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雪線
來源:互聯網

雪線(Snow 譜線)是陸地上終年積雪(積累區)與夏季無雪區(消融區)之間的固態降水零平衡線,即陸地表面有無積雪覆蓋地區的分界線。在雪線以上,氣溫較低,年降雪量大于年消融量,積雪存留下來,為常年積雪區;在雪線以下,氣溫較高,年降雪量小于年消融量,積雪融化,為季節性積雪區;雪線附近,年降雪量等于年消融量,達到動態平衡。

雪線是氣候的產物。其高度受地形地貌、自然環境變遷、人類活動的影響。受不同因素的影響,雪線可分為氣候雪線、區域雪線、地形雪線、永久雪線、瞬時雪線、季節雪線、粒雪線、干雪線和濕雪線等。雪線的空間分布實質上是水熱條件緯度地帶性變化的反映,因此其高度與緯度的關系甚為密切;就世界范圍來說,雪線是由赤道向兩極降低的。

雪線與森林線、多年凍土下界線(冰緣線)和山地寒漠土上界線(土壤線)等同為重要的自然地理要素。雪線的高度變化信息反映了積雪的消融和進退,也綜合反映了缺乏地面氣象臺站的高山高原及極地地區氣候、環境的基本狀態,對冰川的物質平衡以及冰川區環境具有較好的指示意義。

定義

冰川學中,雪線是指連接積雪能在夏季全部融化的、平坦的、非陰處地面的最高點所構成的面,在這個面上雪的積累與消融量達到平衡,即冰川上雪的積累量與消融量相等的地方,因此雪線又稱冰川物質平衡線。

雪線是越過冰川的,是夏季未裸露冰與粒雪區的界限,故又將雪線稱為粒雪線。如果冰川上有附加冰帶存在的話,粒雪線就是附加冰帶的上限,而物質平衡線則是附加冰帶的下限。粒雪線是看得見的,而冰川物質平衡線則是通過觀測計算得到的。

概念的提出

雪線這一概念的命名和最初的使用并沒有確切的記錄指向單一的科學家或地理學家。這個術語逐漸在19世紀的地理學和地質學研究中被廣泛接受和使用,特別是在研究山脈和冰川的學者中。19世紀中葉,歐洲科學家如阿爾布雷希特·彭克(Albrecht Penck)和愛德華·布里克納(Eduard Brückner)在研究阿爾卑斯山脈的冰川和氣候變遷時,對雪線的概念進行了詳細描述。他們對山脈的冰川和氣候條件進行了廣泛的觀察和記錄,這些研究促進了現代雪線概念的形成和發展。

中國現代冰川的研究一開始深受蘇聯冰川學的影響。冰川積累區和消融區的分界線,也就是物質平衡等于零的高度,西方稱之為“平衡線”。蘇聯卻稱其為“雪線”,而消融期末冰川上看到的粒雪覆蓋區和冰面裸露區之間的界線則稱之為“粒雪線”。中國早期的冰川學名著《中國現代冰川的基本特征》應用蘇聯這套概念。直到20世紀80年代,這些術語仍在中國廣泛使用,如《中國冰川概論》《中國冰川水資源》也都把“雪線”當作“平衡線”的同義語。在西方冰川學界則多用平衡線表示冰川積累區與消融區的分界線,而稱蘇聯學者所指“粒雪線”為“雪線”。

成因和影響因素

形成原因

雪線是氣候的產物,是現代冰川中一個重要指標。雪線的形成與氣候條件、冰川的積累和消融過程以及冰川的年際變化緊密相關。存在兩年及以上時間的雪,即經過一個完整的融化季仍未完全融化的雪,這部分雪常年積累并經過漫長的成冰過程可轉化為冰川冰。在冰川表面,就會形成夏季末裸露冰與粒雪的界限,即雪線。

影響因素

緯度因素

雪線位置的緯度決定了當地的年均溫和年較差,從而對雪線的水熱條件起重要的影響作用。中國冰川最低雪線(海拔2800~3000米)出現在49°06′N的阿爾泰共和國山。隨著緯度降低,雪線逐漸升高,如:44°N附近的北天山雪線高度為海拔4000米,而37°N的昆侖山脈北坡雪線高度升至海拔5200~5400米,至喜馬拉雅山脈北坡升高到海拔6000米。最高雪線出現于西藏自治區西部和珠穆朗瑪峰北側,可達海拔6000~6200米,也是北半球最高雪線位置所在。由北向南每降低一個緯度,雪線升高約152米。

