王瓊，王欣，2，雷東鈺，殷永勝，魏俊鋒，張勇

（1.湖南科技大學(xué)地球科學(xué)與空間信息工程學(xué)院，湖南 湘潭 411201；2.中國(guó)科學(xué)院西北生態(tài)環(huán)境資源研究院冰凍圈科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，甘肅 蘭州 730000）

0 引言

末次冰盛期以來山地冰川顯著退縮［1-2］，全球山地冰川作用區(qū)大量冰湖形成和擴(kuò)張［3-7］，影響著冰川作用區(qū)及其下游生態(tài)、環(huán)境和社區(qū)生活［8-11］。冰湖作為冰凍圈水文學(xué)的重要組成部分，與冰川相互作用并參與和改變區(qū)域水循環(huán)過程［12-13］。研究表明，冰湖對(duì)冰川動(dòng)力學(xué)過程和消融特征影響顯著，引起冰流速率、物質(zhì)平衡等發(fā)生變化［14-16］，而冰湖潰決事件災(zāi)害鏈更與冰川躍動(dòng)聯(lián)系密切［17-18］，冰湖的迅速變化將對(duì)冰川演化發(fā)揮不可或缺的作用。

冰川形成于固態(tài)降水的積累與演化，受氣候、地形、幾何形態(tài)等要素的綜合作用塑造了豐富的冰川地貌類型［9，19-20］。冰湖形成于冰川作用區(qū)洼地，以冰川水系為紐帶耦合冰川進(jìn)行能量流動(dòng)與物質(zhì)交換?？紤]到冰湖發(fā)育受制于冰川作用產(chǎn)生的湖盆地形和冰川作用區(qū)的產(chǎn)匯流機(jī)制，從冰川演化角度解構(gòu)冰湖形成機(jī)理更能反映冰湖本質(zhì)（圖1）。近年冰川演化模擬逐漸從經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ秃鸵浑A近似模型向充分考慮溫度場(chǎng)、底部滑動(dòng)和物質(zhì)運(yùn)輸?shù)扔绊懸蛩氐木C合高階動(dòng)力學(xué)模型轉(zhuǎn)變［21-22］；另一方面，冰湖又反作用于冰川動(dòng)態(tài)（圖1），深刻影響著冰川數(shù)值模擬的發(fā)展和完善，理解冰川-冰湖耦合機(jī)制將促進(jìn)冰凍圈尺度的綜合數(shù)值模擬完備。

圖1 冰川演化與冰湖發(fā)育耦合機(jī)制Fig.1 Coupling mechanism between glacial evolution and glacial lake development

本文系統(tǒng)歸納了現(xiàn)有冰川-冰湖耦合過程機(jī)理研究成果，探討了當(dāng)前研究中存在的不足與挑戰(zhàn)及未來研究趨勢(shì)，有助于增進(jìn)冰凍圈水文過程和災(zāi)害效應(yīng)認(rèn)識(shí)，完善冰凍圈科學(xué)理論體系。

1 冰湖湖盆發(fā)育機(jī)制

湖盆是地表相對(duì)封閉的可蓄水洼池。冰川作用區(qū)在重力和外營(yíng)力共同驅(qū)動(dòng)下，各地表環(huán)境要素相互作用，發(fā)生侵蝕、搬運(yùn)、沉積、消融等過程，外在形式表示為塑造地貌和物質(zhì)運(yùn)輸，為冰湖發(fā)育提供多元地形條件［8，19］。冰湖母冰川周邊環(huán)境地形因子控制冰川作用過程和冰湖發(fā)育［23］，并制約湖盆特征（如位置、面積等）［24］。

1.1 地形控制因子

冰川通過坡度、下伏基巖等地形因子影響冰湖湖盆形成，利于湖盆發(fā)育的優(yōu)勢(shì)地形分布決定了冰湖分異。冰川坡度控制冰川動(dòng)力學(xué)進(jìn)而影響冰湖發(fā)育，主要表現(xiàn)為冰川地形（表面坡度）和山谷形態(tài)（底部地形）；冰川圍巖參與冰川作用過程，直接塑造和構(gòu)成冰湖湖盆地形。

