青藏高原气候环境对冰川发育影响的数值模拟研究

论文摘要

采用三维动力陆冰模式GLIMMER对青藏高原现代冰川（1951-2000年）、末次冰期冰盛期（LGM,约1.8万年前）和小冰期（约400-500年前）冰川在相应外部强迫条件下的分布进行了模拟,对SRES本世纪气候情景下的冰川进行了预测,同时对高原冰川在不同气候环境下的发育进行了模拟;并使用European Centre for Medium-Range Weather Forecast （ECMWF）再分析和美国NOAA Climate Precipitation Centre（CPC）的降水量资料,对青藏高原现代冰川平衡线高度（ELA）的变化与东亚地区大气环流和气候的关系进行了分析。该冰川模式的外部强迫条件为年平均空气温度、海平面高度变化和ELA。对现代冰川,其外部强迫条件为现代的年平均空气温度、海平面高度和ELA。构建了2种ELA,一种为中国冰川编目中的ELA,另一种为采用一个反应青藏高原夏季空气温度和年降水量关系的经验方程反推的理论平衡线高度（ELAt）,将反推的ELAt与观测的ELA进行对比。ELA和ELAt分别与现代的年平均空气温度、海平面高度结合,构成2种外部强迫方案,对现代冰川的分布进行了模拟,发现它们与观测的冰川分布比较相似;对高原的冰厚、冰温和冰速也进行了模拟,发现与观测也比较相似,表明该组模式系统在一定外部强迫条件下模拟高原冰川的分布是适用的。在此基础上,对青藏高原冰川在不同气候环境下的发育进行了模拟,包括不同朝向（东南坡和西南坡）冰川的发育,地形脊和地形槽处冰川运动的转化,降水对冰川物质平衡的影响。结果发现,东南坡的冰温较高,不需要太陡的地形,冰川就能产生较大速度的滑动,因此在东南坡冰速较大的冰川一般位于地势较低处;而西南坡的冰温一般偏低,只有具有较大重力加速度的冰川才能产生滑动,因此在西南坡冰速较大的冰川一般位于地势较高处。位于喜马拉雅山和西昆仑山的冰川其运动主要受重力加速度的影响。而位于念青唐古拉山东部地区的冰川,冰温和冰速从地形脊到地形槽处发生了较大的转化过程,在地形脊处冰温较低,受重力加速度的影响,冰川开始产生滑动,从地形脊到地形槽滑动的过程中,其底部受摩擦加热的影响,底部冰温升高,达到融化点,底部产生变形,到地形槽处仍会产生较大速度的滑动,因此冰川的运动从地形脊到地形槽处发生了转化,即地形脊处的滑动属动力过程引起的滑动,而地形槽处的滑动属热力过程产生的滑动。在藏东南、珠峰和藏西北冰川密集的地区,冰川都发育在这些山系的迎风面处,并且迎风面的冰川易出现在山腰至山脊处;在藏东南、珠峰南坡的雪线低于北坡的雪线,而藏西北地区西坡和东坡的雪线变化却不明显。前者是由于降水对冰川物质平衡的影响产生的,即随着地势的升高,液态降水逐步转化成固态降水,积累变大,物质平衡变大,因此冰川在山腰至山脊处发育。后者是由于风和地形效应引起的,它们增强了迎风面的降水,冰川在迎风面“迎风”增长,冰川在迎风面增长的越大,越少的湿空气能平流到背风坡,背风坡的冰川很难进一步增长,因此迎风面的雪线要低于背风面的雪线。对LGM时期,其外部强迫为该时期的年平均空气温度、海平面高度和ELA。构建了2种ELA,一种为古冰斗、冰碛陇的高度,另一种为由7月、5月0oC层的高度差得到的ELA,分别与复原的该时期的年平均空气温度和该时期的海平面高度,构成2种外部强迫方案,对LGM时期青藏高原冰川的覆盖程度进行了模拟,对有无统一大冰盖重新进行了评估。2种模拟结果发现,尽管高原的东南部和西北部冰川分布较集中,但仍有独立的冰川中心存在,并未形成统一大冰盖。进一步对冰川发育的环境进行了模拟,发现冰川运动与环境温度密切相关,在气候较暖地区的冰川比气候寒冷区的冰川更容易产生滑动。对小冰期,其外部强迫条件为该时期的年平均空气温度、海平面高度和ELA,ELA的构建采用经验方程反推ELAt的方法。模拟结果发现,17和19世纪冰川的覆盖程度较大,而18世纪冰川覆盖程度较小,这与该时期的气候冷暖是相对应的。通过敏感性试验研究了冰川面积受环境影响的变化,即平衡线高度的变化、表面空气温度、内部冰变形、底部冰变形、冰快速滑动、夏季空气温度和年降水量都会对冰川的面积产生影响。随着平衡线高度下降,冰川的面积逐渐增大;冷冰川其面积最大,无内部变形的冰面积次之,无底部变形的冰面积较小,而快速滑动的冰面积最小;在青藏高原,在同样的变化幅度内,夏季空气温度对冰川面积大小的影响要大于降水量的影响,即夏季消融对冰川面积大小的影响要大于降水量的影响。对本世纪冰川的预测,其外部强迫条件为该时期的年平均空气温度、海平面高度和ELA。在SRES本世纪气候情景下,对青藏高原冰川的变化进行了模拟。结果发现,在本世纪高原冰川的面积逐渐减小,但仍会出现2次冰进,分别在2045年和2080年。最后研究了青藏高原冰川平衡线高度变化与东亚大气环流和气候的关系。