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日期:2018-08-14 07:25


0 引言

2015 年8 月23 日- 9 月2 日,为执行科技部全球变化国家重大研究计划项目“冰冻圈变化及其影响研究”中对北美落基山和阿拉斯加冰冻圈环境的考察任务,由项目专家组组长秦大河院士、项目首席科学家丁永建研究员和项目第一课题负责人任贾文研究员以及项目第二课题负责人、兰州大学张廷军教授和项目特邀专家、北京师范大学董文杰教授组成的冰冻圈考察组,对落基山和喀尔喀斯特岭-内华达山脉冰川、冰缘与冻土环境、阿拉斯加冰川及冻土等进行了科学考察( 图1) ,通过近十天紧张的考察活动,在增加感性认识基础上,通过调查与交流,对美国西部冰冻圈基本状况有了进一步深化理解.

图1考察地点及线路Fig. 1The investigating locations and routes

图1考察地点及线路Fig. 1The investigating locations and routes  

1考察活动概况

当地时间23 日傍晚经旧金山达到美国科罗拉多州丹佛市( Denver,Colorado) ,丹佛位于落基山脉东南端的山前平原,第四纪冰川曾由落基山流出,覆盖了山前平原,因此在丹佛留下了许多第四纪作用的遗迹. 著名的科罗拉多大学波尔得分校( University of Colorado Boulder) 就位于丹佛60 km的波尔得小城,也是本次考察的第一站. “Boulder”英文意为漂砾、砾石之意,强大的第四纪冰川作用在此留下的印记由地名就可见一斑. 24 - 25 日由波尔得出发对落基山冰缘环境进行考察,重点考察了冰川作用地貌、冰缘现代过程以及当地政府如何面对日益显著的人类活动对山区脆弱环境影响所开展的保护工作.

26 日由丹佛经西雅图抵达阿拉斯加费尔班克斯( Fairbanks,Alaska) ,费尔班克斯地处高纬度,是北美洲最接近北极圈的主要城市. 阿拉斯加冬寒且漫长,夏凉而短,并有永昼与永夜的现象,贯通阿拉斯加南北、穿越多年冻土区的世界三大冻土工程之一的阿拉斯加输油管线就修建于此( 图2) .27 - 28 日,对阿拉斯加多年冻土、现代冰川进行了考察,重点考察了阿拉斯加北端典型的高纬度多年冻土现象及阿拉斯加南部山地冰川.

29 - 31 日,由西雅图至旧金山,沿北美喀斯喀特岭山麓考察现代冰川,重点考察了高纬度山地冰川变化及冻土地貌. 8 月31 日- 9 月1 日,由旧金山回国.

图2横贯阿拉斯加南北、长约1 300 km的输油管线Fig. 2An oil pipeline,about 1,300 km long,across Alaska's north and south

图2横贯阿拉斯加南北、长约1 300 km的输油管线Fig. 2An oil pipeline,about 1,300 km long,across Alaska's north and south  

图3美国西部( 除阿拉斯加) 现代冰川分布Fig. 3Map showing glaciers distributed throughout Western United States(except for Alaska)

图3美国西部( 除阿拉斯加) 现代冰川分布Fig. 3Map showing glaciers distributed throughout Western United States(except for Alaska)  

2对美国西部落基山和喀斯喀特岭地区冰冻圈的基本认识

过去通过文献对美国冰冻圈的了解是局部的、相对较模糊,缺乏对美国乃至北美冰冻圈基本状况的整体认识. 如落基山与喀斯喀特山地冰川的关系,阿拉斯加冰川与北极冰冻圈的关系等. 在文献中常见到北喀斯喀特冰川( North Cascades glaciers)和南喀斯喀特冰川( South Cascades Glacier) ,在地理位置上总以为两者是南北关系,而实际上北喀斯喀特冰川是指分布在喀斯喀特岭北部的冰川,是指这一地区的所有冰川. 北喀斯喀特包括美国西北部和加拿大的喀斯喀特山区,而南喀斯喀特冰川是其中的一条冰川.

