1952–2009年青藏高原東南部貢嘎山海螺溝流域冰川物質平衡數據集

1952–2009年青藏高原東南部貢嘎山海螺溝流域冰川物質平衡數據集
作者：張勇　劉時銀　劉巧
2018年11月28日

本作品收錄於《中國科學數據》

張勇, 劉時銀, 劉巧. 1952–2009年青藏高原東南部貢嘎山海螺溝流域冰川物質平衡數據集[J/OL]. 中國科學數據, 2018, 3(4). (2018-09-04). DOI: 10.11922/csdata.2018.0042.zh.

摘要&關鍵詞

摘要：冰川物質平衡是反映氣候變化的敏感指標，是評估冰川變化對水資源和海平面上升影響的基礎。然而，青藏高原具備連續物質平衡監測的冰川數量較少，尤其是青藏高原東南部海洋型冰川分布區，加之該區域部分冰川消融區表磧分布廣泛，使得青藏高原東南部海洋型冰川物質平衡總體變化特徵尚不清楚。本研究基於物理機制的冰川能量–物質平衡模型、氣象觀測數據和格網氣象數據，重建了青藏高原東南部貢嘎山東坡海螺溝流域冰川物質平衡變化數據集（文本格式）。通過與流域不同時段冰川消融和徑流觀測對比，驗證了模型的精度。本數據集包括1952–2009年海螺溝流域冰川物質平衡數據和平衡線高度數據，總體反映了1952–2009年間海螺溝流域冰川物質平衡變化情況，可作為青藏高原東南部海洋型冰川區冰川變化、氣候變化等研究的基礎數據。

關鍵詞：海洋型冰川；物質平衡；能量–物質平衡模型；表磧；海螺溝流域

Abstract & Keywords

Abstract: Glacier mass balance is among the clearest natural indicators of ongoing climate change and is important for the assessment of water resources and sea-level rise. However, few glaciers in southeastern Tibetan Plateau are under continued mass balance measurement. In addition, debris cover is widely present in the glacier ablation areas of southeastern Tibetan Plateau, which affects the melt rate of underlying ice and consequently influences glacier mass balance. Accordingly, overall characteristics of glacier mass balance in this region are not yet clear. Hailuogou catchment is located in the east side of Mount Gongga, southeastern Tibetan Plateau. The dataset of glacier mass balance of Hailuogou catchment for the period 1952–2009 is reconstructed by an energy-mass balance model that accounts for the significance of debris cover and its effect on the ice melt rate, based on observed meteorological data and gridded climate data. These data are stored in TXT format. The model performance is then validated against observed ablation and river runoff in the catchment. This dataset includes mass balance data and equilibrium line altitude data, which can reflect overall variation in the glacier mass changes of Hailuogou catchment during the period 1952–2009. This dataset can be used as basic data for studying glacier change and its response to climate change in the maritime glacierized region of southeastern Tibetan Plateau.

Keywords: maritime glacier; mass balance; energy-mass balance model; debris cover; Hailuogou catchment

數據庫（集）基本信息簡介

數據庫（集）名稱	1952–2009年青藏高原東南部貢嘎山海螺溝流域冰川物質平衡數據集
數據通信作者	張勇（yong.zhang@hnust.edu.cn）
數據作者	張勇、劉時銀、劉巧
數據時間範圍	1952–2009年
地理區域	北緯29°30′–29°40′，東經101°50′–102°1′
數據量	1.7 KB
數據格式	*.txt
數據服務系統網址	http://www.sciencedb.cn/dataSet/handle/623
基金項目	國家自然科學基金項目（41671057、41761144075、41771075）；科技部科技基礎性工作專項項目（2013FY111400）；雲南大學引進人才項目（YJRC3201702）。
數據庫（集）組成	數據集共包括2個數據文件：Mass_balance_data.txt是流域冰川物質平衡數據；Equilibrium_line_atitude_data.txt是流域冰川平衡線高度數據。

