚度及影響的觀測（表1），仍有廣大無表磧相關觀測資料的冰川區(qū)。加之表磧覆蓋型冰川區(qū)開展表磧實地觀測的困難性，限制了冰川區(qū)表磧觀測的范圍和密集度。因而，模型模擬研究成為認識冰川區(qū)表磧影響這一物理機制的有效途徑。

對于觀測資料相對較少的冰川區(qū)，不同研究多應用度日模型進行表磧下覆冰川消融的估算［69，73，81-85］。度日模型是基于冰雪消融與氣溫之間的線性關系建立的［5，71，81］，結構較為簡單，氣溫和度日因子值是其主要的輸入?yún)?shù)。該類模型通常對裸冰區(qū)和表磧覆蓋區(qū)分別采用不同的度日因子值，以此考慮表磧分布對冰川消融和徑流過程的影響。模型中表磧覆蓋區(qū)度日因子值一般小于裸冰區(qū)度日因子值［81，83-84］，不同表磧覆蓋型冰川區(qū)表磧覆蓋區(qū)和裸冰度日因子差異顯著，二者的比值一般介于0.40～0.83之間［81］。在天山南坡科其喀爾冰川夏季徑流模擬研究中，基于度日模型，開展了考慮冰川區(qū)表磧覆蓋與否的實驗，結果表明考慮表磧分布，流域徑流總量與假定無表磧分布時減少了約35%［85］。在青藏高原東南部崗日嘎布山的24K冰川基于度日模型分析發(fā)現(xiàn)，假定無表磧覆蓋條件下，該冰川消融量將會增加36%［69］。此外，不同研究在喜馬拉雅山-喀喇昆侖山區(qū)多個流域基于度日模型開展了冰雪徑流對氣候變化的響應與預估研究中，冰川區(qū)表磧分布的影響是通過在裸冰消融量估算的基礎上乘上一個折算系數(shù)或采用固定表磧度日因子值來考慮的［86-89］。

與裸冰區(qū)不同，表磧覆蓋區(qū)冰面狀況復雜，導致不同冰川相同表磧厚度的度日因子值變化幅度較大［81，83-84］，同時度日模型不能考慮表磧覆蓋區(qū)地-氣-能-水交換的物理過程。為此，基于冰雪表面能量平衡過程，Kraus［90］率先發(fā)展了一個理論消融模型，考慮了表磧分布及其他因素變化對冰面消融過程的影響。Nakawo等［20-21］基于對表磧層溫度梯度線性變化和儲熱變量的假設，構建了一個以能量平衡為基礎針對薄層表磧覆蓋的消融模型。此后，不同研究根據(jù)熱傳導理論和能量平衡原理，發(fā)展了多種類型的表磧覆蓋消融模型［23，27，32-33，35，91-93］，并在相應的冰川區(qū)開展了應用。上述各類模型在點和冰川尺度上獲得了較好的模擬效果，探討了表磧分布對冰川區(qū)能水物理過程的影響。這些模型均以表磧厚度、表磧層溫度、表磧熱屬性參數(shù)等作為輸入數(shù)據(jù)，一定程度上影響了這些模型在流域或區(qū)域尺度上表磧影響研究中的應用。Zhang等［6，27］嘗試基于遙感影像熱紅外和可見光近紅外波段、大氣-表磧-冰川界面能量平衡過程發(fā)展了表磧覆蓋消融模型，該模型基于遙感反演的表磧熱阻系數(shù)，以此作為表磧厚度的代用指標來考慮表磧厚度的空間分布；該模型與其他模型相比輸入數(shù)據(jù)較少，在冰川尺度和區(qū)域尺度上獲取了較好的模擬效果［6，27］。Fujita等［24］基于相同方法，嘗試了在冰川流域徑流模擬中考慮表磧厚度空間分布對流域徑流過程的影響，并評估遙感反演表磧熱阻系數(shù)和反照率不確定性對徑流模擬結果的影響，分析發(fā)現(xiàn)，二者的不確定性對流域徑流產生的誤差影響占該流域徑流總量的8.0%。

4 表磧影響研究的挑戰(zhàn)與展望

4.1 數(shù)據(jù)缺失的挑戰(zhàn)

