对喀喇昆仑山脉（位于青藏高原西北部）末次冰盛期冰川及气候的重建

《CATENA》：Reconstructions of global last glacial maximum glaciers and climate in the Karakoram Mountains, northwestern Tibetan plateau

末次冰盛期喀喇昆仑冰川面积体积重建及气候反演，基于地貌证据和年代约束绘制853条古冰川轮廓，利用ArcGIS重建冰川厚度和表面积，计算平衡线海拔（ELA）变化，揭示gLGM时期冰川覆盖71,725 km2、体积23,899 km3，较现代减少66.6%面积和90.2%体积，ELA上升373.3米，气候模拟显示年均温低4.5-8.8°C，降水30%-70%现代水平，并与青藏高原其他区域冰川变化对比分析喀喇昆仑异常持续性。

　　

孙雅青|徐向科|张宏杰|李久乐

中国科学院青藏高原研究所青藏高原地球系统、环境与资源国家重点实验室（TPESER），北京100101，中国

摘要

了解喀喇昆仑山脉冰川对气候变化的历史响应对于解释“喀喇昆仑异常”现象至关重要。然而，针对该地区古冰川范围的定量研究仍然有限，尤其是在全球最后一次冰盛期（gLGM；24–18千年前，参见Mix等人，2001年）的研究中。基于冰川地貌证据和时间约束，我们绘制了喀喇昆仑山脉853条冰川在gLGM时期的分布图。随后，我们使用ArcGIS工具重建了冰川的厚度和表面形态，并计算了平衡线高度（ELA）。我们还分析了该地区自gLGM以来的冰川变化。根据平均ELA的变化（ΔELA），我们利用冰川-气候模型推断出喀喇昆仑地区的gLGM气候特征。研究表明，在gLGM期间，喀喇昆仑山脉的冰川覆盖面积约为71,725平方公里，体积约为23,899立方公里，平均厚度约为127.7米，平均海拔约为4995.4米，平均ELA约为4991.9米。自gLGM以来，冰川面积减少了66.6%，体积减少了90.2%，而平均ELA上升了373.3米。据估计，gLGM时期的年平均气温比现在低约4.5–8.8°C，降水量约为现代水平的30%–70%。此外，通过对青藏高原（TP）及其周边山区gLGM时期气候重建的综合分析（基于冰川代用指标），我们发现从高原边缘向内部，温度变化的幅度逐渐减小。然而，基于气候代用指标得出的温度趋势与古气候模型比较项目（PMIP）的模拟结果相矛盾，后者低估了TP边缘地区的温度变化幅度。

引言

在全球气候变暖背景下，喀喇昆仑山脉的冰川表现出轻微的质量增加、流速加快、末端稳定甚至前进的现象（Cogley, 2012; Gardelle et al., 2013; Farinotti et al., 2020; Nie et al., 2021）。这种现象被称为“喀喇昆仑异常”（Hewitt, 2005）。本研究通过考虑碎屑覆盖、地形、气候/气象条件及冰川动力学等因素，对这一异常现象提供了可能的解释（Archer and Fowler, 2004; Hewitt, 2005; Fowler and Archer, 2006; Mayer et al., 2006; Mihalcea et al., 2006; Hewitt, 2007; Copland et al., 2009; Hewitt, 2011; Quincey et al., 2011; Norris et al., 2019; Farinotti et al., 2020）。然而，冰川行为是对长期气候波动的综合响应（Huston et al., 2021）。仅通过短期仪器观测可能无法完全理解这一异常现象的成因（Farinotti et al., 2020）。大气环流模型（AGCMs）的发展推动了这一复杂解释工作。Zhu（2022）利用AGCM数据重建了喀喇昆仑山脉Raikot冰川的历史变化过程，旨在理解导致这一异常的冰川过程和机制，为未来的预测研究做好准备。然而，Yang（2022）发现某些模型在模拟全球最后一次冰盛期（gLGM；24–18千年前，参见Mix等人，2001年）时表现不佳，这与气候代用指标的结果不符，从而导致对古冰川活动幅度的模拟不准确（Yan et al., 2018）。这些模型的局限性凸显了对gLGM时期冰川范围进行定量研究的重要性（Mix et al., 2001）。