氣候因素

雪線的高度與該區的年均溫、年降水量和固態降水率(降雪率)密切相關。影響雪線的氣候條件有溫度、年均溫、年分配、年較差、降水、年降水量、年分配、年固態降水度、年降雪量等諸多因子。溫度的年較差在很大程度上決定了溫度的年分配,是一個具有主導意義的影響因子。雪線的先決條件是溫度年均溫低于0℃,年均溫在0℃以上的變化,主要決定于當地的降水量。一般情況下,溫度與平均海拔成反比關系,隨著高度的增大,大氣溫度隨之降低。

溫度

雪線的分布高度與氣溫成正相關,氣溫是影響雪線高低的主要因素,因此海拔相同的高山雪線分布是緯度越低,雪線越高。亞熱帶地區氣溫最高,雪線最高。由于地表氣溫由低緯向高緯遞減,使雪線分布高度的總趨勢也由低緯向高緯遞減。如雪線高度在熱帶非洲為4500-5200米到阿爾卑斯山脈降至2400-3200米,北極圈內在200米以下。

降水量?

雪線高度除受溫度影響外,還受降水量的影響。海洋性氣候區降水量大,雪線降低;大陸性氣候區降水量小,雪線較高。降水量與雪線成反相關,降水量越大,雪線越低,降水量越小,雪線越高,如中國天山-祁連山脈一線,水汽來源主要受西風帶的控制,所以由天山西段向東,降水量遞減,山地雪線升高,到天山東段雪線達5000米以上,再向東到祁連山東段,由于太平洋的水汽增多,雪線反而開始降低。

季節變化?

夏季氣溫較高,雪線上升,冬季氣溫降低,雪線下降。只有夏天雪線位置比較穩定,每年都會恢復到比較固定的高度。

地形因素

地形?

地形因素對雪線的影響,主要表現在山勢和坡向上。從山勢上看,陡峻的山地,積雪易下滑,不利于積雪保存,雪線偏高;坡度較小的山地,有利于積雪沉積,雪線偏低。在平均海拔相同的山坡兩側,向陽坡接受的太陽輻射量較多,氣溫偏高,雪融化較快,雪線位置較高;背陽坡接受的太陽輻射量較少。

具體到某一山區,主要看氣候與地貌兩方面對其影響的強弱,如喜馬拉雅山脈南坡既是向陽坡,又是迎風坡,但水分條件的影響超過了熱量條件的影響,因此,降水量豐富的喜馬拉雅山南坡比于燥少雨的北坡雪線高度要低。喜馬拉雅山南坡面向印度洋,夏季西南季風帶來豐沛的降水,年降水量在2000毫米~3000毫米以上,在同等氣溫(低于0℃)情況下,南坡空氣易達到過飽和,產生降雪,形成海洋性冰川,雪線高度在4500米左右。北坡位于西南季風的背風坡,受喜馬拉雅山的阻擋,印度洋的水汽難以到達,年降水量一般只有600毫米~800毫米,空氣要達到過飽和,必須海拔升高,氣溫繼續降低,才可能產生降雪,形成大陸性冰川,雪線大多在6000米左右,個別地區達6200米。阿爾卑斯山脈北坡為背陽坡,蒸發弱;北坡又是迎風坡,大西洋水汽在此產生了大量的降水。因此,阿爾卑斯山北坡雪線較低,南坡雪線較高。

海拔?

積雪覆蓋率與海拔正相關,海拔越高積雪覆蓋率越大。雪線是陸地上終年積雪(積累區)與夏季無雪區(消融區)之間的零平衡線,海拔越高,雪線更易形成。

生態和環境因素

植被

生長期地表植被覆蓋度越好,雪線高度越低。植被能截留 40%~50%的降雪量,同時影響積雪的重分布過程,且植被的蓋度、高度以及地形都會對積雪的累積及消融過程產生不同影響。

土壤

土壤的保水性和熱容也會影響雪的融化速度,進而影響雪線的位置。當凍土的深度小,其屏障作用有效地阻礙了雨水和融雪水的滲透。

其他因素

雪線高度還受自然環境變遷、人類活動的影響。全球變暖、臭氧層破壞、沙漠化、礦物能源的燃燒等都會影響雪線的變化。隨著城市化和工農業的發展,人類排放的CO2增多,CO2的保溫效應使整個大氣圈層增溫,導致全球氣候變暖。溫度升高,雪線分布越高。氟利昂的大量使用使極地地區的臭氧層范圍大幅度縮小,臭氧層厚度越薄,范圍越小,照射到地面的紫外輻射越多,不僅對人類健康產生影響,還使雪線分布越高。