冰川表面坡度平緩為局部洼地的形成和匯流提供條件，坡度陡峭表明蓄水區(qū)域有限及冰流、徑流速度相對(duì)較快，不利于滯水過程。如喜馬拉雅山中段波曲流域，受陡峭地形階地限制2010—2017年冰湖面積增幅較1970—2010年明顯放緩，且擴(kuò)張潛力較?。?5］。相較于整體坡度差異，冰川積累區(qū)和消融區(qū)之間的表面坡度差異是引起冰湖形成的關(guān)鍵響應(yīng)因素，更為陡峭的積累區(qū)平均坡度在物質(zhì)平衡線附近切變，導(dǎo)致冰川末端低流速和高消融率，為冰湖發(fā)育提供有利條件［24，26］。

冰川底部地形隨著冰湖擴(kuò)張、融合逐漸成為冰湖的載體，決定著冰湖的最終發(fā)育形態(tài)。坡度梯度較大的底部地形為冰湖湖盆形成提供了場(chǎng)所，而過于均一坡度的冰下地形不利于儲(chǔ)存冰下徑流。對(duì)比研究喜馬拉雅山西段拉達(dá)克地區(qū)同一流域的Dulung冰川和Chilung冰川縱向山谷剖面發(fā)現(xiàn)，Dulung冰川末端山谷第一段（5.4°）呈現(xiàn)出比Chilung冰川末端山谷第一段（4°）更陡峭的坡度，Dulung冰川末端山谷第二段底部地形趨于平緩并在第二段末端受冰磧壩阻擋成湖，而Chilung冰川遵循冰川坡度總體趨勢(shì)，未形成利于冰湖發(fā)育的湖盆地形［24］（圖2）。

圖2 Dulung冰川和Chilung冰川底部地形剖面［24］Fig.2 Basal topographic profile of Dulung Glacier and Chilung Glacier［24］

冰川圍巖是承擔(dān)冰川作用的載體，不同地表質(zhì)地結(jié)構(gòu)在冰流驅(qū)動(dòng)下表現(xiàn)出不同種類的冰川作用過程。冰床基巖不同程度的侵蝕塑造出不同類型的冰下地貌，如較為堅(jiān)固的基巖顆粒（如礫石）被底部冰川冰攜帶在冰床上運(yùn)動(dòng)和改造冰川則表現(xiàn)為冰川刻蝕，僅在底部冰床留下刻槽，而較為松散的冰川底部基巖結(jié)構(gòu)在巨厚冰蓋或冰川作用下則表現(xiàn)為冰川過量下蝕作用，形成有利于冰湖發(fā)育的下伏地形。兩側(cè)基巖在冰川運(yùn)動(dòng)過程中多表現(xiàn)為搬運(yùn)、沉積過程，受冰川侵蝕而剝離基巖的碎屑，隨冰川作用運(yùn)輸并以冰磧的形式參與冰湖湖盆構(gòu)成?？紤]到壩體穩(wěn)定性，冰川侵蝕作用塑造的冰湖存在時(shí)間一般較冰磧湖更長(zhǎng)［25］。

1.2 冰川侵蝕成湖

冰川侵蝕作用是冰川發(fā)育和運(yùn)動(dòng)過程中對(duì)圍巖各類侵蝕作用的總稱，不同類型的冰川侵蝕作用塑造了不同深度、位置、形態(tài)特征的冰蝕洼地湖盆。底部和冰內(nèi)巖屑的對(duì)冰床、兩側(cè)谷壁不同程度的改造表現(xiàn)為刨蝕、掘蝕；冰川底部冰川冰與凸出冰床巖石凍結(jié)成塊或冰川冰嵌入冰床基巖節(jié)理和裂隙中，而隨冰川運(yùn)動(dòng)拔起帶入冰層中稱拔蝕；冰川深切下伏地層發(fā)生過量下蝕作用，冰川作用于特殊的下覆地質(zhì)、地貌部位（如巖性差異導(dǎo)致抗侵蝕能力的差異），形成遠(yuǎn)超冰川其他部分長(zhǎng)期、穩(wěn)定侵蝕深度的侵蝕盆地或槽谷［27］。冰川侵蝕作用形成的冰湖完全出露地表需要表面冰川完全消融，因而目前該類作用形成的冰湖多為第四紀(jì)冰川侵蝕作用的產(chǎn)物，表現(xiàn)為冰緣湖形式。其中，山地冰川溯源和下蝕侵蝕形成的圍椅狀凹地稱為冰斗，冰斗冰川消退后冰斗底部出露為湖盆，稱為冰斗湖；冰川對(duì)冰床侵蝕作用（磨蝕、刨蝕、過量下蝕作用等）形成的溝谷地貌［9］，冰川消退后出露成兩側(cè)陡直而底部寬平的“U”形山谷，為發(fā)育冰川槽谷湖提供條件［28］。