北美西部有三条大致平行的山系,由东向西依次为落基山脉、阿拉斯加-海岸山脉-喀斯喀特岭-内华达山脉及分布在美国西海岸的海岸山岭( 见图1) ,美国西部冰川除阿拉斯加外,主要分布在落基山和喀斯喀特岭-内华达山( 图3) . 本次美国之行主要对丹佛附近的落基山冰冻圈进行了现场考察,对喀斯喀特岭-内华达山的冰川进行了线路考察,对阿拉斯加巴罗( Barrow ) 多年冻土及冻土地貌进行了现场考察,对阿拉斯加山地冰川进行了线路考察. 下面先谈谈对落基山和喀斯喀特岭地区冰冻圈的一些初步认识.

落基山现代冰川主要为冰斗冰川和洼地冰川,大多数冰川面积< 1 km2,受地形和微气候因素影响较大. 现有冰川面积约80. 2 km2[1],主要的冰川作用中心在蒙大拿和怀俄明,分别占整个落基山冰川面积的53% 和44% ,最大的冰川是位于风河地区( Wind River Range ) 的Gannett冰川, 面积3. 3 km2. 有少量的小冰川分布在科罗拉多、爱达荷和犹他州. 另外,在落基山还分布有2 982 处多年冰体或雪体,面积约149. 3 km2[2]. 冰川平衡线高度由蒙大拿北部的2 000 m到科罗拉多的大约3 700 m ( 图3) .

美国落基山没有长期的冰川物质平衡观测,在蒙大拿、怀俄明和科罗拉多有过短期的观测. 总体上,与全球冰川变化一致,在过去100 ~ 150 a中冰川面积和体积显著减少. 自19 世纪中期以来,在蒙大拿国家冰川公园,超过80% 的冰川已经消失[3],剩余的冰川自1900 年以来面积平均减少60% . 20世纪尽管全球变暖加剧,冰川面积减少速率却略有下降,在风河地区和科罗拉多弗兰特岭( Front Range) ,冰川面积减少了40%[2]( http: / /glaciers.research. pdx . edu / ) .

弗兰特岭北部的冰川,在20 世纪上半叶表现为退缩,1940 s中期到20 世纪末,冰川略有前进,之后呈现出略有退缩之势. 由于冰川面积年际显著变化及数据的差异,使得冰川变化的趋势较为复杂. 当地气候资料表明,1950 - 1975 年没有系统性的气候变化出现,而在此之后为显著的变暖. 地形因素,如风对积雪再分布及雪崩的影响等对冰斗冰川及悬冰川这类小型冰川的变化起到了主要作用.这些小型冰川对区域气候变化的响应敏感,例如安德鲁斯冰川仅仅用夏季气温就可成为冰川物质平衡很好的计算指标( r = - 0. 93) . 春季降雪也是影响冰川变化的重要因素. 冬季降水并没有因风吹雪和雪崩影响使冰川积雪增加,冬季积累几乎与直接降雪关系不大,超出大家预期的冰川退缩减速很可能是由于夏季云量的增加[4]. 最新的研究表明,北喀斯喀特地区的冰川变化与坡度和坡向关系不大,例如,大部分冰川朝向呈现为北向,这与西南和西风天气系统对这一地区的主控方向相背,对742 条冰川的统计表明,北喀斯喀特地区的冰川变化目前主要受地形遮蔽影响,而与其接受到的降水量关系不大[5]. 因此,像北喀斯喀特地区这类冰斗型或更小的冰川,局地地形与微气候因素对冰川变化的影响要比宏观地形和大尺度环流过程的影响更加显著.

上述冰川变化特征与中国天山中、东部、祁连山东部等小型冰川分布区冰川变化有相同之处,也有不同之处. 中国小型冰川近几十年、尤其是近十几年来呈现加速退缩之势,地形及微气候因素的影响似乎并不显著. 北美冰川以高纬度为其主要形成条件,海拔并不高,而中国及中亚冰川以高海拔为其成冰条件,气候变化在高纬度及高海拔地区的不同,必然导致冰川变化的差异. 同时,高纬度和高海拔冰川的形成、积累和消融过程、冰川的动力和热状况均存在着较大差异,其对气候变化的响应过程也必然随着这些差异而表现出来. 另外,高海拔冰川区的气象条件,诸如风、压、温、湿及辐射条件也与高纬度地区存在差异,如气压就相差30% ~60% ,它们对冰川变化的影响如何亦是值得探究的问题. 总之,美国与中国的冰川差异性变化的内在机制值得进一步深入研究.