表磧影響研究所需的參數(shù)除冰川消融、徑流和氣象等數(shù)據(jù)外，主要包括表磧覆蓋范圍、表磧厚度和熱屬性參數(shù)及其動態(tài)變化特征。目前，基于多源遙感數(shù)據(jù)，不同研究提取了區(qū)域或全球尺度冰川區(qū)的表磧覆蓋范圍［8-10，38］。圖4（b）顯示了喀喇昆侖山和帕米爾高原冰川區(qū)不同研究基于不同遙感數(shù)據(jù)和不同方法獲取的表磧覆蓋范圍?？梢钥闯觯餮芯揩@取表磧覆蓋范圍的方法和遙感數(shù)據(jù)不同，但獲取的表磧覆蓋范圍結果總體上較為一致。盡管對青藏高原及周邊冰川變化及影響的認識不斷加強，該區(qū)域冰川區(qū)表磧觀測數(shù)據(jù)在觀測范圍和密集度上仍較為欠缺，僅十余條表磧覆蓋型冰川有表磧厚度等相關參數(shù)的觀測（表1），且多分布于喀喇昆侖山和喜馬拉雅山地區(qū)，其他山區(qū)的觀測較少，無法滿足流域/區(qū)域表磧影響評估所需的參數(shù)信息。加之，流域/區(qū)域冰川區(qū)表磧厚度、熱屬性參數(shù)等隨時間的動態(tài)變化特征很難準確地獲取。因此，冰川區(qū)表磧相關數(shù)據(jù)的監(jiān)測與積累仍存在較大的缺口，這是不同尺度表磧影響研究面臨的關鍵問題，嚴重制約了青藏高原及周邊地區(qū)表磧分布對冰川區(qū)能水過程物理機制的認識和表磧影響模型的發(fā)展。

4.2 模擬的挑戰(zhàn)

張勇等［31］系統(tǒng)地總結了近年來表磧厚度估算方法的發(fā)展現(xiàn)狀。其中，基于遙感反演的地表溫度和表磧厚度實測數(shù)據(jù)建立地表溫度-表磧厚度經驗關系式和SAR表磧探測是目前常用的表磧厚度方法，但這兩種方法對于厚層表磧的估算不適用［31，76，94-95］?；谀芰科胶夥匠坦浪惴ㄎ锢砘A較強，但需要大量的冰川區(qū)實測數(shù)據(jù)作為輸入數(shù)據(jù)［89］，如機載雷達測量數(shù)據(jù)、表磧厚度、地表溫度、導熱系數(shù)等。由此可見，表磧厚度估算方法在不同冰川區(qū)的適用性和模擬精度亟待提高，尤其在較大空間尺度且相對偏遠無/缺資料冰川區(qū)表磧厚度模擬精度的提高是表磧影響研究面臨的巨大挑戰(zhàn)。

表磧覆蓋區(qū)冰川消融模擬主要基于度日模型和能量平衡模型開展的。如上所述，度日模型結構簡單，所需輸入?yún)?shù)較少，通過采用不同的度日因子值來考慮表磧分布的影響。然而，表磧覆蓋區(qū)由于冰面條件復雜，其度日因子值變幅較大［81，83-84］，模型對于表磧下覆冰川消融所涉及的物理機制及過程過于簡化。相反，基于能量平衡過程的表磧消融模型能夠較好地考慮表磧覆蓋區(qū)地-氣-能-水交換的物理過程［20-23，27，32，35，91-93］，而在計算過程中假定表磧層內的溫度剖面呈線性變化［20-21，23，27，91］，這與實際表磧層內溫度梯度非線性變化有所不同［32，92，96］。同時，該類模型不僅需要詳細的表磧厚度、表磧層溫度、表磧熱屬性參數(shù)等輸入數(shù)據(jù)，還需要氣候、地形等驅動數(shù)據(jù)，限制了該類模型在較大尺度上表磧影響研究中的發(fā)展與應用。因此，發(fā)展精細刻畫表磧厚度空間分布和下覆冰川消融物理過程的模型是目前研究表磧分布及影響亟須解決的難題。

4.3 流域/區(qū)域模型耦合表磧影響的挑戰(zhàn)

氣候-冰川-表磧系統(tǒng)之間的相互作用較為復雜［圖6］，同時它們之間在時空上有著顯著的變化，這意味著表磧厚度及對冰川各物理過程的影響具有強烈的時空變化特征。針對量化氣候-冰川-表磧相互作用物理過程與反饋機制的研究取得了一定的進展?，F(xiàn)有模型模擬了氣候變化驅動下表磧隨著冰川運動而運移再分布的過程［97-100］，近期研究還簡單考慮了巖屑物質在冰內的運移過程［101-103］。青藏高原及周邊地區(qū)針對冰川的數(shù)值模型近年來發(fā)展較為迅速，從二維到三維的冰川動力學模型對不同冰川的物質變化和動力響應過程開展了研究［104-108］，然而針對表磧覆蓋型冰川區(qū)氣候-冰川-表磧系統(tǒng)的數(shù)值模型研究十分薄弱?？傮w而言，現(xiàn)有表磧覆蓋型冰川區(qū)表磧動態(tài)過程數(shù)值模型面臨諸多問題，要么將表磧輸入限制在冰川消融區(qū)，或使用經驗關系描述表磧在冰川表面的堆積過程，或簡化了巖屑物質在冰內的運移過程，尚無模型明確解決冰流場內表磧厚度與分布隨時間演化的物理過程。