圖3 冰川侵蝕作用成湖Fig.3 Glacial lake formation of glacier erosion

冰川侵蝕作用（尤其是過量下蝕作用）形成的冰湖，其壩體與湖盆均由冰床基巖組成，結(jié)構(gòu)較為穩(wěn)定，冰湖存在時(shí)間較長(zhǎng)，位置相對(duì)固定［29-30］。冰川退縮背景下該類作用形成的湖盆將逐漸出露地表，因而成為目前冰凍圈領(lǐng)域預(yù)估未來潛在冰湖形成、發(fā)展研究的熱點(diǎn)［31-32］。早期研究將該類冰湖形成位置判別機(jī)制定性為冰面坡度閾值＜5°［33］，隨著定量化模擬冰厚成為可能，基于淺冰近似模型及其改進(jìn)模型（如GlabTop模型）對(duì)冰床地形重建并表現(xiàn)出較高的精度，被廣泛應(yīng)用于山地冰凍圈和極地冰蓋用于生成“無冰川DEM”，實(shí)現(xiàn)對(duì)潛在冰床湖盆位置的識(shí)別［27，30，34-37］。

1.3 冰川搬運(yùn)-沉積成湖

冰川搬運(yùn)作用是冰川運(yùn)動(dòng)過程中將凍結(jié)在冰川中的碎屑物質(zhì)遷移到另一位置的過程，冰川消融或載荷能力降低導(dǎo)致冰體攜帶的碎屑物質(zhì)堆積（沉積）［19］（圖4）。受制于不同冰川搬運(yùn)-沉積過程形成的冰磧堆積表現(xiàn)為不同類型的冰湖湖盆壩體：前推式冰磧壩、嵌入式冰磧壩、傾倒式冰磧壩、冰核式冰磧壩，壩體高度由數(shù)米至超過100 m不等，壩體顆粒膠結(jié)程度和分選差異較大［23］。

圖4 冰川搬運(yùn)-沉積作用成湖［38］Fig.4 Glacial lake formation of glacier transport and sedimentation［38］

冰川搬運(yùn)-沉積作用在安第斯山脈、興都庫(kù)什-喜馬拉雅山脈、天山、北美科迪勒拉山系西部等高山地區(qū)的廣泛存在塑造了大量的冰磧阻塞湖［39］，該類型湖泊在冰湖總量中占較大比重，并隨氣候變化持續(xù)增加和擴(kuò)張［40］。因其較高的不穩(wěn)定性成為學(xué)術(shù)界冰湖潰決機(jī)理的主要研究對(duì)象，并構(gòu)建了一系列經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?、分析模型和?shù)值模型對(duì)觸發(fā)機(jī)制、潰口的產(chǎn)生和發(fā)展以及洪水演進(jìn)路線進(jìn)行模擬［39，41-43］。受地表起伏、破碎度、覆被類型等要素的綜合影響［44］，冰川作用區(qū)偶發(fā)的冰（雪/巖）崩、泥石流等災(zāi)害性事件導(dǎo)致大量的冰川和山體碎屑物質(zhì)被攜帶運(yùn)輸，最終在下游沉積下來，阻塞河谷、冰川融水等形成堰塞湖［44］。成湖過程中的破壞力對(duì)下游居民、社區(qū)和道路、橋梁、水電站等基礎(chǔ)設(shè)施存在顯著的潛在危害［44-45］，且常以災(zāi)害鏈的形式出現(xiàn)［45-47］。

