CC BY
76
ВНЕШНИЙ МАССООБМЕН ЛЕДНИКОВ АКТРУ: МЕТОДИКА НАБЛЮДЕНИЙ, ТЕНДЕНЦИИ ИЗМЕНЕНИЯ И КЛИМАТИЧЕСКАЯ ОБУСЛОВЛЕННОСТЬ
Ю.К. Нарожный
Томский государственный университет
Представлена методика наблюдений за «оставляющими баланса массы ледник»» Актру, выявлена степень их зависимости от климатических факторов, реконструировано балансовое состояние ледников до 1940 г. и показала тенденция его изменения за 60 лет.
Ледники Актру достаточно хорошо известны гляциологической общественности. Интерес к ним обусловлен прежде всего географическим положением -практически центр Евроазиатского континента - и, во-вторых, наличием длительного ряда непосредственных наблюдений по основным гляциогндроклимати-ческим параметрам, позволяющего судить о современных тенденциях динамики ледников в условиях глубоко континентальных районов. Для этих целей ледники Актру признаны опорными объектами в Сибири и включены в Мировую сеть мониторинга ледников.
Исследованиям внешнего массообмена, а также факторам его обусловливающим, в бассейне Актру посвящено достаточно много работ [3,6, 9,12,15 и др.], охватывающих в целом период с 1957 г, и по настоящее время. На разных этапах исследования основной комплекс наблюдений в летний период на ледниках в целом сохранялся, однако по отдельным составляющим - главным образом по аккумуляции - в первые годы степень детальности наблюдений, а, соответственно, и точность оценок были приблизительными, полученными, в основном, расчетным путем без учета процессов, происходящих в фирновой области. С тех пор рады наблюдений существенно удлинились и расширились, накоплен опыт измерений, обработки и обобщения полевых материалов. Это позволяет более качественно оценить составляющие баланса массы, а также выявить их зависимость от конкретных ороклиматических условий как на современном этапе исследований (1962-1999 гг), так и в предшествующие периоды.
Схема измерений составляющих баланса массы
Методика производства гляциологических работ включала в себя несколько этапов.
Измерения начинались с проведения снегомерных работ в период максимума снегонакопления, который отмечается в период устойчивого перехода среднесуточных температур воздуха в сторону положительных значений на высоте языков ледников.
В большинстве случаев этот перелом в Актру происходит довольно резко и со значительным скачком в абсолютном значении температуры. Это обстоятельство очень важно при определении даты максимума снегонакопления по всей площади ледников, вертикальная протяженность которых составляет от 500 до 1500 м. В этот период снегомерными работами охватывается основная площадь ледников по фиксирован-
ной на поверхности массовой сети продольных и поперечных профилей и абляционных реек (рис. 1), которые ежегодно контролируются в конце сезона таяния (либо подбуриваются, либо устанавливаются новые). Как правило, к этому моменту времени процессы перераспределения снега на ледниках Актру уже заканчиваются: повышенная влажность поверхности снега и наличие ветровых и радиационных корочек препятствуют возникновению метелевого перс отложения; снос снега лавинами с окружающих склонов также в основном завершается. В случае несовпадения даты максимума со снегомерными работами вводилась соответствующая поправка по данным временно действующих мстеопостов и осадкомерных пунктов, а также визуальных наблюдений по сета реек.
Одновременно с производством снегомерных работ закладывалась серия шурфов, мощностью от 1 до 10 м, в которых изучались структурно-стратиграфические особенности снежно-фирновой толщи, фиксировались мощности годичных горизонтов с послойным измерением их плотности, температуры толщи и другие параметры. Для этих целей использовались также трещины и разломы. Весь комплекс работ повторялся в конце сезона таяния, который в среднем приходится на первую декаду сентября. Таким образом, внутреннее питание измерялось методом послойного определения плотности в начале и конце периода таяния с учетом поправки на оседание. Затем эти данные интерполировались на всю область питания по известным значениям мощности и длительности льдообразования толщи, которые картировались по всей площад и областей питания в конце каждого балансового года по результатам съемок снежного остатка с контрольными отметками в трещинах и шурфах.
В течение летнего сезона, с периодичностью в 5 дней - на леднике Малый Актру и 10 дней - на Левом Актру и Водопадном, снимались величины тая* ния по сети абляционных реек При этом картировалось положение снеговой границы и измерялась величина наложенного льда. Полученные результаты наносились на крупномасштабные карты (1 ; 10000, 1 : 5000) и строились поля режимных характеристик.
Величина летней аккумуляции определялась следующим образом. В момент проведения снегомерных работ одновременно производили запуск наблюдений на временно действующих (в летний период) метео-посгах- Водопадный (3050 м), Учитель (2950 м), язык (2400 м) и фирновая зона (3250 м) Малого Актру, где
Рис. 1. Схема расположения пунктов наблюдений в бассейне Акгру. (1 - суммарные исадкимеры; 2 - ГМС Астру; 3 - станция Верхняя Ахтру, 4 - сезонные метеопункты, 5 •• гидрологические створы; 6 шурфы; 7 - термескважиньг, 8 - абляционны; рейки;
9 мерчлотомеры)
фиксировались суточные толчения температуры воздета и осадков (их вид и количество). Кроме того, по сети суммарных осадкомсров (11 шт.), равномерно распределенных от высоты 1950 до 3050 м, в конце каждого месяца снимались показания (рис. 1). По полученным значениям строили зависимость осадков от высоты местности, а по данным ГМС Акгру (2150 м) и временным метеопосгам подсчитывалось количество твердых осадков, которые интерполировались до верхних пределов оледенения. Кроме того, величина летних снегопадов контролировалась по абляционным рейкам, а в случае их большого количества (что нередко бывает) - проводились снегомерные работы.
Таким образом, при постановке массбалансовыч наблюдений мы ориентировались на все имеющиеся в гляциологической практике схемы расчетов баланса массы, а именно [2]: по годовым значениям аккумуляции (Ct) и абляции (Al); по зимнему (bw) и летнему (bs) балансам; по чистой акку муляции (S + f) и чистой абляции (Ai).
Процессы формирования баланса массы и его составляющих
Продолжительность периодов аккумуляции и таяния на ледниках Акгру весьма существенно изменя-
ется по годам. Для определения границ этих периодов использовались данные по гидрометеостанции (ГМС) Акгру и временнодействующим метеопункгам в бассейне (рис. I).