分類

受氣候、地理等不同因素的影響,雪線可分為氣候雪線、區域雪線、地形雪線、永久雪線、瞬時雪線、季節雪線、粒雪線、干雪線和濕雪線等。

資料來源

分布特征

全球

由于全球溫度由赤道向南北兩極遞減,一般低緯度地區雪線分布高,高緯度地區雪線分布低,在南北極,雪線就降低在地平線上。但是雪線分布最高的地方不在赤道,而在亞熱帶地區,這是由氣溫和降水兩方面綜合作用的結果。副熱帶高氣壓區,氣流下沉,空氣干燥,降水量少,雪線分布高;赤道地區,氣流上升,對流顯著,云層厚,太陽輻射被削弱強度大,到達地面的太陽輻射減少,而降水量又大,所以雪線分布較低。

中國

在中國,由于地形復雜,氣候的東西方向存在十分明顯的差異,尤其是青藏高原的存在,使得現代地形雪線在青藏高原地區呈環狀分布,改變或破壞了雪線的緯度地帶性分布規律。

中國氣候雪線的空間格局與分布特征,是現今地形地貌和氣候條件所決定的,主要有以下四個特征:

①雪線的最高值(6000米~6200米)位于藏西北的阿里地區。氣候雪線高程的相對低值區分布在藏東南波密-察隅縣一帶,雪線高程,呈一近SN向的槽谷。

②中國東部地區的氣候雪線高程自北向南逐漸增高,從2300米增加到5100米,并在長江中下游平原存在一個近EW向展布的低值槽谷(4200米~4400米)。東南部與西北部比較,長江中下游的氣候雪線高程與北天山和新疆天山的氣候雪線高程相近;臺灣和南嶺(4500米~4700米)與西秦嶺、祁連山脈和南天山基本一致。

③氣候雪線高程東西差異顯著,在北緯35°線上等值線的差異最大,東部最大為4100米,西部6200米,差異高達2100米。沿北緯30°線氣候雪線高程東部最大為4100米,西部5900米,差異亦達1800米。

④在北緯25°線以南和北緯40°線以北,氣候雪線的東西差異不太明顯,同緯度的氣候雪線高程僅比東部高100米~300米,顯示緯度地帶性特征明顯。

第四紀不同時期,隨著構造地貌和冰期氣候的演變,氣候雪線的空間分布格局和特征也會隨之發生變遷。青藏高原對氣候的深刻影響,改變了西部地區氣候雪線的高度和溫度的緯度地帶性變化規律。

影響?

雪線的變化對自然環境和人類社會產生深遠影響。自然方面,雪線后退長期可能導致水資源枯竭,生態系統也因冰川消融改變,潛在釋放冰封微生物,威脅生物多樣性和人類健康。人類社會方面,雪線上升影響高山地區水資源供應,威脅水電生產和滑雪旅游業,尤其是低海拔地區。氣候變化導致的雪線變化也威脅傳統社區生存方式。

水文周期調節?

在雪線以上的地區,積雪在冬季累積并在夏季不完全融化,這些未融化的積雪通過緊密壓縮最終形成冰川。融化的積雪通過緊密壓縮最終形成冰川。因此,雪線的高度直接影響冰川的積累區的位置和大小。冰川是固體水資源,它的消融和積累對河川徑流具有天然調節作用,可以彌補因降水減少而造成的河流水量不足。積雪在全球水循環中也起著重要作用,全球淡水年補給量大約5%來自降雪,其中亞洲歐洲北美洲的大江大河,包括中國的長江黃河,春季補給主要來自融雪徑流。東北地區、新疆、西藏自治區等地區春季融雪形成春汛及時地滿足了春灌的迫切需要,為農業發展提供了得天獨厚的水資源條件。

當雪線上升時,積雪也開始融化,冰川積累區減少,從而加速冰川的消融退縮。冰川消融退縮,短期影響利大于弊:冰雪融化提前,年內冰川消融期增長,冰雪融水徑流形成的時間提前,這有利于緩解流域春旱缺水狀況,有利于經濟社會發展,但長期影響弊大于利。從長遠來看,冰川資源是有限的,當冰川消融到一個臨界點后,融水量就會隨之減少,最后甚至消失,那時對下游綠洲產生的影響將是巨大的。

生態系統變化?