圖6 氣候-冰川-表磧系統(tǒng)相互作用示意圖Fig.6 Interaction diagram of climate-glacier-debris system

目前，眾多流域/區(qū)域物質平衡和徑流模型普遍基于無表磧覆蓋型冰川的眾多過程發(fā)展的，沒有考慮上述氣候-冰川-表磧系統(tǒng)之間復雜的相互作用及對冰川區(qū)能水過程的影響。隨著對冰川區(qū)表磧影響物理過程認識的增加，在應用該類模型開展流域/區(qū)域冰川物質變化與徑流模擬與預估研究時，通常采用固定度日因子值或折算系數(shù)的方式簡單處理表磧的影響過程［36，86-89］。Kraaijenbrink等［7］率先在青藏高原及周邊冰川物質平衡預估研究中嘗試解釋由于表磧覆蓋、冰面湖塘和冰崖引起的消融率變化對冰川物質變化的影響，然而該研究中過多的參數(shù)化過程掩蓋了表磧覆蓋等過程對冰川物質平衡的影響，導致其冰川物質平衡的預估結果與沒有考慮表磧影響的已有研究結果較為類似［109］?？傮w上，現(xiàn)有模型通常采用簡化或者參數(shù)化手段來考慮表磧的影響過程，并沒有考慮表磧分布的時空動態(tài)變化過程。這一處理方式限制了現(xiàn)有模型對表磧動態(tài)物理過程及影響的精細描述，導致這些模型對這一物理過程模擬能力不足，是開展流域/區(qū)域冰川物質平衡和徑流模擬與未來預估研究中不確定性的重要來源之一［10，36］。由此可見，氣候變化條件下青藏高原及周邊地區(qū)冰川-表磧系統(tǒng)變化的協(xié)同監(jiān)測仍需加強，同時，冰川區(qū)表磧時空動態(tài)變化過程的精細刻畫是未來氣候變暖情景下流域/區(qū)域冰川變化及其水資源效應評估精度提高面臨的巨大挑戰(zhàn)。

4.4 展望

在全球變暖背景下，青藏高原及周邊地區(qū)的表磧覆蓋型冰川變化及其對水資源和相關災害的影響日益顯著［10-12，14，25］。與無表磧覆蓋型冰川不同，表磧覆蓋型冰川物質平衡和徑流模擬與預估以及冰湖潰決洪水評估等過程都需要考慮表磧厚度的時空動態(tài)變化及其影響。如上所述，表磧厚度實測數(shù)據(jù)缺乏是開展青藏高原及周邊冰川區(qū)不同尺度表磧影響研究的難點。在眾多表磧厚度估算方法中，基于表磧熱阻系數(shù)法對于估算流域/區(qū)域尺度表磧厚度及空間分布具有較好的適用性［31］。表磧熱阻系數(shù)是表磧厚度與其導熱系數(shù)的比值［20-21］，在實際應用過程中，基于遙感影像（可見光近紅外和熱紅外波段）和冰川編目數(shù)據(jù)可獲取冰川區(qū)表磧熱阻系數(shù)的空間分布［圖7］。該方法已在喜馬拉雅山［24，110-111］、中 巴 經 濟 走 廊［38］、貢 嘎 山［6，27］、西 南 天山［31］等不同區(qū)域冰川進行了應用與驗證，并系統(tǒng)評估了該方法的不確定性［24，111］。上述不同區(qū)域冰川區(qū)的應用表明，遙感反演的表磧熱阻系數(shù)可作為冰川區(qū)表磧覆蓋范圍和厚度及其空間分布的代用指標。隨著遙感大數(shù)據(jù)的日益豐富和青藏高原及周邊地區(qū)冰川編目數(shù)據(jù)的逐漸完善，應用上述方法開展不同空間尺度表磧覆蓋范圍和表磧厚度估算成為可能。以遙感反演的表磧熱阻系數(shù)空間分布為基礎，結合Zhang等［6，27］基于大氣-表磧層-冰川界面能量平衡過程構建的表磧消融模型，進而可系統(tǒng)分析青藏高原及周邊冰川區(qū)表磧厚度分布的區(qū)域差異和評估表磧覆蓋對冰川響應的影響機制。