За начало периода абляпии принимается дата устойчивого перехода через О’С средней суточной температуры возду ха на нижней границе ледников. Абляция льда начинается несколько позже, котда обнажается юнец языка от сезонного снега. Окончание периода абляции (или начало нового балансового года) соответствует времени полного покрытия ледника устойчивым снежным покровом и переходом средней суточной температуры воздуха через 0°С в сторону отрицательных значений Однако, в этот период, в последующие несколько дней, нередки возвраты тепла, которые, в целом, способны только увеличить влажность снежного покрова при отсутствии талого стока с ледника. Этот снег - начальная стадия формирования зимнего баланса массы ледника последующего балансового года.
Самое раннее начало таяния снега на леднике Малый Акгру отмечено 13 апреля 1997 г., льда - 8 мая 1972 г., самое позднее - соответственно 29.05 (1987 и 1988 гг.) и 08.06 (1984 г.), в среднем за годы наблюдений- 14.05 и 27.05 (табл. 1). Окончание абляционного периода (или начало периода аккумуляции) заюпо-
Временные границы периодов аккумуляции и таяния и соответствующие им количество атмосферных осадков по ГМС Актру
Год Малый Актру Водонадный
Н К Д1 | Д2 XI Х2 В/Х2 ОХ Н К да Д2 XI Х2 В/Х2 С/Х
1972 25.04(08.05) 08.09(15.09) 137(124) Г - 243 - - - 01.06 20.08 81 - 143 - -
1973 26.05(02.06) 08.09(18.09) 106(99) I 259 233 326 2,02 1,61 02.06 22.08(01.09) 82 285 227 370 - -
1974 12.05(20.05) 06.09(23.09) 118(110) 245 134 222 2,43 1,71 20.05 25.08 99 270 115 232 -
1975 27.05(04.06) 01.09(15.09) 98(90) 262 228 309 2,59 2,05 01.06 18.08(31,08) 79 279 197 320 - -
1976 10.05(01.06) 01.09(14.09) 115(93) 250 355 224 3,84 2,00 01.06 30.08 91 286 298 304 - -
1977 24.05(31.05) 06.09(21.09) 106(99) 264 317 264 3,00 1,90 31.05 26.08(30.08) 88 273 260 293 1,02 0,90
1978 16.05(01.06) 22.08(27.09) 99(83) 251 193 267 2,17 1,72 01.06 19.08 80 278 167 315 1,40 1,39
1979 15.05(23.05) 22.08(09.09) 100(92) 265 175 319 1,91 1,53 23.05 18.08 88 276 131 327 0.92 0,83
1980 07.05(24.05) 31.08(22.09) 117(100) 257 366 263 2,58 1,59 25.05 23.08(31.08) 91 279 313 332 0,93 0,88
1981 03.05(16.05) 30.08(27.09) 120(107) 244 280 200 2,70 1,58 17.05 13.08(29.08) 89 267 157 260 0,96 0,81
1982 30.01(18.05) 14.09(21.09) 138(120) 242 290 217 2,76 1,40 18.05 21.08 96 277 214 315 0,67 0,62
1983 14.05(05.06) 05.09(08.09) 115(93) 241 265 209 2,92 1,88 07.06 25.08 80 289 141 300 1,03 0,93
1984 12.05(08.06) 02.09(18.09) 114(87) 248 363 269 2,30 1,44 16.06 19.08(02.09) 65 294 240 376 0,93 1,02
1985 18.05(05.06) 04.09(03.10) 110(92) 257 263 230 2,56 1,72 18.06 14.08(31.08) 58 302 148 343 0,90 1,06
1986 17.05(05.06) 01.09(30.09) 108(89) 254 304 248 246 1,63 14.06 26.08 74 303 242 340 0,85 0,93
1987 29.05(05.06) 09.09(25.09) 104(97) 269 195 359 1,89 1,62 16.06 20.08(31.08) 66 293 124 409 0,73 0,94
1988 29.05(04.06) 13.09(25.09) 108(102) 261 279 413 1,89 1,68 10.06 25.08(03.09) 77 293 247 464 0,73 0,98
1989 12.05(26.05) 11.09(20.09) 123(109) 240 260 246 2,52 2,06 13.06 03.09 83 291 190 311 0,71 1,24
1990 03.05(20.05) 15.09 136(119) 233 309 306 2Д2 1,72 07.06 20.08(03.09) 75 276 250 356 0,65 1,06
1991 09.05(11.05) 30.08(14.09) 114(112) 235 263 295 1,90 1,56 10.05 18.08 101 262 220 338 0,89 1,15
1992 15.05(23.05) 02.09(09.09) 111(103) 257 163 277 1,91 1,77 23.05 25.08 95 277 160 295 0,68 1,01
1993 21.05(28.05) 05.09(09.09) 108(101) 260 267 360 2,50 2,03 31.05 26.08 88 278 255 380 0,95 1,17
1994 05.05(25.05) 30.08(12.09) 118(98) 241 269 353 1,73 1,62 26.05 27.08 94 272 260 360 0,86 1,16
1995 28.05 27.08(04.09) 92 270 295 370 219 1,77 02.06 23.08 83 278 275 390 0,90 1,08
1996 21.05(06.06) 29.08(10.09) 101(85) 266 279 240 2,21 1,75 06.06 28.08 84 286 241 298 0,97 1,13
1997 1304(15.05) 05.09(16.09) 146(114) 226 299 290 Я27 1,88 15.05 26.08 104 259 291 302 0,73 0,96
1998 09.05(13.05) 15.09(21.09) 130(126) 245 205 235 2,30 1,59 24.05 06.09 106 270 202 253 0,95 0,90
1999 20.05(03.06) 07.09(15.09) 111(97) 246 243 295 2,13 1,71 03.06 26.08(07.09) 85 269 230 308 0,84 1,08
Сред 14.05(27.05) 04.09(18.09) 114(102) [ 251 263 282 230 1,73 01.06 23.08 85 280 218 333 0.87 1,02
Примечание: Н - начала периода таяния (в скобках - начало таяния льда); К - конец периода абляции (в скобках - конец таяния снега), Д1 - длительность периода абляции (в скобках — абляции льда); Д2 - длительность периода аккумуляции; XI - осадки за период абляции; Х2 - осадки за период аккумуляции; В/Х2 - отношение зимнего баланса к количеству зимних осадков; СхГХ - отношение суммарной аккумуляции к величине годовых осадков
чено в отрезке времени с 22 августа по 15 сентября, в среднем - 4 сентября. Самый продолжительный период абляции снега составляет 146 дней (1997 г.), а льда - 126 дней (1998 г.); самый короткий период -соответственно 92 дня (1995 г.) и 83 дня (1978 г.).