美国西部山地积雪对当地居民生活和工农业生产影响很大,因为这一地区为地中海型气候,冬季为雨季,夏季为旱季,冬季积雪多寡对来年地表水资源量起着十分重要的作用( 图4) . 例如山区积雪融水可占到加州水库补给量的30% . 最新的研究发现[6],喀尔喀斯特岭-内华达山区2015 年4 月积雪创500 年最低,只有1951 - 2000 年同月平均量的5% . 异常低的冬季降雪和1 - 3 月有纪录以来的高温导致了这一结果的出现. 随着全球变暖持续,低降雪量和高温“共振”发生几率将会增加,这不仅对加州是一个气候变化影响的重要信号,对中国未来积雪变化的走向也是一个值得关注的警示,因为中国东北、华北、西北整个北方地区积雪变化对植被生态、农业等也有重要影响.

落基山和喀斯喀特岭地区也广泛分布着多年冻土和冰缘现象( 图5) ,冻土主要为不连续多年冻土. 多年冻土下限在美加边界地区约为2 000 m,在新墨西哥大约为3 500 m. 残存的更新世冰缘地貌出现在海拔600 ~ 1 000 m的山区地带,较现代冻土范围要低1 000 m以上[7].

石冰川在落基山和喀斯喀特岭地区广泛存在,是最显著的活动的冰缘现象. 整个地区在晚更新世冰斗主要由“真实的”冰川所占据,但在全新世,可能主要在过去3 000 ~ 5 000 a,则冰斗内却主要发育着石冰川. 目前冰川消失的许多空冰斗内石冰川也随处可见( 图6) . 已有的数据表明,石冰川随着小冰期后的变暖,流动趋于减缓,有些已经停止运动,甚至死亡.

3阿拉斯加冰冻圈

美国阿拉斯加实际上是北美大陆的西延部分,北部与北冰洋相接,西部与白令海相连,南部为太平洋. 阿拉斯加不仅纬度高,南北纬度范围约为55° ~ 72° N ,而且由南向北展布着太平洋山系( 阿拉斯加山脉) 和落基山山系,中间为山间高原,最北部是内陆平原( 图7) . 由于纬度高,且大部地区在北极圈内,多年冻土十分发育,山区则是巨大的现代冰川作用中心,在北部的阿拉斯加山地,发育了据说是世界上面积最大的山麓冰川-马拉斯皮拉冰川,面积达5 703 km2.


图4喀尔喀斯特山区冰雪是美国西部重要的水源地(左图);这里8月已经有积雪形成,新雪初上的喀尔喀斯山区(右图)(摄于2015年8月30日)Fig.4 Cascade ridge:the important water source in the western United States(taken on Aug.30,2015)

图5落基山东南部丹佛地区的冻土与冰缘现象Fig. 5Periglacial phenomena in Denver

图5落基山东南部丹佛地区的冻土与冰缘现象Fig. 5Periglacial phenomena in Denver  

图6喀斯喀特岭西雅图地区空冰斗中形成的石冰川Fig. 6Rock glaciers in an ice-free cirque,Cascade ridge

图6喀斯喀特岭西雅图地区空冰斗中形成的石冰川Fig. 6Rock glaciers in an ice-free cirque,Cascade ridge  

北极内陆平原几乎全部为连续多年冻土区,与之相关冻土地貌现象如冰楔、冰楔多边形及热融湖,与冻土过程相关的热融侵蚀等随处可见. 本次考察点之一的巴罗被称为世界顶端、美国最北的城市( 图8) . 巴罗已经被项目选定为海冰观测点,2014 年已经开始海冰观测的准备工作,2015 年可正式开始观测. 这里具备开展海冰观测的良好条件,巴罗小镇就在北冰洋岸边,观测便利. 只是这里冬季风大、温度低,气候严寒,生活条件艰苦.但相较中国大多数冰冻圈观测位于高海拔山地,条件还是要好许多. 整体来看,这里是开展冰冻圈多要素综合观测的绝佳地点,可同时开展冻土、海冰、积雪、生态、水文等观测,若未来条件允许,与美方联合在此建站开展冰冻圈综合观测研究,将对深化对高纬度冰冻圈变化的科学认识、正确理解冰冻圈多要素综合作用具有重要意义.