1.4 冰川熱力成湖

冰川熱力作用過程通過能量轉(zhuǎn)換機(jī)制控制冰川運(yùn)動(dòng)狀態(tài)、塑造冰川作用區(qū)地表形態(tài)，為冰湖湖盆提供了廣泛發(fā)育的溫床，主要表現(xiàn)為熱喀斯特作用和冰川消融［8］（圖5）。冰川冰面、冰內(nèi)和冰下的熱力狀況差異所導(dǎo)致的冰體差異消融在塑造冰川喀斯特的地表營(yíng)力中扮演了重要角色，熱融作用引起的地面沉降、塌陷在冰川不同位置塑造熱喀斯特湖盆［19-20］，埋藏于冰磧中的死冰融化沉陷而形成冰磧壟熱融湖；而冰內(nèi)水系通道的堵-潰和凍-融過程使得匯入冰內(nèi)水系或冰內(nèi)管壁的融水因冰川內(nèi)部存在裂隙、管道或洞穴而聚集，通過長(zhǎng)時(shí)間的累積形成冰內(nèi)湖［49］；冰下湖在格陵蘭冰蓋冰緣地帶的分布和海洋性山岳冰川小規(guī)模存在的可能性歸因于其活躍的水文狀況和發(fā)育的冰下水系通道，反映了熱喀斯特作用的活躍［28，50-51］。研究表明，全新世末次冰盛期消退期間熱喀斯特湖曾在西伯利亞和阿拉斯加的廣大地區(qū)發(fā)育［52］。

圖5 冰川-冰湖熱力耦合機(jī)制Fig.5 Thermal coupling mechanism of glacier and glacial lake

表磧、吸光性粒子、水體和微生物等對(duì)地表反照率的正反饋改變冰川能量循環(huán)，促進(jìn)冰川表面差異消融，使得冰面凹陷形成湖盆底部為冰體的冰面湖［23，28，53］。冰面湖是許多其他類型湖泊的前身，喜馬拉雅山地區(qū)的Ngozumpa冰川探地雷達(dá)調(diào)查結(jié)果揭示了同一底部湖盆表面多個(gè)冰面湖的擴(kuò)張、加深、融合最終發(fā)育為冰磧湖、冰川侵蝕湖這一過程［54］。早期冰面湖數(shù)值模擬概念上僅包括表磧覆蓋對(duì)冰川物質(zhì)平衡的影響，近期基于自由對(duì)流原理構(gòu)建的物質(zhì)-能量平衡模型解釋了冰面湖與大氣和冰川之間的耦合機(jī)制［55］。

1.5 冰川阻塞成湖

冰川底部滑動(dòng)和躍動(dòng)狀態(tài)下冰流顯著前進(jìn)［8，56-57］，可能迅速阻塞河谷或另一支冰流形成壩體，為冰湖湖盆發(fā)育提供條件［58］［圖6（a）～（b）］，葉爾羌河流域的克亞吉爾特索湖典型地反映出該類冰湖形成的特征［59］。末次冰期全球范圍內(nèi)冰川前進(jìn)發(fā)育陸地冰蓋阻塞河流水系，形成巨大的冰川阻塞湖［60］；冰川快速退縮過程中的差異消融導(dǎo)致支冰川退卻與主冰川分離，而另一支冰流或主冰川冰流經(jīng)過阻塞成為冰壩，為冰川阻塞湖發(fā)育構(gòu)建湖盆［圖6（c）～（d）］。天山地區(qū)伊力爾切克冰川麥茨巴赫湖具有顯著的支冰川快速退縮被主冰川阻塞成湖特征［61］，該類冰湖在羌塘高原內(nèi)部也有分布，且較為穩(wěn)定［28］。

圖6 冰川阻塞湖形成過程：前進(jìn)冰川阻塞（a）～（b）；消融冰川阻塞（c）～（d）Fig.6 Ice-blocked lake formation process：advancing glacier dammed（a）～（b）；ablating glacier dammed（c）～（d）