Продолжительность балансового года в среднем многолетнем совпадает с календарным, но в отдельные годы может существенно отличаться от последнего - 350-380 дней. Его начало и окончание приходится в среднем на 4 сентября. Такт! образом, для условий Алтая производство работ на ледниках из двух общепринятых в мире схем формирования баланса массы - стратиграфической и фиксированных дат [19]
- приемлема только первая.
На плосковершинном леднике Водопадный разница в длительности периодов аккумуляции и таяния еще более значительна, чем на Малом Акгру. Эго связано, прежде всего, с его морфологическим типом и орок-лиматическими условиями существования, которые, в свою очередь, определяют режимные характеристики (аккумуляция, абляция) ледника, значительно отличающиеся от таковых для долинных ледников бассейна. Кроме того, конец языка располагается на 820 м выше, чему Малого Акгру. В силу этих особенностей, длительность периода абляции составляет 85 дней, изменяясь от 58 до 106 дней (табл. 1). Его начало датируется в среднем 01.06, с вариациями от 10.05 (1991 г.) до 18.06 (1985 г.). Соответственно, начало и окончание балансового года приходится в среднем на конец августа (23.08), при крайних значениях 13.08 (1981 г.) и06.09 (1998 г.). При этом заметим, что разницы во времени между началом таяния снега и льда практически нет, т.к. в этот период на языке ледника, а также в отдельных местах фирновой области (особенно в предвершинной ее части), мощность снега не превышает 10-20 см, а иногда и вовсе наблкдаются обнаженные участки чистого льда. Исключение составляет осенний период (вторая половина августа), когда после интенсивных снегопадов, полностью покрывающих ледник, в последующие несколько дней в отдельные года наблюдается таяние. Но, как правило, этот процесс протекает очень вяло, а абсолютные значения суточного таяния составляют всею несколько сантиметров и жидкий сток с ледника отсутствует. В результате, также как и на Малом Акгру, этот фирнизи-рованный снег «уходит» в следующий балансовый год
Начало периода аккумуляции (конец августа - начало сентября), как правило, связано с серией мощных и интенсивных снегопадов, обусловленных выходом циклонов с Баренцева и Карского морей, а также со смещением северо-западных циклонов и формированием высотного циклона над Горным Алтаем [II, 15]. Окончательный период установления устойчивых отрицательных температур воздуха связан с формированием области повышенного давления в виде отрогов Азиатского (Монгольского) антициклона и проникновением холодного арктического воздуха в высокогорье Алтая.
По данным ГМС Акгру, зимний сезон характеризуется незначительной повторяемостью осадков (3045% от их общей продолжительности), но обильные снегопады (более 5 мм), дающие 40-70% всей суммы осадков, составляют лишь 8-20% от общего числа дней с осадками. Основное их количество за зиму выпадает в переходные сезоны года: сентябрь-октябрь -31%, апрель-май - 33% и только 36% - за ноябрь-март.
В табл. 1 представлены данные по осадкам ГМС Акгру за периоды аккумуляции, которые, как видим, для Малого Акгру изменяются в пределах от 200 до 412 мм при среднем значении 282 мм. Для Водопадного эти величины составляют соответственно 253 и 464 мм (в среднем 333 мм). При этом отношение величины зимнего баланса массы (Ьм) на ледниках к количеству осадков за период аккумуляции изменяется на Малом Акгру от 1,73 до 3,64, а в среднем на леднике за зиму концентрируется осадков в 2,3 раза больше, чем на метеостанции Акгру. Напротив, на Водопадном это соотношение в среднем составляет
0,87, изменяясь от 0,65 до 1,40. Если рассматривать отношение суммарной аккумуляции (Сг) на ледниках к велич ине годовых осадков, то для Малого Акгру оно равно в среднем 1,73, изменяясь от 1,4 до 2,06, для Водопадного - 1,02, изменяясь от 0,62 до 1,39.
Это значительное отличие между ледниками обусловлено следующими причинами: занимая северный и частично северо-западный склоны куполовидной вершины (3552 м), по высоте не уступающей основному гребню хребта Биш-Иирду, ледник Водопадный практически открыт для всех основных ветров; рельеф его поверхности имеет плавный уклон (в среднем 17°) в сторону долины Акгру. Все это создает благоприятные условия для интенсивного сноса снега. Поэтому, зимний баланс ледника зависит, в основном, не от количества выпавших осадков, а от ветрового режима зимой. Коэффициент корреляции (Я) между Ъ\\ и Х2 составляет всего лишь 0,41. Единственный вогнутый участок в центре ледника способствует концентрации тех незначительных запасов снега, которые, в основном, и определяют его зимний баланс.
Одна из основных особенностей режима оледенения бассейна Акгру (как впрочем и всего Алтая) состоит в том, что аккумуляция на ледниках не заканчивается временем установления максимальных снего-запасов, накопленных за зиму, а продолжается и в летний период. Роль летних снегопадов в массообмене ледников Алтая отмечалось во многих работах [6, 9, 15, 17, 18 и др.]. Было выявлено, что доля летней аккумуляции возрастает от западной и северо-западной окраин горной страны вглубь, к центру и восточной окраине. В этом же направлении прослеживается и тенденция сокращения годовой суммы осадков от 2000 и болсс до 500 мм и менее. По данным ГМС Акгру на три летних месяца (июнь-август) приходится 45% годовой суммы осадков, с вариациями от 34 до 54%. Однако, с ростом высоты в бассейне Акгру внутриго-
довая структура распределения осадков значительно меняется. В табл. 2 представлены средние многолетние данные по суммарным осадкомерам, действующим с 1977 г. (рис. 1). Выявлено, что на фоне общей тенденции увеличения осадков с высотой за год (сентябрь-август), доля летних осадков возрастает от 45 до 68%. Вероятной причиной такого распределения является очень частый «размыв» облачности над центром долины, что, в свое время, отмечал М.В. Тронов (18]. В холодное время года (сентябрь-март и сентябрь-май) распределение осадков (по абсолютной величине) в бассейне более мснсс равномерно, но летом происходит их увеличение по кривой, близкой к параболической: быстрое нарастание осадков прослеживается до высоты 2500-2700 м; далее с увеличением высоты их количество несколько уменьшается либо остается неизменным.