图7阿拉斯加地形简图Fig. 7Simplified schematic of Alaska

图7阿拉斯加地形简图Fig. 7Simplified schematic of Alaska  

图8巴罗海边的宣传广告Fig. 8Barrow : the northernmost city in the United States

图8巴罗海边的宣传广告Fig. 8Barrow : the northernmost city in the United States  


图9岸边的热融地貌(a)、星罗棋布的热融湖(b)及防止冻融破坏的通风式建筑(c)Fig.9 Thermokarst landform(a),thermokarst lake(b)and ventilated building against freezing-thawing damage(c)in Barrow


图10融雪和破冰期间的冰楔多边形(a)及在科尔维尔(Colville)河流三角洲地区连续的冰楔退化现象(b)[8]Fig.10 Ice wedge polygon(a)and degraded ice wedge(b)in the arctic coastal plain

在巴罗小镇周边,就可见到许多冻土现象( 图9) . 据调查[8],近地表几米深的冰楔占25% ,形成的冰楔多边形在北极海岸平原形成广泛分布的多边形网( 图10) ,这些沿岸冻土地貌受到波浪的频繁冲击. 差异性融化与侵蚀过程形成锯齿状陡岸地形,成为独具北极特色的地貌景观. 热融湖受波浪侵蚀就会成为浅滩的组成部分,形成弓形海岸线.

研究表明[9],巴罗地区多年冻土温度与其他地区一样,呈现增加趋势,尤其是近几年. 近表层多年冻土温度在冬季增加尤其显著. 在阿拉斯加北坡地区( North Slope) ,尽管在多年冻土顶板附近形成的渗浸富冰带导致了大量的地面沉降,但活动层变化并不明显. 1960 年代活动层厚度普遍较1990 年代大,与2000 年代基本一样. 活动层厚度显著的变化与植被、土壤基质、微地形、尤其是土壤湿度等地表景观类型有关. 地表景观的特殊差异性会影响活动层厚度对气候变化的响应,活动层对气候变化的差异响应可归结为地表和地下特性结合的地方性控制因素. 在宏观气候影响背景下,地方性控制因素对活动差异变化影响很大.

在北美北部不连续多年冻土地区,地温一般高于- 3 ℃,在连续多年冻土区地温可达- 15 ℃ 以下. 在泥炭和矿质土壤区,冻土温度年变化深度较浅,而基岩区则较深. 育空中部和南部山区的观测表明,多年冻土限制在一定范围内. 过去几十年,北极西部自1970s和加拿大东部自1990s初的观测表明,北美多年冻土整体上是变暖的. 尽管变暖的速率差异较大,但总体上表现为树线以北增暖较大. 在北美南部不连续多年冻土区,潜热效应使冻土热状态接近0 ℃,并在变暖条件下维系着多年冻土的存在,其结果就是多年冻土热状况的空间多样性随时间减少[10].

另一方面,阿拉斯加北极海冰十分发育,由于漫长的海冰覆盖时间及较低的潮位,极大地限制了波浪形成对海岸带的侵蚀,即使是在夏季,远离海岸线漂移的海冰也能有效减少波浪作用的影响. 尽管如此,海岸线的后退仍然是很快的,沿岸海冰消失的季节通常是夏秋季,此时风暴对岸线的侵蚀就十分严重[8]. 巴罗和温赖特( Wainw right) 小镇在海冰退离岸线时就有很长的岸线暴露,加之冻融过程影响,海岸就受到严重侵蚀影响. 因此,海冰、冻土变化对沿岸环境的影响也是值得关注的问题.

北极海冰变化对海洋航道的影响近来受到广泛关注,白令海峡无疑是航道能否通行的咽喉部位.在阿拉斯加白令沿海,海冰分布大致呈南少北多趋势. 北部海冰覆盖时间可超过半年,而在南部,海冰时有时无,甚至在隆冬,有时也没有海冰. 就在我们考察期间,在阿拉斯加安克雷奇召开了“全球北极领导者”会议,美国总统奥巴马亲自出席,这是美国开始重视北极、“回归”北极的重要标志. 北极对中国也具有重要的地缘战略意义,中国科学家如何为此做出应有贡献,冰冻圈研究无疑是重要内容.