2 冰湖湖盆水文機(jī)制

冰湖湖盆為蓄水提供了有利的地形條件，大氣降水、季節(jié)性融水、冰川徑流等多元水源的綜合作用使得洼地最終發(fā)育成湖［8，62］。冰湖湖盆的產(chǎn)-匯流機(jī)制描述了湖泊水源的產(chǎn)生與匯集［8，63-64］，降水、冰川和凍土等水循環(huán)要素為冰湖提供了廣泛而豐富的補(bǔ)給（圖7）。不同類型冰湖各水源組分貢獻(xiàn)比差異顯著（如冰斗湖相較冰面湖降水補(bǔ)給占比更大），且冰川產(chǎn)流是冰川表面氣象要素和冰川物理性質(zhì)綜合作用的結(jié)果［8，64］。本文圍繞冰川產(chǎn)-匯流對(duì)冰湖湖盆的產(chǎn)-匯流機(jī)制進(jìn)行論述，反映出冰川作用下的冰湖水文過程。此外，冰湖蓄水-排水機(jī)制決定了冰湖動(dòng)態(tài)和最終形態(tài)［23，49］（圖7）。

圖7 冰湖發(fā)育對(duì)冰川動(dòng)態(tài)的影響Fig.7 Effects of glacial lake development on glacial dynamics

2.1 湖盆產(chǎn)流機(jī)制

冰川消融和外部水源進(jìn)入冰川水文系統(tǒng)共同作用于冰湖湖盆產(chǎn)流機(jī)制。冰川表面消融受太陽輻射影響表現(xiàn)出顯著的時(shí)空差異，冰內(nèi)和冰床因形變或滑動(dòng)產(chǎn)生摩擦引起的消融較為穩(wěn)定［8］。表磧覆蓋、吸光性粒子（如碳質(zhì)氣溶膠）、冰崖和冰川微生物群落等因子直接或間接影響冰川表面反照率、湍流熱通量和局部熱平流等，導(dǎo)致冰川表面消融特征非線性分布［65］，加劇差異消融［23，53，66-74］；不同介質(zhì)之間的熱傳導(dǎo)和壓力等要素引起的冰熔點(diǎn)變化促進(jìn)冰川融水形成［13，55，75-76］。

大氣降水（降雨、固態(tài)降水消融）、凍土消融、地下水等冰川作用區(qū)外部水文因子是冰川徑流的重要組分，并隨冰川徑流補(bǔ)給入湖參與冰湖水文過程［8，64］。降水和冰川融水的共同作用引起青藏高原冰川補(bǔ)給湖總蓄水量在1990—2013年上升84%［62］，全球升溫情景下的降水變化將持續(xù)深刻影響冰湖水量［66］，蒸發(fā)加劇導(dǎo)致的區(qū)域性小氣候降水增加和固態(tài)降水比重下降［77］，將促進(jìn)冰川徑流量增長(zhǎng)和冰湖發(fā)育。

學(xué)術(shù)界正致力于開展流域水文模型和綜合冰凍圈水文模型，基于物質(zhì)-能量平衡模型和統(tǒng)計(jì)學(xué)原理考慮復(fù)雜地形上的風(fēng)、湍流、粒雪等參數(shù)，以野外工作站儀器、無人機(jī)和衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)為模型的補(bǔ)充，對(duì)地表反照率、積雪和冰川的物質(zhì)平衡和再分布、集水區(qū)徑流等進(jìn)行模擬［73，78-79］，建立綜合性冰川產(chǎn)流機(jī)制模型。

2.2 湖盆匯流機(jī)制

冰川匯流普遍存在于冰川水文系統(tǒng)，塑造了樹枝狀、扇形、羽狀等多樣徑流形態(tài)，冰湖湖盆輻合匯集匯流路徑水源而成湖。冰川水系入湖補(bǔ)給冰湖路徑本質(zhì)上取決于水勢(shì)梯度和水流阻力之間的平衡［8］，水勢(shì)梯度反映了水文系統(tǒng)的流向，地表可表征為海拔高度和質(zhì)量的函數(shù)，水體流動(dòng)方式表現(xiàn)為占據(jù)表面凹陷，而冰川內(nèi)部受壓力、海拔變化等因素的復(fù)雜影響致使水流匯集于被高水勢(shì)環(huán)繞的低水勢(shì)區(qū)域［80］；水流阻力取決于水流溫度與黏度的關(guān)系和水系通道特性（如通道粗糙度，橫截面積等）［8］。