Соответственно, доля твердых осадков за июнь-август также возрастает с высотой. Многолетние данные по ГМС Акгру и временнодействующим (в летний период) метеопостам в бассейне позволяют выявить следующее (табл. 2): на ГМС Акгру доля твердых осадков составляет в среднем 14%, изменяясь в отдельные годы от 8 до 30%; у языка Малого Акгру (2210 м) - 19%, с вариациями от 10 до 35%; на станции Учитель (2970 м) - 65% изменяясь от 48 до 70 %; у языка ледника Водопадный (3040 м) - 83%, изменяясь от 75 до 90%. Экстраполируя эти данные до верхних пределов оледенения в бассейне, используя при этом методическую схему Г.Е. Глазырина [1 ], получаем, что на средней многолетней высоте границы питания на ледниках (3160 м) 92% летних осадков выпадает в твердом виде, а начиная с высоты 3300 м -почти 100%.
Распределение количества аккумулированных осадков на ледниках Акгру за снегопад имеет хорошо выраженную высотную зональность. При этом, если снегопад на языке ледника малоингенсивен (до 3 мм), то в фирновой зоне накопление снега не превышает, как правило, 4-6 мм в слое воды. Такие снегопады наблюдаются наиболее часто - до 60% от их общего
числа за летний сезон. Повторяемость снегопадов средней интенсивности (3-10 мм) составляет около 30%. При этом, величина твердых осадков существенно возрастает с высотой: так, если на станции Актру регистрируется 10 мм, то на языке ледника Малый Актру выпадает 15-20 мм, а в фирновой зоне - до 30 мм. Еще более редки мощные снегопады (больше 10 мм) - всего 1-4 случая за сезон абляции, при которых различие в количестве выпадающих осадков между нижними и верхними частями ледников резко увеличивается. Так, за последние годы наблюдений в бассейне наиболее мощный снегопад был отмечен 13 августа 1989 г., при котором на станции Актру было зарегистрировано 20,5 мм осадков, на языке Малого Акгру - 40-50 мм, а выше границы питания слой снега составил в среднем 50 см, что соответствует около 100 мм осадков.
В целом, сумма средних и мощных снегопадов дает около 70% летней аккумуляции на ледниках Актру, которая составляет для долинных ледников бассейна (Малый, Левый и Правый Акгру) в среднем 28% от суммарной аккумуляции за год, изменяясь в разные годы от 11 до 42%; для плосковершинного ледника Водопадный - 48% с вариациями от 21 до 64%.
На основании всех имеющихся гляциоклиматичес-ких данных установлены зависимости между количеством зимних (сентябрь-май) и годовых (сентябрь-август) осадков, регистрируемых на станции Актру, и аккумуляцией снега на ледниках бассейна, накопленного за зимний период и весь балансовый год в целом (рис. 2). Как видим, для ледника Малый Акгру эти связи довольно устойчивы (коэффициенты корреляции составляют соответственно 0,75 и 0,85), что, в свою очередь, позволяет использовать их при решении прямой и обратной задачи в системе гляциологического мониторинга. Для ледника Водопадный такие связи менее однозначны: в первом случае коэффициент корреляции равен всего лишь 0,41 (причины изложены выше); во-втором - Я= 0,77, что обусловлено значительной долей летних осадков и летней аккумуляцией.
Та6лица2
Среднемноголетнее распределение осадков по высоте н сезонам года в бассейне Актру
№ Станция Абс. Высота, м Местоположение Осадки за год (ГХ-УШ) Доля осадков по сезонам (в % от годовых) Доля твердых осадков, в % за УІ-УЕІ
ІХ-Ш ІУ-У УІ-УШ
1 ГМС А ору 2 і 50 Г вдрометеостанцня 545 37 18 45 14
2 Мал. Аиру 2210 У языка М.Актру 733 23 15 62 19
3 Бараньи лбы 2430 Центр долины 713 22 17 61
4 Ригель 2500 Левый склон 683 26 13 61
5 Кулуар 2600 Правый склон 665 23 15 62
б Голубос озеро 2800 Боковая морена Левого Актру 623 25 18 57
7 Учитель 2970 Левый водораздел 554 30 15 55 65
8 Водопадный 3040 В 100 м от языка Водопадного 670 19 13 68 83
!>w. О
(а)
ПО
100
90
80
70
60
50
40
50
20
-/
/»
80 70 60 50 40 50 f*
bw. о
i6)
! 00 200 300 400 500 fiOQ
l20 t..
%. / * */ / *
/ “
t .
/
Y
X
100 200 500 400 500 600
Рис. 2. Зависимость Ьи (1) и С, (2) на ледниках Малый Аиру (а) и Водопадный (б) от количества зимник (сентябрь-май) и годовых (сенмбрь-август) осадков, регистрируемых на ГМС Актру
Процессы таяния и факторы, их обусловливающие, на ждниках Акгру изучены наиболее полно и всесторонне. Еще со времен МГТ - начала систематических и целенаправленных исследований ледников Акгру - таяние рассматривалось как главный и интегральный показатель комплекса различных процессов состояния атмосферы и ледников. Различные аспекты этого вопроса обобщеньгв многотомной серии сборников «Гляциология Алтая» и нескольких монографиях [6, 15 и др.].