Dataset Profile

Title	A dataset of glacier mass balance of Hailuogou catchment in Mount Gongga, southeastern Tibetan Plateau, during 1952–2009
Data corresponding author	Zhang Yong (yong.zhang@hnust.edu.cn)
Data authors	Zhang Yong, Liu Shiyin, Liu Qiao
Time range	1952–2009
Geographical scope	29°30′–29°40′ N, 101°50′–102°1′ E
Data volume	1.7 KB
Data format	*.txt
Data service system	＜http://www.sciencedb.cn/dataSet/handle/623>
Sources of funding	National Natural Science Foundation of China (41671057, 41761144075, 41771075); Fundamental Program of the Ministry of Science and Technology of China (MOST) (2013FY111400); Research Funds for New Talents of Yunnan University (YJRC3201702).
Dataset composition	This dataset consists of 2 subsets in total: (1) Mass_balance_data.txt is made up of time series of glacier mass balance in the Hailuogou catchment of Mount Gongga, southeastern Tibetan Plateau; (2) Equilibrium_line_atitude_data.txt is made up of time series of glacier equilibrium line altitude in the catchment.

引 言

冰川物質平衡是反映氣候變化較為敏感的指標之一，冰川作用區能量–物質–水交換的紐帶^[1][2]。冰川物質平衡特徵及其時空變化規律不僅與氣候變化密切相關，還是引起冰川性質和規模、區域水資源和海平面變化的物質基礎^[3][1]。因此，冰川物質平衡已成為全球氣候系統中一個重要的監測和模擬對象^[4][3]。過去幾十年間，在氣候變暖背景下，全球大多數山地冰川普遍退縮，且冰川物質平衡虧損呈加速趨勢，引起的海平面上升、水循環和生態環境等問題日益受到廣泛關注^[5][3]。目前，全球開展連續物質平衡觀測的冰川數量共126條，且冰川規模相對較小^[6]。在不同區域，由於冰川物理性質、規模的不同，導致冰川對氣候變化的響應差異較大^[7]，例如海洋型冰川對氣候變化比較敏感，大陸型冰川則較為遲鈍，這種差別很可能是由於物質平衡對氣候變化敏感性差異引起的^[8][2]。因此，對於不同區域冰川物質平衡研究來說，鑑於冰川物質平衡觀測的困難性，模型模擬是解決這一問題的有效途徑。

青藏高原東南部是我國海洋型冰川的主要分布區^[7]，該類型冰川對氣候變化的響應較為敏感，尤其是對氣溫變化的響應最為敏感^[7][1][2]。加之，部分冰川消融區表磧的廣泛分布使得該區域海洋型冰川對氣候變化的響應過程更為複雜^[9][10]。然而，在青藏高原東南部地區，僅少數幾條冰川具有連續的物質平衡監測^[11][12][4]。為了獲取海洋型冰川物質平衡變化序列，基於能量平衡和熱傳導理論，構建了流域尺度冰川能量–物質平衡模型^[9]。該模型不僅考慮了冰雪的轉化過程和融水再凍結過程，還耦合了表磧覆蓋下的冰川消融過程。本文選擇該區域貢嘎山東坡的海螺溝冰川流域作為研究對象（圖1），應用上述模型重建了該流域冰川物質平衡變化序列。海螺溝流域總面積約80.5 km2，該流域共有7條冰川，面積約36.44 km2，約占整個流域面積的45.3％。其中3條冰川是表磧覆蓋型冰川，表磧覆蓋面積占流域冰川總面積的8.2％^[9]。該模型精度已得到驗證^[13][9][10]，因而獲取的冰川物質平衡數據可靠，為進一步研究青藏高原東南部海洋型冰川變化及其對氣候變化響應的區域特徵與差異提供必要數據支撐。