定量研究古冰川的前提是具备时间约束。基于冰川年代学数据，已经重建了青藏高原不同地区的第四纪冰川活动序列（Dortch et al., 2013; Murari et al., 2014）。同时，人们认识到青藏高原不同地区的高山冰川在最后一次冰川周期中的最大范围出现时间不同，表明当地的gLGM是不同步的（Owen et al., 2002a; Hughes et al., 2013）。来自喀喇昆仑山脉多个地点的宇宙成因放射性核素（CRN）和光释光（包括热释光TL和光刺激释光OSL）测年结果表明，该地区的局部gLGM发生时间早于全球gLGM，并且与北半球冰盖的扩张不同步（Xu and Shen, 1995; Owen et al., 2002b; Seong et al., 2007; Owen et al., 2012; Xu et al., 2013; Hedrick et al., 2017; Ganju et al., 2018）。然而，喀喇昆仑山脉的冰川在gLGM期间也有所扩张。所有位于干旱的喜马拉雅-西藏地区的冰川都表现出上述演变特征（Owen and Dortch, 2014）。Owen等人（2002a）认为，gLGM期间的扩张可能是由于温度显著下降和中纬度西风加强所致（Benn and Owen, 1998）。

尽管之前的研究基于冰川地貌对喀喇昆仑山脉的gLGM冰川进行了定量分析，但这些研究仅限于计算区域古冰川的简单属性（Shi, 2002）或专注于局部古冰川重建（Xu et al., 2013）。目前尚不清楚gLGM时期喀喇昆仑山脉的总体冰体积，这阻碍了人们对冰川与气候系统之间复杂关系的深入理解。因此，我们利用通过时间研究确定的gLGM时期冰碛作为约束条件来勾勒古冰川的轮廓。在缺乏测年数据的山谷中，我们采用了地貌相似性原则进行划分。在此基础上，我们重建了研究区域内的gLGM时期冰川范围，并进一步利用冰川-气候模型推断了该地区的古气候特征。这项工作有助于我们了解喀喇昆仑山脉gLGM时期的冰川范围和区域气候特征，同时为其他气候代用指标提供了独立验证。更重要的是，它为评估和校正AGCMs提供了参考。更重要的是，本研究量化了自gLGM以来喀喇昆仑山脉冰川的损失情况，并将其与其他青藏高原地区的损失进行了比较。这种比较使我们能够评估研究区域的冰川变化是否与其他地区一致，以及喀喇昆仑异常现象是短期现象还是长期存在的。总体而言，这些分析为进一步研究喀喇昆仑异常现象提供了基础。

研究区域

喀喇昆仑山脉位于青藏高原的西北部，山脉呈西北-东南走向（图1）。为了确保古冰川区域重建的完整性和连续性，我们将整个塔什库尔干山谷纳入研究范围，并将其视为喀喇昆仑山脉西北部冰川区的一部分。喀喇昆仑地区覆盖面积约为90,780.7平方公里，平均海拔超过5500米。

古冰川轮廓绘制

为了了解gLGM时期喀喇昆仑山脉的冰川发育情况，首先需要确定gLGM时期冰川的分布范围。Google Earth提供了高分辨率的遥感图像（Guo et al., 2015），这有助于识别冰川地貌和划分古冰川范围。在Google Earth中，我们使用“添加多边形”工具手动追踪古冰川轮廓。对于云层覆盖或积雪遮挡地貌的区域，我们通过其他方法确定了古冰川的位置。

古冰川重建与ELA估算

基于重建的古冰川轮廓和流动路径，我们使用PalaeoIce工具箱模拟并获取了喀喇昆仑山脉853条gLGM冰川的厚度和表面DEM数据（图3）。在gLGM时期，喀喇昆仑山脉的冰川总面积约为71,725平方公里，体积约为23,899立方公里，平均冰厚约为127.7米，平均海拔约为4995.4米。平均冰川面积为约84.1平方公里。

冰川重建分析

总体而言，喀喇昆仑山脉主峰区域的冰川面积较大，而边缘区域的冰川面积相对较小。这种分布模式可能是由于主峰区域海拔较高且气温较低，更有利于冰川发育。由于冰川面积是根据数字化的冰川轮廓得出的，因此遥感图像的分辨率不确定性以及手动划分的准确性都可能对此产生影响。

结论

根据gLGM时期的冰川地貌，我们绘制了喀喇昆仑山脉853条gLGM冰川的轮廓。利用PalaeoIce工具箱，我们重建了这些古冰川的规模，并对gLGM时期与现代冰川的规模参数进行了统计分析。此外，我们还计算了两个时期的冰川ELA。根据平均ΔELA，我们使用P-T模型推导出了gLGM时期喀喇昆仑地区的ΔT-ΔP组合。

作者贡献声明

孙雅青：撰写——初稿、可视化、方法论、数据分析、概念构建。徐向科：撰写——审稿与编辑、撰写——初稿、监督、方法论、研究、资金获取、概念构建。张宏杰：撰写——审稿与编辑、可视化、研究、数据分析。李久乐：撰写——审稿与编辑、可视化、研究、资金获取、概念构建。

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

本研究得到了国家自然科学基金（NSFC项目编号42595533、42071002）和中国国家重点研发计划（项目编号2024YFB4710404）的资助。