南部的阿拉斯加海湾,冰川侵蚀地形、地貌随处可见. 来自于山地冰川区的泥沙至今仍然对海湾影响巨大. 由于阿拉斯加山脉沿南部海岸平行展布,一些大型山麓冰川的前端直接伸入到海洋之中,形成所谓的入海冰川,这也是阿拉斯加海岸线变化最快速的地方,著名的马拉斯皮拉冰川就是这类冰川. 与阿拉斯加海湾地区不同,阿拉斯加东南部受构造活动和冰川作用共同影响,地形起伏较大. 在末次冰期冰盛期,冰盖达到阿拉斯加东南端,越过了今天的海岸线直抵大陆架.

阿拉斯加冰川面积约75 000 km2,占陆地面积的5% ,主要分布在11 个山区( Coast Mountains,Saint Elias M ountains,Chugach M ountains, Kenai M ountains, Aleutian Range, Wrangell M ountains,Talkeetna M ountains, Alaska Range, Ahklun and Wood River M ountains, Kigluaik M ountains, and Brooks Range) 、一个大岛( Kodiak Island) ,一个群岛( Alexander Archipelago) 和一个岛链( Aleutian Islands) 上. 确切的冰川数量不是很清楚,因为美国没有进行冰川编目工作. 粗略估计,阿拉斯加冰川数可能超过100 000 条[11],其中约有2 000 条山谷冰川,在这些山谷冰川中约有60 条为入海冰川[12],其面积达27 000 km2,约占阿拉斯加冰川面积的1 /3. 对阿拉斯加大范围冰川变化的分析表明[11],超过98% 的冰川处于退缩和减薄状态. 一些冰川在20 世纪已经消失,一些地区的冰川退缩早在18 世纪就开始,一直持续至今. 一些地区冰川退缩还导致冰川面积和体积减少的情况下,冰川数量同时也增加. 退缩冰川主要分布在海拔1 500 m以下的地区,高海拔地区的冰川变化较小. 有少量冰川表现为前进或厚度增加,大约有700 条已知的冰川处于这种状况. 前进冰川多数目前是或以前曾是入海冰川,其中有些冰川已经扩张了两个多世纪,这种状况可能反映了阿拉斯加的许多冰川仍表现为后小冰期过程及对区域气候的响应过程. 最近的研究表明[13],在研究的50 条入海冰川中,1948 - 2012 年持续退缩的冰川只有20 条,有进有退的冰川28 条,前进冰川2 条. 从阿拉斯加入海冰川的变化来看,尽管存在着冰川普遍退缩的现象,但将其简单归因于现代气候变化的结果还需要更加深入的研究.

4结语

通过对美国冰冻圈短暂的初步考察,对美国西部冰冻圈分布和变化有了宏观认识. 高纬度山地冰川、冻土以及海冰、积雪冰冻圈要素有其自身生存特点和变化特征. 长期以来,中国冰冻圈研究只关注以青藏高原为主体的冰冻圈,而忽视全球视野下的冰冻圈研究,缺乏冰冻圈科学的整体观. 中国冰冻圈科学研究要真正引领世界,必须由高原走向高纬,在全球冰冻圈的视野下审视未来冰冻圈研究的主要方向,在可持续发展的目标下拓展区域发展中的冰冻圈问题.

考察留下深刻印象的不是冰冻圈自身现象,而是将冰冻圈现象与现代社会结合,使冰冻圈景观成为旅游资源. 通过冰冻圈科学知识的介绍,将各种冰冻圈现象融入自然景观与生态景观中,将旅游、休闲、环境保护与科学普及融为一体. 而做到这一切,均是以公益为目的、而不是以盈利为追逐目标,这一点是中国冰冻圈未来开发利用需要关注的方向. 冰冻圈科学知识如何服务于社会,造福于国民,中国在此方面有很大潜力. 但中国冰冻圈以高海拔为主,如何开发利用,应该是冰冻圈科学未来的一个研究方向.


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