Регулярные наблюдения за поверхностной абляцией по сети реек на ледниках бассейна начали проводиться с 1956 г и продолжаются по настоящее время [4,6,9, 13 н др.]. Было установлено, что величина летнего баланса массы обусловлена климатическими условиями конкретных лет, а ею распределение по площади ледников зависит, в основном, от абсолютной высоты, экспозиции, степени экранированносги склонами окружающих хребтов и заморененности поверхности льда. В общем случае распределение таяния по площади ледников выглядит следующим образом: на языках долинных ледников оно составляет в разные годы от 300 до 600 г/см2, на высоте границы питания - от 75 до 220 г/см2, выше - в средних частях фирновых зон - от 40 до 80 г/см1, на склонах вершины Акгру-Баш (более 4000 м) -10-15 г/см2. На леднике Водопад ный - на языке - от 100 до 200 г/см2, уменьшаясь в предвершинной части (выше 3500 м) до 20-60 г/см2.
Средневзвешенные по площади величины таяния в каждый конкретный год достаточно хорошо корре-
лируются со среднелетними температурами воздуха (июнь-август) на станции Акгру (рис. 3). Однако, заметим, что с уменьшением температуры воздуха линейность связи нарушается: на леднике Водопадный это выражается в более значительном разбросе точек (рис. 36), а на Малом Акгру зависимость Ат = F(t) вообще приобретает параболическую форму (рис. За). Основной причиной таких нарушений является тог факт, что с понижением температуры воздуха (обычно с 8,5°С и ниже) увеличивается повторяемость летних снегопадов и, соответственно, возрастает величина летней аккумуляции на ледниках. Наши исследования показывают [6, 8], что летние снегопады в области питания способны сохранить ледникам около 10-15%, а в зоне абляции - до 30-40% годовой массы льда. Таким образом, как неоднократно подчеркивал М.В. Тронов [17, 18 и др.], повторяемость летних снегопадов в условиях Алтая может быть решающим погодно-климатическим фактором, определяющим динамику' ледников.
Дтя ледников Алтая очень важной составляющей их балансового состояния является величина внутреннего питания - или повторно замерзшая вода в пористых снежнофирновых отложениях (инфилътрацион-ное льдообразование) и на поверхности льда (конже-ляционное льдообразование). Измерения ее производились, как отмечено выше, в наиболее характерных точках областей питания ледников Актру в опорных шурфах путем сопоставления плотности и водности в
Рис. 3. Зависимость суммарного таяния (А,) от среднелетаей температуры воздуха (t) на ГМ.С Акеру для ледников Малый Актру (я) и Водопадный (6)
10
9
Ö
(а?
20
последовательных годовых слоях в начале и конце периода таяния с учетом поправки на оседание. Основные закономерности интерполяции величины внутреннего питания (f) по площади ледников были исследованы в период 1981-1986 гг.
[8.10], когда только в зоне питания ледника Малый Астру было заложено 6 шурфов от 2 до 11 м, и 7 термоскважин до глубины 10-20 м (рис, 1).
В качестве примера в табл. 3 представлены измеренные величины внутреннего питания за 1981 г. по годовым остаткам в различных точках активного слоя ледников Акгру. Заметим, что зональность процессов льдообразования, выделенная нами раньше [8, 10], представлена здесь типичным континентальным набором - холодная фирновая, фирново-ледяная и зона ледяного питания.
Анализ таблицы показывает, что при наличии фирнового остатка текущего балансового года (S) значительная часть суммарного внутреннего питания (f) сосредоточена именно в нем и равна fl. Кроме того, чем больше S, тем больше и относительная величина fl. Так, по мере роста мощности фирнового остатка текущего года (шурфы 2,3,5,6) ка леднике Малый Акгру в пределах фирново-ледяной зоны величина fl составляет от 20 до 50% суммарной f. Для опорного шурфа № 3 при средней суммарной величине 1 = 30 r/см2, П изменяется от 5 до 14 т/см1. Последующий процесс льдообразования за счет внутреннего питания по годовым слоям предшествующих лет (fil) также имеет некоторые специфические особенности: на участках 2-3-метровой мощности фирна распределение (f) более мснсс однородно и составляет по 20-30% в слое, при 6-7 метрах и боже ос-
40 <30 «о ICO 120 1-К> ><30 10Q 200 220
новная масса £п (до 20-30% от суммарной 0 сосредоточена в слое, следующим за годовым остатком текущего года. В случае, если фирновый остаток текущего года незначителен или вовсе отсутствует (шурф № 2 на Левом Акгру; табл. 3, рис. 1), то наибольшее количество вновь образовавшегося льда находится в первом годовом слое (до 50%) с последующим относительно равномерным его распределением.
Из табл. 3 также следует, что внутреннее питание на участках полного набора годовых слоев, занимающих основную площадь областей питания ледников Акгру, сосредоточено в первых трех-четырех слоях, что соответствует 5-7 метрам фирновой толщи. Так, в шурфе № 4 (холодная фирновая зона) 35 г/см2 из которых 32 г/см2 или 91% находится в годовых слоях 1978-1981 гг. ; для шурфа № 3 (фирново-ледяная зона)
- 83%. Таким образом, отмеченные 6-7-метровые мощности фирновой толщи могут служить той предельной глубиной шурфов, которые следует закладывать для определения величины внутреннего питания.
Т аблица 3
Распределение величины внутреннего питания (числитель, г/см2) и его доля (знаменатель, в */•) по годовым остаткам в различных точках активно!« слоя ледников Акгру в 198) г. (см. рис. 1)
Годовой слой Малый Актру Водопад- ный, №1 Правый Акгру, №1 Левый Акгру, №2
№2 №3 №4 №5 №6
1981 3,5/30 9,5/41 17/49 10,5/39 8,5/40 3,6/22 3,8/30 -
1980 2,5/22 6,5/29 8,0/23 8,5/32 6/29 5.4/34 3/23 7/51
1979 - 2,2/10 3/8 2,5/9 1,5/8 - - -
1978 - 1,5/6 4/11 1.5/6 2/9 - - 3,1/22
1977 2/18 0,8/3 1/3 0,7/3 0,4/2 3/19 1.5/12 2,4/17
1976 3,5/30 1/4 0,8/2 1,5/6 0,9/4 4/25 2/16 1.3/10
1975 - 1,5/6 0,6/2 1,5/5 2/9 - 2.5/19 -
1974 - _ 0.6/2 — _ _ _ -
Сумма 11,5 23,0 35,0 26,6 21,3 16.0 12,8 13,8
О tO 2.0 SO 40 50 ft1? № «*> SO 500 * '" *
Рис. 4. Гипсографическая кривая и зависимость высоты границы питания от годового баланса массы (а) и от среднелетней
температуры воздуха (б) для ледника Малый Актру
Характер распределения суммарной величины внутреннего питания по площади ледников Актру выглядит следующим образом: нарастание f в пределах зоны ледяного питания (от 0 до 5-15 г/см2) к фирновой линии (на ледниках Водопадный и Кар Малого Актру до 2030 г/см2) далее, вверх, сменяется ускоренным ростом в связи с быстрым утолщением многолетнего фирна и в пределах фирново-ледяной зоны изменяется от 8-15 до 30 г/см2; на нижней границе холодной фирновой зоны растущее внутреннее питание становится равным величине таяния, которое закономерно уменьшается с высотой от 40 до 20-10 г/см2. В целом за годы наблюдении из общей суммы талых вод, образованных на ледниках Актру, потери на внутреннее питание составляют в среднем около 15%, изменяясь от 4 до 35%.