不同位置冰川匯流的水勢(shì)梯度和水流阻力差異表現(xiàn)出不同的匯流特征［64，81］。冰川表面徑流受制于坡度沿最大梯度方向匯集，同時(shí)為保持表面徑流的持續(xù)存在而下切侵蝕速率超過相鄰冰面消融速率［80］。冰上排水系統(tǒng)因積雪與裸冰滲透率差異沿積雪孔隙下滲，并在冰面形成飽和水層后沿坡度流動(dòng)，使表面匯流過程滯后［82］；冰內(nèi)徑流反映了表面水體（冰川融水、大氣降水等）經(jīng)由裂隙或垂直通道與冰床建立水文聯(lián)系［83-84］。冰川表面徑流水壓剪切作用是冰內(nèi)徑流產(chǎn)生的主因，且隨水流進(jìn)入管道導(dǎo)致管壁融化使管道直徑擴(kuò)大［8］；冰下徑流存在形態(tài)主要為管道式和分布式，其存在形態(tài)體現(xiàn)了匯流特征，分布式向管道式轉(zhuǎn)變表明匯流水源增加，反之則表現(xiàn)為管道式向分布式轉(zhuǎn)變［85-86］。

冰川匯流機(jī)制的復(fù)雜性使得不同匯流類型的數(shù)值模擬方法存在較大差異。冰面匯流機(jī)制模擬以格網(wǎng)形式進(jìn)行量化，并考慮積雪覆蓋對(duì)匯流滯后進(jìn)行修正［86］；冰內(nèi)匯流通過水流連續(xù)性方程描述，并將復(fù)雜的裂隙和垂直管道理想化為垂直通道、表面和底部裂隙通道［87］；出于對(duì)壓力重要性考慮，冰下匯流模擬引入電壓模型類比［85］，進(jìn)而考慮地下水分量［87］。由于冰川水系密切連通，綜合考慮冰川匯流機(jī)制的冰川動(dòng)力學(xué)模型逐步得到發(fā)展，以量化冰川動(dòng)態(tài)和冰川水文［88］。

2.3 湖盆蓄水-排水機(jī)制

冰湖湖盆底部和壩體結(jié)構(gòu)控制了湖泊演變過程，湖盆構(gòu)成有效的不透水屏障情況下，壩體最低高程決定了冰湖最高水位與排水基準(zhǔn)面［8，23］?；鶐r結(jié)構(gòu)的冰湖湖盆底部使得下滲過程難以發(fā)生，冰湖對(duì)冰川徑流持續(xù)接納直到水位超過壩體最低高度才會(huì)因漫頂而觸發(fā)排水事件（該過程可能造成壩體破壞而引起蓄水條件的變化）［13，81］；若壩體由相對(duì)松散的冰磧物構(gòu)成且結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定，冰湖水壓作用下管涌頻發(fā)，導(dǎo)致冰湖排水和潰壩［23］，冰下湖的周期性排水事件推測(cè)與其壩體部分由冰川沉積物構(gòu)成有關(guān)［89］；形成于冰川表面以冰體為底部湖盆的冰湖蓄水過程具有相當(dāng)?shù)牟环€(wěn)定性，冰裂隙和冰內(nèi)徑流的產(chǎn)生使得冰面湖與冰內(nèi)水文系統(tǒng)連接成為可能，當(dāng)湖泊與低水勢(shì)區(qū)域之間建立起高效的水力連接，便觸發(fā)排水過程［39，90-91］。而當(dāng)冰水通道排水事件結(jié)束，冰流瞬態(tài)加速過程終止，冰川流速回歸正常閾值，蠕變重新主導(dǎo)冰湖湖盆底部運(yùn)動(dòng)形式，冰水通道迅速閉合，封閉的不透水湖盆開始新一輪蓄水-排水周期［8，92］；前進(jìn)冰川阻塞湖因壩體由躍動(dòng)冰川的冰川冰組成，不穩(wěn)定性高，易受熱消融而引起潰決，一般存在時(shí)間較短［8］。其補(bǔ)給方式依靠于攔截另一支冰流融水，當(dāng)冰川融水蓄積達(dá)到一定水深（或水壓）時(shí)，易形成周期性突發(fā)洪水［58］；而冰川消融斷裂形成的冰川阻塞湖雖壩體由冰川冰構(gòu)成，但其物質(zhì)平衡趨于穩(wěn)而較穩(wěn)固，不易潰決［28］。天山地區(qū)伊力爾切克冰川麥茨巴赫湖由于季節(jié)性冰川消融，蓄水成湖、潰決并隨冰川運(yùn)動(dòng)排水通道閉合而再次成湖，表現(xiàn)出特有的周期性而頻繁發(fā)生潰決事件，協(xié)合拉水文站水文記錄數(shù)據(jù)分析表明，1956年以來麥茲巴赫湖洪水次數(shù)高達(dá)50余次［61］。