1 數據採集和處理方法

1.1 數據源

本文採用的數據包括觀測的氣象、冰川消融和月徑流數據，0.5°×0.5°格網氣溫和降水數據，冰川邊界、表磧層熱阻係數和數字高程模型（表1）。其中氣象觀測數據（包括日平均氣溫、降水、風速、相對濕度和太陽輻射）以及月徑流數據，由中國科學院貢嘎山森林生態系統國家野外科學觀測研究站（簡稱貢嘎山站，海拔3000 m，主峰海拔7514 m，http://ggf.cern.ac.cn）提供，气象数据用于模型驱动和格网数据的误差校正，月径流数据用于模型的参数校正与验证。0.5°×0.5°格网日平均气温和降水数据选取了距离该冰川流域最近的网格数据，并基于冰川末端气温和降水观测数据对格网数据进行了误差校正^[9]。冰川邊界數據基於地形圖和遙感影像獲取^[14]，其用於冰川面積的計算；而不同時段觀測的冰川消融數據用於模型效果的驗證。遙感反演的表磧層熱阻係數是所應用模型的輸入數據之一，用於考慮表磧厚度空間分布對冰川消融的影響，而數字高程模型用於流域的高程分帶和氣象數據的空間分布。

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圖1 研究區位置示意圖

表1 數據集用到的各類數據列表

序號	數據名稱	時間（年份）	來源
1	冰川末端氣溫、降水、風速、相對濕度和太陽輻射觀測值	1988–2009	http://ggf.cern.ac.cn
2	0.5°格網氣溫數據	1951–2007	[15]
3	0.5°APHRODITE降水數據	1951–2007	[16]
4	冰川末端月徑流觀測值	1994–2002	http://ggf.cern.ac.cn
5	冰川邊界	1966、1975、1994和2002	[14]
6	冰川消融觀測值	1982–1983、1990–1994和2008	[17,18,19]
7	90 m分辨率表磧層熱阻係數	2009	[18]
8	30 m分辨率數字高程模型	1989	[20]

1.2 數據處理步驟

為重建海螺溝流域的冰川物質平衡序列，本文採用了基於能量平衡和熱傳導理論構建的流域尺度冰川能量–物質平衡模型。該模型由兩個模塊組成^[9]：第一個模塊是基於表磧覆蓋區和裸露冰川區表面的能量平衡方程計算用於冰雪消融的能量；第二個模塊考慮了冰川表面積雪轉化為冰川冰、融水再凍結等過程。需要特別指出的是，該模型考慮了表磧厚度空間分布對冰川消融的影響^[9]。

首先，基於表磧層熱阻係數的空間分布數據，將流域冰川區分為表磧覆蓋冰川區和裸露冰川區（圖1）。隨後，以上述氣象、表磧層熱阻係數等數據為驅動數據，按照圖2所示的模型計算流程，重建海螺溝流域冰川的物質平衡變化序列，同時計算了該流域逐年冰川的平衡線高度變化趨勢。其中，能量平衡各項計算方法和各參數優化過程參見Zhang等^[9]的研究，而冰川區不同高度上降水的液態和固態識別採用了臨界氣溫法確定^[4]。

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圖2 基於冰川能量–物質平衡模型重建海螺溝流域冰川物質平衡流程示意圖[10]

2 數據樣本描述

本數據集的數據存儲格式為文本格式，其中文本數據包括冰川物質平衡數據和冰川平衡線高度數據，命名為Mass_balance_data.txt和Equilibrium_line_altitude_data.txt，單位分別是mw.e.和m a.s.l.。樣本展示如圖3。

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圖3 1952–2009年海螺溝流域冰川物質平衡和平衡線高度變化圖