Таким образом, рассмотренные выше процессы формирования массбалансовых характеристик, определяющих бюджетное состояние ледников Актру, показывают, что составляющие баланса массы весьма чувствительны к климатическим изменениям и во многом от них зависимы по абсолютным значениям
Интегральным выражением г.тяциоклимэтических процессов на ледниках служит положение высоты границы питания (EL А), определяемое в Актру балансовым методом. Диапазон колебания этой характеристики чрезвычайно велик: на Малом Актру - от 2800 до 3390 м (590 м); на Водопадном - от 3150 (нижний предел) до полного ее отсутствия на леднике (1998 г.). Кроме того, в отдельные годы (1979, 1982 и 1991 гг.) на Водопадном область питания наблюдалась только в виде незначительного пятна в центре ледника, составляющего от 9 до 22% от его общей площади.
В результате многолетних наблюдений на леднике Малый Актру получена связь между балансом массы (Ьп) и высотой границы питания (ELA), которая представлена в виде нелинейной функции и достаточно
хорошо описывается гипсографической кривой ледника (рис. 4а). Хотя линейная аппроксимация связи Ъп = f(ELA) имеет достаточно высокий коэффициент корреляции, равный 0,86, но в экстремальные годы (при самом низком или высоком положении ELA) она дает ошибки до 20-30 г/см2. Несколько предпочтительнее использовать ддя этих целей коэффициент A AR - доля области аккумуляции, о чем свидетельствует более высокий коэффициент корреляции, равный 0,91. Для остальных ледников бассейна также выявлены аналогичные закономерности. Таким образом, выполняется одно из основных условий применимости на Алтае известной имитационной модели М.Б. Дюргерова [5 и др.], предполагающей переход от данных, полученных на отдельно взятом леднике, к их группе или системе при помощи связи bn = f(ELA) и распределения плошади оледенения по высоте. В ближайшее время необходимо выяснить степень репрезентативности этих зависимостей для всего оледенения Алтая, либо каких-то отдельных его районов, с целью дальнейшего использования для расчета баланса массы и ледникового стока всей ледниковой системы в целом за каждый год.
Кроме того, получена связь высоты границы питания со средней летней температурой воздуха (t) на станции Актру (рис. 46). Оказалось, что при отклонении летней температуры на ±1°С от нормы (за период 1957-2000 гг.) высота границы питания на Малом Актру изменится (поднимется или опустится) примерно на 180 м. Эта зависимость также дает возможность оценивать баланс массы и ледниковый сток при современном состоянии ледников и климата.
Аналитическое выражение наиболее статистически значимых зависимостей, рассмотренных выше, представлены в табл. 4. Они позволяют на количественном уровне проследить причинно-следственные связи в решении ряда основных вопросов взаимодействия климата и оледенения Алтая.
Т а блица 4
Уравнения регрессии для определения режимных и климатических характеристик ледников Акгру
№ Характеристика Уравнение регрессии Коэф-нг корреляции
1 Среднелетняя температура воздуха на ГМС Актру - ГМС Кара-Тюрек Так = 0,67Ткт + 4,74 0,91
2 Суммарное таяние на Малом Актру - средиелетняя температура на ГМС Актру At = 1635 - 407,4Т + 26,71і 0,87
3 Абляция - среднелетняя температура воздуха (там же) At - f = 1874 - 474,7Т + 31,11“ 0,93
4 Годовой баланс массы Малого Актру - суммарное таяние Bn = 145 - 1,31 At -0,89
5 Годовой баланс массы Малого Актру - абляция Bn = 113 — l,21(At —f) -0,94
6 Годовой баланс массы Малого Актру - высота границы питания Bn = 1009-0,321 ELA -0,86
7 Суммарная аккумуляция на Малом Актру - осадки за сентябрь-август на ГМС Актру Ct= 1,3 + 0,171XM 0,85
8 Зимний баланс Малого Актру - осадки за сентябрь-май на ГМС Аюру Bw= 17,6 + 0,164X„.< 0,75
9 Суммарная аккумуляция на Водопадном - осадки за сентябрь-август на ГМС Актру Ct = -23 + 0,143X9JI 0,77
10 Годовой баланс массы Водопадного - абляция Bn = 54,7 - 0,98(At - f) -0,81
И Годовой баланс массы Водопадного - высота границы питания Bn = 1172 - 0.366ELA -0,88
Также эти зависимости можно использовать при реконструкции баланса массы ледников Акгру за длительный период времени, что позволит оценить влияние разных факторов на изменение состояния оледенения и реакцию на колебания климата. Ранее такая реконструкция была нами сделана за 147-летний период (1839-1985 гг.) по двухступенчатой связи: ме-теоэлемелгы (температура, осадки) станция Барнаул
- станция Акгру - режимные характеристики ледника Малый Акгру [7]. Мы вновь решили вернуться к этой проблеме по следующим причинам: 1) значительно увеличился период непосредственных наблюдений на ледниках (на 15 лет), что позволяет выявить более статистически значимые зависимости; 2) выявлены более надежные связи между метеопараметрами по станциям Акгру и Кара-Тюрек, действующей с 1940 г.; 3) в качестве решающего аргумента при реконструкции использовалась важная особенность мас-сообмена ледников Акгру, которая заключается в том, что изменчивость годового баланса массы определяется, в основном, изменчивостью летнего баланса массы. Так, в колебаниях Ьп за период 1962-2000 гг. прослеживается четкая синхронность с величиной At при R = 0,89, а еще лучше - с (At - f) при R = 0,94.
