冰川是一定气候条件下的产物，是气候变化敏感的指示器。在气候变暖背景下，随着物质平衡亏损，冰川出现不同程度的退缩现象^[1]。冰川变化研究一直是冰冻圈科学领域的热点，而冰川温度研究是其中最重要的组成部分之一。冰川温度是冰川特性的重要参数之一，反映了冰川基本的物理特征，不仅可以反映冰川发育的水热条件，而且还显示了冰川变化的动力条件，因此，冰川温度成为冰川动力模型中最关键的参数之一^[2]。有关冰温变化，国内在天山^[3]、祁连山^{[4, 5]}、喜马拉雅山^[5]和玉龙雪山^[6]等地区开展了相关研究，其中天山乌鲁木齐河源1号冰川最为详细。此外，中国冰川科研人员还在南极开展了冰川温度研究^{[7, 8]}。

北极斯瓦尔巴群岛总面积为62 248 km²，59%以上被冰川(帽)覆盖，是冰川最发育的地区之一，冰川数量超过2 100条^[9]。从物理特性上看，大部分冰川属于亚极地型，对于气候变化极为敏感，是探讨冰川对气候变化响应研究的理想场所^[10]。2004年7月28日中国黄河站建立，2005年首次在Austre Lovénbreen冰川(以下简称A冰川)上开展研究工作^{[9, 10, 11]}。目前，已经在冰川运动^{[12, 13]}、物质平衡变化^[13]、冰面DEM高程测量^[11]以及冰川动力学^[14]等方面取得了相应成果，但是有关冰川温度变化的研究还很少。因此，选择Austre Lovénbreen冰川，在B₂、E₂和F点开展20 m深度冰温监测(图1)，对于探讨大气与冰温之间的关系，开展冰川动力模型研究，预测未来冰川对气候变化的响应研究具有重要意义。

图 1 Austre Lovénbreen冰川B2、E2和F点分布图 Fig. 1 Distribution of the Points B2, E2 and F on the Austre Lovénbreen Glacier

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1 研究区与数据处理 1.1 研究区概况

新奥尔松地区(Ny-Ålesund)位于斯瓦尔巴群岛的西北部，是目前纬度最靠北的站区(78°55′N，11°56′E)，已经有10个国家在此地建立了考察站，同时也是中国黄河站的所在地。受北大西洋暖流的影响，该地区气候相对温暖湿润，是北极同纬度气温最高的地区之一，同时也是北极增温最快的地区之一，平均增温速率达到1.35 ℃/10 a (1994～2010年)^[15]。Austre Lovénbreen冰川(见图1)位于新奥尔松地区，距离黄河站直线距离为6.2 km，从物理特性上属于多热型山谷冰川^[9]，冰川长度和面积分别为4.8 km和5.7 km²。A冰川表面B₂断面以下坡度较大，有少量碎屑物分布，B₂断面以上冰川表面比较平坦，在E₂与F断面之间发育冰裂隙，最大宽度超过了1 m^[14]。

2009年4月北极考察队员朱国才研究员利用自主研制的不足15 kg的手提钻单人分别在Austre Lovénbreen冰川B₂(海拔210 m)、E₂(海拔410 m)和F(海拔473 m)点钻取了3个20 m冰温孔。B₂和F点20 m冰温探头分布相同，共有5个，分别分布在2 m、5 m、10 m和15 m深度。E2点20 m冰温探头共有12个，分别分布在1 m、2 m、4 m、7 m、9 m、10 m、11 m、12 m、13 m、14 m、16 m和20 m。因此，根据3个冰温钻孔探头分布的情况，把E₂点冰温进行了单独分析，把B₂和F点放在一起进行冰温变化分析。

测温探头是由高精度的热敏电阻材料(国家二等标准铂电阻)制作而成，配用高精度的数字测量仪器FLUKE187万用表(美国产)测量探头电阻值。测温过程中，当万用表显示的最后一位读数在5 s内不再跳动时(1 Ω表示0.01 ℃)，表示测温结束，这样大大提高了冰温测量精度。利用标定热敏电阻的计算公式，把万用表测量的电阻值转换成温度值，测温分辨率可达到0.01 ℃。由于积雪的热传导性很差，三处冰温孔深度坐标零点定到表层冰面上，季节性积雪深度忽略不计。由于同一地点、同一季节观测的不同次数冰温值变化极小，本着拉大观测时间间隔的原则，温度值只抽取考察期间的最后一次数据作为原始数据进行分析。冰川运动和冰川表面积累与消融会影响冰温探头的位置，因此需要对获得的测温数据做归一化处理。通过绘制观测期间的温度曲线，查算出所需深度的冰川温度值，并对其进行比较^[16]。在F点处，由于2011年春季冰川表面积雪较深，没有找到冰温探头，因此5月冰温数据缺失。