3 冰湖對(duì)冰川動(dòng)態(tài)的影響

冰湖演化對(duì)冰川動(dòng)態(tài)存在廣泛而深刻的影響，關(guān)鍵作用機(jī)制包括：控制冰流［16］、調(diào)節(jié)熱消融過程［66，69］、促進(jìn)末端崩解［93-96］（圖7）。冰川物質(zhì)平衡模型逐步將這些要素納入考慮從而實(shí)現(xiàn)綜合、全面的數(shù)值模擬，許多極地應(yīng)用場(chǎng)景的理論和模型成果也正遷移到山地冰凍圈，用于探究冰川-冰湖耦合機(jī)制［97-98］。

3.1 冰湖-冰流控制作用

冰湖水動(dòng)力學(xué)對(duì)控制冰流具有重要意義，主要表現(xiàn)為排水事件作用下的冰流瞬態(tài)加速、基底摩擦力調(diào)節(jié)和觸地線遷移。受制于冰川熱力學(xué)過程，冰面湖表現(xiàn)出季節(jié)性變化與生消過程不穩(wěn)定，并經(jīng)常伴隨著快速排水過程、末端崩解和冰湖潰決［3，12，69］，而冰下湖也存在周期性地儲(chǔ)存和釋放大量湖水的現(xiàn)象［50］，均可能招致冰川瞬時(shí)加速和冰流量增加；湖水經(jīng)由冰裂隙和冰水通道下滲使得底部摩擦減小可能引起基底滑動(dòng)和躍動(dòng)［81，99-100］，而湖泊排水事件導(dǎo)致的底部摩擦力減小，由于長(zhǎng)期維持這個(gè)高效的局部蓄水-排水網(wǎng)絡(luò)所需的匯流區(qū)域?qū)⒏采w到距離冰湖相當(dāng)范圍的冰川床，可能增加該區(qū)域基底阻力，引起冰流速度減緩甚至停滯［50，76，92］；冰川末端水下冰體觸地線的遷移是控制冰流的關(guān)鍵因素，向下傾斜的觸地線雖無法達(dá)到隨遇平衡但仍可處于有限的穩(wěn)態(tài)，而觸地線后退引起的轉(zhuǎn)變?yōu)橄蛏蟽A斜形態(tài)將導(dǎo)致冰川末端的不穩(wěn)定［101-104］。

3.2 冰湖-熱消融調(diào)節(jié)機(jī)制

冰湖對(duì)冰川熱消融機(jī)制影響與冰湖蓄水機(jī)制總體一致，作用表面反照率、冰內(nèi)熱傳導(dǎo)和冰熔點(diǎn)控制物質(zhì)平衡。冰面湖湖水較低的反照率吸收更多入射太陽輻射，表現(xiàn)出加速冰川融化的正反饋［66，69］，消融速率可達(dá)到厚表磧的10倍［105］，湖水溫度日變化曲線呈“V”形，反映了湖水的分層和交換、混合過程，及對(duì)冰川消融的非線性影響［106］。冰面湖滲入冰層發(fā)生再凍結(jié)作用釋放潛熱造成局部升溫導(dǎo)致負(fù)物質(zhì)平衡［107-108］，再次促進(jìn)冰面湖形成，觸發(fā)正反饋機(jī)制［12］；冰面湖下滲和冰內(nèi)湖、冰下湖連通形成冰內(nèi)水文體系，通過熱傳導(dǎo)耦合冰川導(dǎo)致冰川負(fù)平衡加?。?3］，表面水體吸收的更多太陽輻射向下伏冰體傳導(dǎo)促進(jìn)了冰內(nèi)能量傳輸?shù)幕钴S［55］。冰前湖的冰-水界面是控制水上部分消融特征的關(guān)鍵要素，在冰川末端與冰面接觸處往往形成凹槽（圖7），水體較高的溫度向冰川末端傳輸熱量，同時(shí)末端受水面的長(zhǎng)波輻射影響，促進(jìn)局部消融［109］。此外，較厚冰層的巨大壓力使得壓熔點(diǎn)降低，導(dǎo)致底部冰川冰融化并加劇冰川物質(zhì)損失［75-76］。