圖7 基于遙感影像反演冰川區(qū)表磧熱阻系數(shù)流程圖Fig.7 Schematic diagram of calculating the thermal resistance of the debris layer based on remotely sensed data

冰川區(qū)表磧厚度及其動態(tài)變化過程是由氣候-冰川-表磧系統(tǒng)一系列相互關聯(lián)的反饋過程組成的［圖6］。如圖6所示，在氣候變化條件下，冰川物質變化和動力響應共同影響著冰川形態(tài)和冰川內部應變場與速度場，進而控制著冰川內部巖屑物質（內磧）和冰面表磧物質的遷移過程，進而影響冰川區(qū)表磧厚度的變化。因此，冰川物質變化和冰川動力響應過程在冰川區(qū)表磧厚度動態(tài)變化中起著重要作用［42，100-101］，如下式所示：

式中：Hdebris為表磧厚度變化；t為時間；x為沿冰川主流線距離；Cdebris為表磧濃度變化率；bdebris為表磧覆蓋區(qū)物質平衡；?debris和ρdebris分別是冰面表磧的孔隙度和密度；usfc是冰川表面運動速度。

相對于無表磧覆蓋型冰川，連續(xù)的表磧覆蓋又進一步減小了冰流量和冰厚變化梯度，擾動冰川區(qū)速度分布，并減小積累區(qū)面積比率［10，16］。同時，表磧厚度動態(tài)變化加劇了其空間差異性分布特征，進而導致冰川表面產生差異性消融，這一過程進一步破壞了表磧覆蓋層的穩(wěn)定性，繼而塑造冰川表面形態(tài)（如冰面湖（塘）、冰崖等），加劇影響消融過程和冰川物質平衡響應過程。隨著青藏高原及周邊地區(qū)冰川數(shù)值模型的不斷發(fā)展與完善，加之對冰川物質變化-動力響應-表磧的相互作用與反饋機理的認識不斷深入［104-108］，為發(fā)展耦合多物理過程的冰川-表磧系統(tǒng)協(xié)同演化的動態(tài)模型奠定了理論與方法基礎。這一動態(tài)模型需要精細刻畫表磧沉積、內磧運移與融出、冰面表磧運移、冰川物質平衡和動力響應等物理過程［圖2（a）和圖6］，尤其提高內磧和表磧運移過程的模擬能力，這一過程控制著冰川區(qū)正在形成中的表磧層的組成、分布與厚度變化特征。通過系統(tǒng)發(fā)展冰川-表磧系統(tǒng)協(xié)同演化的動態(tài)模型，可以量化表磧分布、厚度及其動態(tài)變化過程，進而實現(xiàn)氣候變化條件下冰川物質變化、動力響應和表磧動態(tài)變化之間的集成研究。

5 結論

青藏高原及周邊地區(qū)分布著廣泛的表磧覆蓋型冰川，其獨特的氣候響應特征和變化引起了廣泛關注的流域水資源效應和災害效應。表磧的差異性分布是表磧覆蓋型冰川的典型特征，其通過地-氣-能-水交換、反照率變化等影響冰川消融及其空間特征，進而影響冰川物質平衡響應機制、流域徑流過程及其致災過程。青藏高原及周邊冰川區(qū)地面、衛(wèi)星觀測資料逐漸豐富，但冰川區(qū)表磧厚度、表磧層熱屬性等相關參數(shù)在觀測范圍、密集度上仍存在較大的缺口。本文在梳理已有觀測數(shù)據(jù)和研究成果的基礎上，系統(tǒng)分析了青藏高原及周邊地區(qū)表磧分布特征，綜合剖析了表磧對冰川消融、物質平衡和徑流過程的影響及其氣候變化的響應，并從觀測與模擬的角度，系統(tǒng)分析了表磧影響的研究現(xiàn)狀，進而分析了現(xiàn)有表磧影響研究存在的主要問題和挑戰(zhàn)。同時，未來表磧影響研究將通過開展地面綜合觀測，結合多源遙感資料，發(fā)展耦合多物理過程的冰川-表磧系統(tǒng)協(xié)同演化的動態(tài)模型，系統(tǒng)認識氣候變化驅動下表磧與冰川之間相互作用與反饋機制，揭示表磧與冰川隨氣候變化的協(xié)同演化機理，綜合評估表磧厚度動態(tài)變化對冰川各物理過程的影響，為進一步認識青藏高原及周邊地區(qū)表磧覆蓋型冰川變化及其水資源效應和災害效應奠定理論和方法基礎，以期為區(qū)域社會經濟發(fā)展和“綠色絲綢之路”建設服務。