对平衡线高度变化分析发现,随着平衡线高度降低,青藏高原年平均和冬季降水量偏多,青藏高原西北部年平均和冬季降水量显著偏多,东部中国的北方地区年降水也偏多,但是东南部沿海地区年降水却偏少,青藏高原的年平均空气温度和夏季空气温度降低,位于其上的大气环流变化支持这种关系。随着平衡线高度的降低,位于乌拉尔山地区异常反气旋环流前部的偏北风南下,贝加尔湖地区异常的气旋性环流向西南加深,前者与印度异常反气旋环流前部的暖湿空气在高原西北地区相遇,形成明显的风场辐合区,在此地区产生异常的上升运动,并导致高原西北地区异常的偏多降水;而后者到达东部中国的北方地区,导致偏多的降水。在中国南部地区高空为异常的偏西气流,意味着高空偏东风的减弱,而低层仍然为异常偏西风,该地区上空的垂直切变减弱,有利于反气旋环流的产生,因此导致东南沿海地区降水减少。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 引言
• 1.1 研究的重要性
• 1.2 国外研究进展
• 1.2.1 古冰川的研究
• 1.2.2 现代冰川的研究
• 1.3 国内研究进展
• 1.3.1 古冰川的研究
• 1.3.2 现代冰川的研究
• 1.4 问题的提出和本文的创新点
• 1.5 研究方法及可行性
• 1.5.1 研究方法
• 1.5.2 利用GLIMMER 冰川模式模拟青藏高原冰川发育的气候条件可行性分析
• 1.6 本文的结构安排和主要研究内容
• 第二章 三维陆冰模式GLIMMER 介绍
• 2.1 陆冰模式GLIMMER控制方程
• 2.2 边界条件
• 2.2.1 上边界
• 2.2.2 下边界
• 2.2.3 侧边界
• 2.3 数值积分方法
• 2.4 外部强迫
• 2.4.1 EISMINT 驱动
• 2.4.2 EIS 驱动
• 2.4.3 GLINT 驱动
• 2.5 模式的应用
• 2.5.1 地形
• 2.5.2 外部强迫条件
• 2.5.3 模式空间分辨率
• 2.6 结语
• 第三章 青藏高原气候环境对现代冰川发育影响的模拟
• 3.1 所需资料和青藏高原地形
• 3.2 模式外部强迫
• 3.2.1 温度强迫
• 3.2.2 相对海平面变化
• 3.2.3 平衡线高度
• 3.2.3.1 观测的青藏高原现代平衡线高度
• 3.2.3.2 计算的青藏高原现代平衡线高度
• 3.2.3.3 计算和观测的现代平衡线高度对比
• 3.2.3.4 青藏高原现代平衡线高度的逐年变化
• 3.2.4 试验方案设计
• 3.3 模式系统的验证
• 3.3.1 现代冰川分布模拟与观测的比较
• 3.3.2 现代冰川冰厚、冰温和冰速模拟与观测的比较
• 3.4 不同气候环境下冰川发育的模拟
• 3.4.1 不同朝向（东南坡和西南坡）冰川的发育
• 3.4.2 地形脊和地形槽处冰川运动的转化
• 3.4.3 降水对冰川物质平衡的影响
• 3.5 小结
• 第四章 青藏高原气候环境对古冰川发育影响的模拟
• 4.1 末次冰期冰盛期（LGM 时期）冰川的模拟
• 4.1.1 所需资料和青藏高原地形
• 4.1.2 模式外部强迫
• 4.1.2.1 温度强迫和相对海平面变化
• 4.1.2.2 平衡线高度
• 4.1.2.3 试验方案设计
• 4.1.3 模拟结果
• 4.1.3.1 LGM 时期冰川的覆盖程度
• 4.1.3.2 环境温度对冰速的影响
• 4.2 小冰期冰川模拟
• 4.2.1 所需资料和青藏高原地形
• 4.2.2 模式外部强迫
• 4.2.2.1 温度强迫和相对海平面变化
• 4.2.2.2 平衡线高度
• 4.2.2.3 试验方案设计
• 4.2.3 模拟结果
• 4.2.3.1 模拟的小冰期的冰川面积
• 4.2.3.2 冰川参数对冰川面积的影响
• 4.3 小结
• 第五章 SRES 本世纪气候情景下青藏高原冰川的预测
• 5.1 SRES 气候情景简介
• 5.2 所需资料和青藏高原地形
• 5.3 外部强迫
• 5.3.1 温度强迫和相对海平面变化
• 5.3.2 平衡线高度
• 5.3.3 试验设计
• 5.4 模拟结果
• 5.5 小结
• 第六章 青藏冰川平衡线高度变化与东亚大气环流和气候的关系
• 6.1 资料和方法
• 6.2 高原气候的平均状况对青藏冰川分布的影响
• 6.3 青藏冰川平衡线高度变化与中国地区降水和温度的关系
• 6.3.1 ELAt 距平变化
• 6.3.2 青藏冰川平衡线高度变化与中国地区降水异常的关系
• 6.3.3 青藏冰川平衡线高度变化与本地空气温度的关系
• 6.4 与降水和温度异常相联系的大气环流特征
• 6.4.1 与年降水和年平均温度异常相联系的大气环流特征
• 6.4.2 与冬季降水异常相联系的大气环流特征
• 6.5 小结
• 第七章 结论
• 参考文献
• 致谢
• 个人简介