植物

雪線以上的永久積雪覆蓋的區域對大多數植物種類的生長具有影響,這可歸結為主要生態過程對積雪-植被關系調控的相對重要性:積雪的土壤水分效應(一般表現為積雪多—水分多—植被變好;正的促進效應);積雪對物候期的影響(一般表現為積雪多—春季物候推遲—植被變差;負的抑制效應)。在第三極和北美的中西部,積雪的土壤水分效應起了主導作用,因此積雪對植被生長的影響主要表現為正的促進作用;而在歐洲中部,由于積雪對物候期的影響起著決定性作用,因此積雪對植被生長主要表現為負的抑制作用。

動物

雪線的高度直接影響冰川的積累區的位置和大小,雪線上升,冰川、積雪也開始融化。冰川補給河流是自然界中最嚴酷的環境之一,冰川長期的影響及季節性融水導致淡水生境中各項物理化學因子的改變。這種改變直接影響了水生生物群落,因此生物的多樣性和群落空間分布格局通常表現出一種特有的模式。冰川流域具有水溫低,河道穩定性低,濁度高(即懸浮泥沙),導電性低,時空變異性高的特點。高時空異質性能夠維持較高的水生生物多樣性。水生生物(如物種密度、物種多樣性和群落結構等)的分布往往會隨著冰川徑流溫度的變化而變化,并且在冰川補給河流環境中擁有許多獨特的珍稀物種。

冰川加速融化使得靠冰川補給的河流豐富了,濕地面積增加,單位面積上物種呈現增加態勢;另一方面,如果冰川退卻是一個不可逆的過程,那么物種的暫時豐富就是落日余暉,一旦冰川融化盡,高原將進入荒漠時代,物種將減少甚至消失。

觀測與研究

觀測

通常,融雪期末年內積雪覆蓋面積最小時所確定的積雪下邊界線高度為雪線高度。季節變化就能引起雪線的升降,這種臨時現象叫做季節雪線。只有夏天雪線位置比較穩定,每年都回復到比較固定的高度,由于這個緣故,測定雪線高度都在夏天最熱月進行。由于測量復雜,室內計算誤差大,人們常用粒雪線替代雪線,許多學者也認為粒雪線就是理論雪線。

雪線提取的方法從傳統的實地考察測量,到結合實測數據間接量測,這兩種方法工作量大、任務艱巨且數據不完整,且對較難到達的冰川無法獲得其雪線信息或很難驗證判讀的雪線高度的準確性。目前發展到目前基于遙感手段進行雪線高程的動態研究。隨著全球氣候變暖,各高海拔山脈的積雪呈現出不同趨勢的減少,對區域水循環產生了極大的影響,所以動態的雪線監測對水資源利用保護和水庫的合理調洪調度可起到關鍵作用。

遙感

基于光學

遙感方法可以獲取大面積、大尺度上的冰川雪線高度。自1972年Landsat計劃生產第一景可用光學遙感影像以來,遙感方法被廣泛用來監測如冰川范圍、邊界位置、表面高程和雪線位置等冰川特性。識別方法主要是提取積雪、區分雪冰邊界、基于DEM確定雪線高度。雪線位置識別方法包括波段組合以及設定閾值方法或基于圖像波段組合設置閾值,再根據影像獲取時間的光照條件,對1-3個波段設定閾值來區分雪冰界限確定雪線位置,或者對遙感影像進行正射校正、冰川邊界提取和飽和像元校正、大氣校正、地形校正等預處理,然后可利用監督分類、非監督分類、混合分類,決策樹和支持向量機等分類方法進行分類,將研究區分為冰、雪和粒雪等,再結合DEM提取雪線。

微波遙感

光學遙感通常被用來確定積雪和冰覆蓋范圍,但光學遙感易受云覆蓋及山體陰影的影響且雪和冰的光學性質類似。雷達對目標媒介的雷達后向散射敏感,且具有全天候、日夜成像能力。利用微波遙感識別雪線實質上與光學遙感類似,只是物理基礎不同,提取雪線也是基于不同的影像處理方式和不同的分類方法,如決策樹、支持向量機、混合分類和監督分類等,對影像分類區分雪冰界限,然后基于DEM提取雪線。