Основная схема расчета при реконструкции до 1940 г сводилась к следующему: по зависимости 1 (табл. 4) вычислялась средняя летняя температура воздуха на станции Акгру за период 1940-1956 гг; затем определялась величина At и At - f по уравнениям 2 и 3; по формулам 4 и 5 вычисляли годовой баланс массы; Ct определялось как остаточный член уравнения; ELA- по зависимости 6. Как отмечалось выше, в период 1956-1961 гг. проводились наблюдения за величиной At [13], хотя и не с такой частотой точек измерений, как того требуют современные методические рекомендации по наблюдениям за ледниками. Тем не менее, мы использовали эти данные, взяв за основу выявленные нами за много лет закономерности распределения величины At по площади ледников. Кроме того, за этот же период известны температура воздуха и количество осадков [16]. Поэтому, для опреде-
ления О за период 1956-1961 гг. дополнительно использовалась зависимость 7 (табл. 4).
Результаты расчета годового баланса массы и его составляющих для ледника Малый Акгру представлены в табл. 5, где с 1962 г. - данные непосредственных наблюдений. Расчет параметров на независимом материале (1962-1999 гг.) показал, что ошибка в определении А1 не превышает 15%, а О - 10%. Сравнение с предыдущей реконструкцией [7] показывает, что направленность тенденций годового баланса массы и его составляющих сохраняется, а в отдельные годы даже совпадает по абсолютным значениям.
Основные закономерности балансового состояния и факторов его обусловливающих для ледника Малый акгру за период 1940-1999 гг. сводятся к следующему (рис. 5, табл. 5).
1. В межгодовой изменчивости годового баланса массы выделяется несколько периодов накопления или потери массы льда: первые отмечаются в 1946-1949, 1956-1960, 1967-1973, 1975-1977 и 1983-1990 гг., а вторые - в 1940-1945, 1950-1955, 1961-1966, 19781982 и 1991-1999 гг При этом, длительность этих периодов составляет 6-9 лет. Аномально положительные проявления баланса массы наблкдаюгсячерез 9-12 лет; а аномально отрицательные - через 20-22 года. Более четкая цикличность в колебаниях Ьп прослеживается в его сглаженных по 5-летиям значениях. Так, смена направленности тенденций происходит через 6 лег, а полный цикл колебаний, включающий фазу подъема и фазу спада Ьп, составляет 11-12 лет. Общий дефицит массы ледника за 60 лет составил 620 см в слое воды.
2. В колебаниях составляющих баланса массы (О и А1) прослеживается аналогичная цикличность. Однако в последние два десятилетия меж годовая структура формирования баланса массы несколько изменилась. Так, если до начала 1980-х годов в межгодовых колебаниях О и А1 прослеживается четкая асинхрон-ность, то после этого периода происходит одновре-менноеувеличение обеих составляющих, причем, рост А1 более интенсивен. Вероятной причиной таких тенденций в поведении ледников является общее глобаль-
Рис. 5. Годовой ход суммарной аккумуляции (С(), таяния (А^ и баланса массы (Ь^) Ледника Малый Актру за 1940-1999 гг.
(1 - ежегодные значения, 2 - осредненные по 5-летиям)
ное изменение климатической системы планеты в делом. Начавшееся потепление в середине 1970-х годов отразилось на режимных характеристиках ледников. Так, проведенные нами исследования показывают [14], что на всей территории Горного Алтая наблюдается значимый рост среднегодовых температур воздуха. В высокогорье увеличение температуры наблюдается во все сезоны года, кроме осени, но наиболее интенсивно теплеет в холодный период (ноябрь-март), что привело к увеличению среднесезонной температуры воздуха на 2,1 °С. Кроме того, потепление оказало влияние на режим выпадения осадков - их общее количество и внутригодовую структуру распределения: выявлен рост годовой суммы осадков за счет их увеличения в холодный период года, особенно в весенний сезон (апрель-май). Это, с одной стороны, привело к повышению значений зимнего баланса массы, с другой, является свидетельством усиления над Горным Алтаем зональной формы циркуляционных процессов.
3. На фоне общей тенденции прогрессирующегося потепления климата в регионе, а, соответственно, и усиливающейся деградации оледенения, за последние десятилетия участились случаи аномального проявления значений годового баланса массы и его составляющих. Так, только за инструментальный период выявлено (рис. 5, табл. 5), что Ьп меняется от +68 до -147 г/см2, Л - от 61 (1974 г.) до 127 г/см2 (1993 г.), А1 - от 73
(1976 г.) до 216 г/смг (1974, 1998 тт.). Кроме того, в отдельные годы существенно меняется внутригодовая структура формирования годового баланса массы. В одном случае - значительный сдвиг начала таяния на более ранний срок (табл. 1) - 09.05.1991, 13.04.1997, 09.05.1998 гг. При этом ледники, как правило, испытывают значительный, а иногда и катастрофический, дефицит массы. В другом случае, когда начало периода абляции сдвигается на более поздний срок - первая декада июня (табл. 1), годовой баланс массы ледников, даже несмотря на дефицит аккумуляции снега (что нередко бывает, табл. 5), близок к нулю либо принимает существенные положительные значения.
В заключение отметим, что динамика внешнего мас-сообмеиа ледников Акгру находится в достаточно хорошем соответствии с тенденциями климатических изменений региона. Это, в свою очередь, позволяет осуществлять программу как непосредственно гляциологического мониторинга, так и, решая обратную задачу,
- климатического мониторинга. Поэтому, в условиях постоянно сокращающейся сети метеостанций на Алтае (особенно в высокогорье), крайне важно продолжать начатые в 1957 с ежегодные наблюдения на ледниках Акгру за балансом массы и его составляющими.
Работа выполнена при поддержке гранта Р98Си-бирь (проект N98-05-03167) и гранта РФФИ № 0105-65151.
Таблица 5
Баланс массы и его составляющие для ледника Малый Актру за период 1940-1999 гг.