图2显示的是2009~2011年新奥尔松地区气温日平均值变化，呈现出明显的季节变化特征。夏季短暂而且气温变化幅度小，气温超过0 ℃的时期主要出现在5~9月份。7月气温最高，气温日平均最高值可达到10.7 ℃。2009~2011年的正积温值分别为537.6、519.1、689.2 ℃。冬季漫长而且气温变化幅度大，最冷月一般出现在3月或4月，比大陆最冷月出现的时间滞后，可能是受海洋的影响。这3 a的气温年较差分别为21.3、19.6、20.1 ℃，年均值分别为-3.8、-4.1、-3.2 ℃。通过与A冰川自动气象站观测的气温对比，按照随海拔升高气温降低0.6 ℃·100 m^-1推算其他3点处近地表气温。

图 2 北极新奥尔松地区气温日平均值 Fig. 2 Daily Mean Values of Air Temperature in the NY- Ålesund of the Arctic Region

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3 冰温结果分析与讨论

冬春季节是A冰川物质平衡积累期，积雪深度较厚，一般在B₂点达到1 m以上，在E₂点和F点达到1.5 m以上，有些年份积雪深度超过了2 m。进入夏季，冰川近地表气温超过了0 ℃，积雪快速消融，以径流方式流失。夏末秋初，冰川表面积雪基本全部消融，甚至还会融化老冰。由于积雪和冰川冰以融水径流方式流失，使得冰温保持在0 ℃以下。

3.1 E₂点冰温变化特征

图3显示的是A冰 川E₂点20 m深度冰温剖面，可以看出冰温具有明显的季节变化特征。2009-05和2010-05的属于冷季型，随着深度增加，冰温先是快速增加，随后到达某一深度后转变成缓慢增加。2009-09、2010-09和2011-09以及2011-05的冰温分布都属于暖季型，随着不断加深，冰温先是不断降低，在某一深度出现拐点，然后随着深度的增加，冰温也不断增加。受近地表大气与冰川热量交换的影响，春季5月份2009年的冰温总体上要高于2010年。在0～4 m间，2009年的增温速率大于2010年，分别达到0.46和0.28 ℃\5m^-1。 4～9 m间，2009年的增温速率同样高于2010年，只是增温速率有所减小，分别达到了0.2和0.18 ℃ m^-1。10 m深度以后，这两年的增温速率都非常小而且非常接近，相同深度冰温非常接近，彼此之间的差值非常小，都在0.02 ℃以内。在20 m深处,2009年和2010年的冰温分别为-3.01和-2.99 ℃，两者仅相差0.02 ℃。

图 3 Austre Lovénbreen冰川E2点20 m深度冰温剖面 Fig. 3 Ice Temperature Profile in Glacier Layer 20 m Below the Surface at Point E2 on Austre Lovénbreen Glacier

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秋季9月份，受冰川融水渗透作用和近地表气温共同作用的影响，2009年、2010年和2011年冰温变化曲线趋势一致，冰温数值也非常接近。0～7 m间，随深度增加冰温不断降低，2009年的冰温在7 m处达到最低值，为-3.64 ℃；2010年和2011年的冰温在9 m处才达到最小值，分别为-3.41、-3.58 ℃。随后冰温出现拐点，随深度增加，冰温也缓慢增加，相同深度处的冰温差值很小，在20 m深处3 a的冰温分别达到-2.97、-3、-2.96 ℃，年与年之间的温度差值都在0.04 ℃之内。

2011-05冰温变化曲线属于暖季型，与2009-05和2010-05的完全不同。0～3 m间，随着深度的增加，冰温不断降低，在3.2 m深处达到最低值并出现拐点，为-5.1 ℃。3.2 m以下随深度加深，冰温先是快速升高，直到10 m深处，10 m以下显示出缓慢增加的趋势。这种反常的变化主要是由于气温在2011年4月中旬开始升温(见图2)，要比2009年和2010年的升温时间提前半月左右，导致0～3 m间浅层冰温随气温上升。与其他两年的相比较，越靠近冰川表面，相同深度升温幅度越大。

与E₂点相比较，B₂点和F点20 m深度冰温剖面在相同的年份具有相似的变化趋势(图4和图5)，不再重复分析。尽管B₂点和F点具有明显的海拔差异，但是两个冰温孔相同深度处的冰温差异不大，F点冰温基本上都比B₂点的冰温低，但是差值都在0.7 ℃以内，远小于两地气温差值1.6 ℃。这可能主要是由于5月份积雪覆盖较厚(1 m以上)，有一定的保温效果，使得F点的冰温与B₂点相差不大。在9月份，处于渗浸带的F点受到冰川融水下渗的影响，融水再冻结释放潜热使F点冰温升高，这也导致了F点与B₂点冰温相差不大。在10 m深处，B₂点和F点冰温3 a平均值分别为-3.15和-3.12 ℃，相差仅仅0.03 ℃。在20 m深处，两点的冰温有所差异，分别为-2.4和-2.56 ℃，差值达到了0.16 ℃，也可以看出随深度增加夏季冰川融水的作用影响越小。