地形圖判讀

具有多年觀測資料能用以確定平衡線高度的冰川數量很少,因此常利用航空相片或大比例尺地形圖來判讀平衡線位置,航片上一般可讀出航攝時粒雪和裸露冰的分界線,實際是瞬時粒雪線。從地形圖上判讀平衡線,有赫斯法:假定平衡線位于等高線由消融區的上凸轉為積累區的下凹處;霍費爾法:假定平衡線位于冰川末端高度和山脊平均高度或邊緣裂隙高度的算術平均值處;庫洛夫斯基法假定平衡線將冰川按冰川面積平均分為積累區和消融區;列希頓克爾法:假定平衡線在冰川表面或邊緣,首先出現冰磧的高度上。

基于GIS空間分析技術

基于GIS空間分析方法基于水流路徑分析原理,利用對水流路徑上積雪覆蓋信息逐像元對比,記錄最下點位置形成積雪區下邊緣點,順次連接各點形成雪線,在此基礎上求算了多年平均雪線,然后再結合數字高程模型確定雪線高度。該方法可避免雪蓋內部積雪空缺區域對下邊緣提取的影響,為快速、準確分析大范圍雪線時空變異提供基礎。

三角形模型

三角形模型法利用遙感影像基于設定閾值區分云、冰和積雪,計算積雪面積,根據山體三角形模型建立的積雪面積和雪線高度關系來確定雪線高度。雪和冰的判別是根據遙感影像不同通道的反射率差異區分。在此基礎上,利用NDSI來提取積雪面積,該方法能區分雪與模糊云,但不能很好地判別薄卷云和雪。因此根據實際情況和云、雪和冰在不同通道的吸收特征,增加通道設定閾值來檢測云、雪和冰。該方法對于近星下點的資料獲取的雪線高度影響較小,對于非星下點,由于該模型未考慮衛星方位角的影響故誤差較大,此外由于山體本身不是規則的,θ角不是一成不變的。

研究

理論

物質平衡模擬和重建

中國科學院西北生態環境資源研究院(簡稱西北研究院)新疆天山冰川國家野外科學觀測研究站(簡稱天山冰川站)針對已有物質平衡模型較少考慮冰下熱通量的問題,通過耦合冰川能量物質平衡模型與多層冰溫模型量化了冰下熱通量對烏魯木齊市河源1號冰川物質平衡模擬的影響。2010年,天山冰川站開啟了祁連山脈中段十一冰川物質平衡觀測工作,基于實測資料,利用發展的冰川物質平衡模型重建了該冰川1964-2017年物質平衡。

高原復雜地形下雪線時空變化特征及預測

2024年3月28日,由青海省氣象科學研究所承擔的青海省科技廳項目“高原復雜地形下雪線時空變化特征及預測”正式立項。項目圍繞落實國家加強冰凍圈的監測重要需求,利用多源遙感數據,發展復雜地形下雪線提取算法。

應用

雪線高度是水文學和冰川學中許多應用的輸入參數。例如,瞬時雪線高度在冰川流域的能量平衡中扮演重要角色,控制消融時間和消融量。溫冰川消融季末的雪線高度大致等于平衡線高度。平衡線高度可用來估計冰川凈物質平衡。

確定ELA

全球尺度上冰川的物質平衡觀測資料很少。而整個山脈規模或氣候區域的冰川、積雪參數(物質平衡和平衡線高度)的觀測有助于理解區域尺度上氣候—冰川的關系和分析形態學參數(坡向、坡度、海拔和緯度)和氣象參數(溫度和降水)對冰川的影響。

確定瞬時積累面積比和物質平衡

測量冰川響應的最佳方法是觀測冰川物質平衡,因為物質平衡是冰川對氣候變化的直接響應。但物質平衡觀測需要大量的資金和技術支持,且對于整個山系很難獲得足夠的代表性。因此需要替代的方法來確定某個山系的冰體是增加還是退縮,可用冰川多年夏末雪線高度的觀測作為冰川物質平衡值的代表。

利用區域雪線估計云層覆蓋下積雪面積

光學遙感最大的問題是云層覆蓋導致地物不能識別或不易識別。區域雪線積雪面積制圖方法能夠適用于即使MODIS/Terra云量覆蓋范圍高達90%。云量能從60%減少到10%而幾乎不改變制圖精度。區域雪線方法基于像元的重分類,根據云相對于區域雪線高度位置指定云像元為雪或陸地。利用754個氣象站的雪深數據驗證該方法,會發現兩者的分布趨勢基本一致。此外,還可以利用雪線高度測試和校準冰川徑流模型等和估計山體效應等對雪線高度的貢獻和大尺度雪線分布。

參考資料 >

雪線-snow line.中國大百科全書.2024-05-10

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【人民日報】祁連山冰川加速退縮.中國科學院.2024-05-10

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