3 數據質量控制和評估

本文基於觀測氣象數據、格網氣象數據等，應用冰川能量–物質平衡模型重建了海螺溝流域冰川物質平衡序列。首先，通過冰川末端觀測的氣溫和降水數據對格網氣溫和降水數據進行了評估（表2）。總體上，氣溫和降水格網數據的日、月、年值與流域冰川末端觀測值有較好的相關性，但降水的相關係數低於氣溫。同樣，春、夏和秋季格網數據的相關性高於冬季。儘管冬季降水的格網數據與觀測值相關性較低，但該流域冰川屬於夏季補給型冰川，夏季降水占了全年降水量的80％以上^[9]，因此對模型精度影響相對較小。在此基礎上，基於二者建立的線性回歸方程對格網氣溫和降水數據進行了誤差校正^[9]。誤差校正後的氣溫和降水數據與觀測數據的相關係數分別達到了0.96和0.87^[9]。

表2 海螺溝流域冰川末端觀測氣溫和降水數據與格網數據的相關係數（顯著性水平p＜0.001）[10]

	氣溫a	降水b
日值	0.90	0.70
月值	0.98	0.96
年值	0.71	0.53
春季（3–5月）	0.98	0.90
夏季（6–8月）	0.91	0.70
秋季（9–11月）	0.99	0.95
冬季（12月至次年2月）	0.64	0.53

註：a採用的數據是1988–2007年間數據；b採用的數據是1988–2004年間數據。

冰川能量–物質平衡模型的模擬精度是通過流域內不同時期觀測的消融速率和月徑流數據進行綜合評估的^[9]。從圖4a和圖4b可以看出，該模型對不同時期冰川消融模擬結果與觀測值較為接近。總體上，冰川消融觀測值與模擬值的相關係數和均方根誤差分別為0.78（p＜0.001）和0.003 m w.e. d-1，尤其是不同表磧厚度下冰川消融速率觀測值與模擬值的相關係數達到了0.82（圖4b）。通過對比不同厚度表磧下的冰川消融速率觀測值與模擬值發現，二者的相對誤差僅為10％左右。與不同時期觀測的流域月徑流值對比發現，效率係數（Nash-Sutcliffe efficiency）達到了0.84^[9]（圖4c）。基於觀測氣象數據模擬的累計徑流值與觀測值相比低估了10％，而基于格網數據高估了4％^[9]（圖4d）。儘管個別時間點的模擬值有所偏差，但總體上，該模型能夠模擬出流域物質轉化的過程，因此該模型的模擬效果是可靠的。

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圖4 海螺溝流域冰川消融、流域徑流的觀測值與模擬值（數據來源於Zhang等[10]）

4 數據價值

冰川物質平衡數據是研究冰川作用區能量–物質交換的基礎數據，搞清全球不同區域冰川物質平衡變化過程、差異及其控制機理，能夠系統揭示冰川對氣候變化響應機理及影響的科學認識，進一步評估區域冰川變化的水資源效應、氣候效應、生態效應及其對全球海平面的影響。本數據集是基於物理過程的冰川能量–物質平衡模型重建的青藏高原東南部海螺溝流域冰川1952–2009年物質平衡序列和平衡線高度變化序列，可反映青藏高原東南部典型海洋型冰川區物質變化特徵。因此，本數據為研究青藏高原東南部地區海洋型冰川對氣候變化的響應特徵奠定了數據基礎。

5 數據使用方法和建議

1952–2009年青藏高原東南緣貢嘎山海螺溝流域冰川物質平衡序列和平衡線高度變化序列所有數據存儲格式均為文本格式。常用的辦公軟件均可支持該數據的讀取、編輯、查看、統計等操作。本數據集可靠性高，代表性強，可作為青藏高原東南部海洋型冰川物質平衡研究的參考數據，為區域氣候變化、冰川變化等研究提供基礎數據支持。

致 謝

感謝中國科學院貢嘎山森林生態系統國家野外科學觀測研究站提供的冰川末端氣象和徑流觀測數據。

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數據引用格式

張勇, 劉時銀, 劉巧. 1952–2009年青藏高原東南部貢嘎山海螺溝流域冰川物質平衡數據集[DB/OL]. Science Data Bank, 2018. (2018-06-29). DOI: 10.11922/sciencedb.623.