图 4 Austre Lovénbreen冰川B2点20 m深度冰温剖面 Fig. 4 Ice Temperature Profile in Glacier Layer 20 m Below the Surface at Point B2 on Austre Lovénbreen Glacier

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图 5 Austre Lovénbreen冰川F点20 m深度冰温剖面 Fig. 5 Ice Temperature Profile in Glacier Layer 20 m Below the Surface at Point F on Austre Lovénbreen Glacier

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在同一条冰川上，冰川活动层冰温会随着海拔的升高而降低，在平衡线附近达到一个低值，在渗浸带又有所升高^[2]。图6显示的是春季5月和秋季9月B₂、E₂和F点10 m和20 m深处冰温对比。在冰温10 m深处，不管5月还是9月E₂点的冰温都是最低的，平均值分别为-3.39 ℃和-3.5 ℃；F点尽管海拔最高，但是在5月和9月冰温与B₂点的差值非常小，分别为0.03 ℃和0.01 ℃。在冰温20 m深处，冰温最低点同样出现在E2点，5月和9月的数值分别是-2.99 ℃和-2.98 ℃；与10 m深处不同的是，不管在5月还是9月，20 m处E₂点冰温与B₂点的差值都有增大的趋势。

图 6 B2、E2和F点5月和9月10 m和 20 m深处冰温平均值 Fig. 6 Ice Temperature Mean Values of Points B2， E2 and F at Depth of 10 m and 20 m in May and September

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从随海拔升高冰温降低的速率上来看，B₂点到E₂点之间，10 m深处冰温在5月和9月的递减率基本一致，都为0.15 ℃·100 m^-1；20 m深处冰温递减率要比10 m处的大，分别达到0.29和0.3 ℃·100 m^-1，但是仍然低于A冰川近地层气温随海拔降低的速率(0.6 ℃·100 m^-1)，这也看出来活动层冰温和冰川近地层气温变化的差异性。与中国境内山地冰川10 m处冰温递减率比较，A冰川的要远远小于慕士塔格冰川(0.83 ℃·100 m^-1)^[17]、珠峰北坡绒布冰川(1 ℃·100 m^-1)和古里雅冰帽(0.6 ℃·100 m^-1)^[18]。这可能与冰川的物理特性有关，A冰川属于亚极地型的多热型冰川，而其他冰川都属于大陆型冰川。

作为冰川发育面与边界面，冰川活动层是最为活跃的层面，其温度对气候变化影响最敏感。因此，研究活动层冰温和近地表大气之间的关系对于探索深层冰川保留的古气候信息具有重要参考价值，还可以为未来预测冰川对气候变化的响应提供基础数据^[2]。活动层位于冰川表层，受冰川表面气温直接影响，具有年变化，其下界的温度是决定冰川物理特征的基本因素。由于B₂和F点冰温探头太少，冰温分布有一定的失真，因此，以E₂点冰温变化为例分析活动层。

根据冰温活动层划分标准，可把E₂点20 m冰温孔分成两部分：E₂点冰温孔9 m以上为活动层上部。受冰川近地层气温变化的影响，冰温季节变化明显，由于春季5月份气温要低于冰温，活动层上部热传导方向向上，而到了秋季9月份，气温高于冰温并且向冰川传递热量，活动层上部热传导方向向下。9 m以下为活动层下部，受近地层气温影响较小，冰温季节变化不明显，温度梯度符号基本不变，热传导方向总是向上的。

根据冰温变化曲线(图3~5)以及活动层下界温度变化幅度小于此处冰温5%推断^[2]，B₂、E₂和F点活动层下界深度都为14 m，三点冰温平均值分别为-2.76 ℃、-3.23 ℃、-2.84 ℃。从冰温随海拔变化曲线上来看，在消融区B₂点，随着海拔的升高，冰温不断降低，直到平衡线附近E₂点达到最低值。再随着海拔的升高，冰温不断升高，在F点可以得到验证。A冰川随海拔呈现出来的变化特征与中国大陆型冰川冰温分布非常相似^[3]。究其原因，主要是因为在消融区B₂点，由于裂隙的存在，冰川融水顺着裂隙进入冰川深处，加热了冰川，使冰温升高。在平衡线以上的渗浸带F点，是因为夏季冰川融水下渗，融水再冻结释放潜热，渗浸作用的特殊水热输送过程使得冰温升高。