Годы a At Al-f bn El,A Xbn Годы Ct At At-f bn ELA Zbn
1940 90 138 126 -36 3255 -36 1971 88 83 63 25 3040 -448
1941 93 132 120 -27 3230 -63 1972 86 96 79 7 3160 -441
1942 100 102 88 ¡2 3110 -51 1973 90 99 80 10 3150 -431
1943 84 146 130 -46 3285 -97 1974 61 216 208 -147 3380 -578
1944 92 132 120 -28 3230 -125 1975 110 95 70 40 2900 -538
1945 89 151 139 -50 3300 -175 1976 114 73 46 68 2850 -470
1946 108 81 69 39 3020 -136 1977 110 89 61 49 2960 -421
1947 103 89 75 28 3055 -108 1978 79 133 120 -41 3290 -462
1948 96 105 89 7 3120 -101 1979 76 144 134 -58 3300 -520
1949 96 116 103 -7 3165 -108 1980 100 105 89 11 3100 -509
1950 90 137 125 -35 3250 -143 1981 76 121 107 -31 3220 -540
1951 96 116 103 -7 3165 -150 1982 71 146 137 -66 3310 -606
1952 85 132 120 -35 3250 •185 1983 89 89 74 15 3060 -591
1953 80 173 164 -84 3350 -269 1984 91 82 60 31 3030 -560
1954 100 102 89 11 3110 -258 1985 85 82 61 24 3060 -536
1955 72 212 206 -134 3390 -392 1986 90 104 86 4 3170 -532
1956 92 92 78 14 3100 -378 1987 90 95 73 17 3140 -515
1957 94 98 84 10 3110 -368 1988 116 100 69 47 3040 -468
1958 108 90 78 30 3050 -338 1989 104 111 82 22 3150 -446
1959 87 134 122 -35 3250 -373 1990 106 115 93 13 3180 -433
1960 100 89 68 32 3040 -341 1991 87 152 141 -54 3340 -487
1961 89 105 93 -4 3155 -345 1992 78 110 95 -17 3230 -504
1962 93 147 133 -40 3220 -385 1993 127 117 93 34 3180 -470
1963 63 105 97 -34 3180 -419 1994 101 138 116 -15 3230 -485
1964 105 145 133 -28 3190 -447 1995 118 127 100 18 3200 -467
1965 76 142 132 -56 3300 -503 1996 91 121 104 -13 3220 -480
1966 89 140 127 -38 3190 -541 1997 111 136 116 -5 3220 -485
1967 92 81 63 29 3010 -512 1998 70 202 193 -123 3390 -608
1968 78 96 80 -2 3150 -514 1999 92 116 103 -11 3210 -619
1969 US 109 89 29 3100 -485
1970 83 90 71 12 3090 -473 Сред 92 119 102 -10 3170
Литература
1. Глазырин Г.Е. Фазовый состав осадков в горах в зависимости от приземных температур воздуха И Метеорология и гидрология. 1970. № 1. С. 30-34.
2. Гляциологический словарь. Под ред. В.М. Котлякова. Л.: ГИМИЗ. 1984. 527 с.
3. Душкин М.А. Вещественный баланс ледника Малый Актру // Гляциология Алтая. Томск: Изд-во ТГУ. Вып. 14. 1978. С. 91-101.
4. Душкин М.А., Олейник И.Я. Абляция ледников Актру и ее зависимость от положительных температур воздуха // Гляциология Алтая. Томск: Изд-во Т1 У, 1967. Вып, 5. С. 22-41.
5. Дюргеров М.Б. Мониторинг баланса массы горных ледников. М.: Наука, 1993. 127 с.
6. Ледники Актру (Алтай). Л.: ГИМИЗ, 1987. 120 с.
7. Нарожный Ю.К. Реконструкция баланса массы и условий льдообразования ледника Малый Аюру за 150 лет // Гляциология Сибири. Томск: Изд-во ТГУ 1986. Вып. 3(18). 1986. С. 85-104.
8. Нарожиый Ю.К Формирование зон льдообразования и стока с областей литания ледников Центрального Алтая в связи с изменениями климата. Автореф. дисс... канд. геогр. наук. Москва. 1988. 19 с.
9. Нарожиый Ю.К. Баланс массы ледников Алтая и нх климатическая обусловленность. МГИ. Москва. 1991. Вып. 72. С. 107-116
10 Нарожный Ю.К. Особенности формирования жидкого стока с областей питания ледников Актру // Гляциология Сибири. Томск: Изд-во ТТУ, 1993. Вып. 4{19). С. 103-119.
11. Нарожная О.В., Нарожный Ю.К., Попова К.И. Циркуляционный режим и гидротермические условия зим Алтая // Гляциология Сибири. Томск: Изд-во ТТУ, 1993. Вып. 4(19). С. 182-198.
12. Окишев П. А. Некоторые данные о вещественном балансе и динамике ледников Аюру // Гляциология Алтая. Томск: Изд-во ТГУ, 1964. Вып. 3. С. 142-155.
13. Олейник И.Я. Сводные данные об абляции ледников Актру в 1956-1963 гт. // Гляциология Алтая. Томск: Изд-во ТГУ, 1965. Вып. 4. С. 190-198.
14 Паромов В.В., Нарожный Ю.К, Нарожная О.В. Тенденция современных изменений приземной температуры воздуха и атмосферных осадков на юге Западной Сибири // Вопросы географии Сибири. Томск. 1999. Вып. 23. С. 124-140.
15. Ревякин B.C., Галахов В.П., Голещихин В.П Гор нолодн и юные бассейны Алтая Томск. Изд-во ТГУ, 1979. 308 с.
16. Трифонова Л.И., Федюшина Л.П. К вопросу о приведении температуры и осадков станции Нижняя Актру к многолетнему ряду Н Гляциология Алтая. Томск: Изд-во ЧТУ, 1965. Вып. 4. С. 255-270.
17 Тронов MJB. О влиянии летних снегопадов на режим лздниюзв Алтая//Гляциология Алтая Тсмск: Изд-во ТГУ, 1962. Вып 1. С. 161-168.
18. Тронов М.В. Проблема гляциоклиматических показателей. Томск. Изд-во ТГУ, 1978. 168 с.
19. Combined heat, ice and water balances at selected glacier basins, a gnide to measurement and date computation // Technical Papers in Hydrology. UNESCO. 5. Paris. 1970. 20 p.