与中国大陆型冰川平衡线附近活动层下界冰温比较，E₂点冰温要远高于天山乌鲁木齐河源1号冰川东支(-6.6 ℃)^[19]、阿尔泰喀纳斯冰川(-3.5 ℃)、祁连山老虎沟12号冰川(-8.2 ℃)和七一冰川(-9 ℃)以及喜马拉雅山野博康加勒冰川(-5.8 ℃)^[20]的冰温。

10 m深度处冰温是表征冰川物理学特征最重要的参数之一。对纯冰介质，表面温度年变化值为20 K的情况下，10 m深处冰温年变化一般不超过1 K^[20]，因此通常将10 m深度处的冰温看成冰川活动层温度的特征值与冰川近地层年平均气温进行比较。表1显示的是2009~2011年A冰川上B₂、E₂和F点10 m深处冰温和近地层气温以及新奥尔松地区气温年均值。从表1中可看出，除了2011年B₂、E₂和F点冰温低于新奥尔松地区的气温外，2009和2010年三个冰温孔的温度都比气温高。从温度的数值上看，3 a三个冰温孔的温度与相对应年份新奥尔松地区的气温年均值非常接近，差值都在1 ℃以内。

与冰川近地层气温相比，三个点10 m深处冰温都高于气温。2011年，B₂点10 m深处冰温与气温差值达到最小，为1.12 ℃，2010年最大，达到2.18 ℃。E₂点冰温与气温差值最小值也出现在2011年，差值达到2.03 ℃，最大差值也出现在2010年，差值达到3.15 ℃。F点冰温与气温差值都在3 ℃以上，最高值达到3.88 ℃。由此可看出，A冰川3个点10 m深处冰温都比近地层气温要高1～4 ℃，这也显示出在冰川渗浸带，冰川融水下渗冰川内部，再冻结作用释放的潜热导致冰川升温的重要性。

与斯瓦尔巴群岛上的冰川10 m深处冰温相比，A冰川三个点的冰温要比新奥尔松地区Kongsvegen冰川(-4.75 ℃)高，比Holtedahl fonna冰川(-2.6 ℃)低，与Hornsund地区的Hansbreen冰川(-3.15 ℃)非常接近^[21]，与Irenebreen冰川积累区的冰温(-3.3 ℃)相差不大^[22]。与中国大陆境内冰川10 m深处冰温比较，不管是A冰川B₂点和F点还是E₂点冰温都要高于阿尔泰Tsambagarav冰川(-12.9 ℃)、天山庙儿沟冰川(-7.2 ℃)、祁连山疏勒南山冰川(-8.6 ℃)和喜马拉雅山Gyabrag冰川(-8 ℃)^[20]。这也体现出冰川物理特性的差异性，斯瓦尔巴群岛地区的冰川主要是多热型冰川，冰温较高，而中国境内的这几条冰川都是大陆型冰川，冰温较低。

冰川温度是冰川最基本的物理特征，反映了冰川发育的水热条件。本文选择Austre Lovénbreen冰川，在B₂、E₂和F点开展20 m深度冰温监测工作，得到以下结论：(1)4 m深度以上冰温受近地层气温影响很大，具有明显的季节变化；10 m深度以下，冰温缓慢增温，变化波动很小。B₂、E₂和F点冰温曲线在春季5月表现为冷季型。秋季9月属于暖季型。(2)不管是春季5月还是秋季9月，在10 m和20 m深处，E₂点冰温都是最低的，B₂和E₂点之间20 m深处冰温递减率(0.29和0.3 ℃·100 m^-1)要大于10 m深处的(0.15 ℃·100 m^-1)；(3)以9 m深度为界，把E₂点活动层分成两部分，三点处冰温活动层下界的深度都为14 m，冰温平均值分别为-2.76 ℃、-3.23 ℃、-2.84 ℃；(4)三处10 m深度冰温与新奥尔松地区的气温非常接近，差值都在1 ℃以内，但是比近地层气温要高1～4 ℃，这也显示出冰川表面融水再冻结释放的潜热导致冰川升温的重要性。

尽管在Austre Lovénbreen冰川上开展了3 a以上的20 m深度冰川温度监测工作，但是B₂和F点由于温度探头较少，冰温曲线有一定的失真性，因此有必要增加测温探头分布，丰富B₂和F点冰温监测。另外，有必要在B₂点开展透底冰孔工作，不仅可以完善深冰温孔观测体系，还可以验证雷达测厚深度。

致谢：感谢国家海洋局极地考察办公室对冰川考察的资助，感谢丁明虎副研究员提供数据支持，感谢北极黄河站考察队员李斐教授、董利处长、周春霞教授、张胜凯副教授、马红梅副研究员和李鹏协助野外工作。