入湖冰川水下部分冰體消融還受冰湖及周邊地形輻射、浮力、幾何形態(tài)、熱量交換等要素綜合影響。湖水溫度升高和冰內(nèi)徑流量增長(zhǎng)將加快消融速率［110-111］；冰下徑流入湖受浮力作用上升，冰湖表面相對(duì)溫暖的湖水對(duì)流至湖底，促進(jìn)水下部分消融而再次釋放融水，形成正反饋，該過程作用范圍稱為羽流體，羽流體不同形態(tài)、體積也影響著水下部分消融速率［97，110］；觸地線垂直截面冰通量與冰厚正相關(guān)，觸地線后退，對(duì)應(yīng)垂直截面冰厚增加冰通量變大，導(dǎo)致冰川減薄和觸地線持續(xù)后退，形成正反饋機(jī)制［101-104］；冰川末端水下部分的幾何形態(tài)也會(huì)導(dǎo)致差異化物質(zhì)平衡［112］；冰川末端崩解入湖引起水溫降低將暫時(shí)性表現(xiàn)出減緩消融的負(fù)反饋［92］。此外，冰湖經(jīng)由冰內(nèi)水系相互作用［113］，未來氣候變化過程將進(jìn)一步強(qiáng)化冰川表面和內(nèi)部水文系統(tǒng)間的連通性，冰湖-熱消融調(diào)節(jié)機(jī)制對(duì)冰川動(dòng)態(tài)將施加更為持續(xù)而強(qiáng)烈的影響［12］。

3.3 冰湖-末端崩解過程

氣候變化引起的冰凍圈物質(zhì)負(fù)平衡加劇將導(dǎo)致末端崩解風(fēng)險(xiǎn)隨排水量增加而增大［114-115］。伴隨冰面湖季節(jié)性變化與生消過程的快速排水過程和冰湖潰決可能觸發(fā)末端崩解［3，12，69］；冰-水界面施加在冰川末端的水壓差異所形成的小凹陷一定程度上引起了末端形態(tài)學(xué)特征變化，進(jìn)而影響冰川物質(zhì)平衡和冰川幾何形狀演化，冰川末端的持續(xù)內(nèi)切將改變冰川動(dòng)力學(xué)特征，促進(jìn)冰川退縮，增加末端崩解風(fēng)險(xiǎn)，末端崩解入湖會(huì)影響冰湖穩(wěn)定性，并可能造成涌浪和冰湖潰決［93-96］。

4 結(jié)論與展望

冰川-冰湖耦合過程影響著冰川作用區(qū)及其周邊地區(qū)生態(tài)環(huán)境、水資源循環(huán)模式和災(zāi)害效應(yīng)，成為當(dāng)前冰凍圈領(lǐng)域的一個(gè)重要科學(xué)議題。本文依據(jù)冰湖形成直接因素和主導(dǎo)因素視角，從冰川作用原理出發(fā)，系統(tǒng)性地總結(jié)了冰川演化成湖作用和冰湖演化對(duì)冰川動(dòng)態(tài)影響機(jī)理和數(shù)值模擬研究進(jìn)展，主要結(jié)論如下：

（1）冰川作用區(qū)水-能轉(zhuǎn)換過程機(jī)理研究為構(gòu)建冰川-冰湖-災(zāi)害理論體系奠定基礎(chǔ)。冰川作用區(qū)的水循環(huán)過程深刻影響著冰川行為，是冰川侵蝕和碎屑物搬運(yùn)-沉積過程的能量來源和直接驅(qū)動(dòng)因素，并以產(chǎn)、匯流機(jī)制為中繼與冰湖動(dòng)態(tài)相連接。冰川、冰湖為主體的機(jī)理研究大量開展為完善冰凍圈科學(xué)體系和理解冰凍圈各要素相互作用機(jī)制提供了必要的理論支撐和依據(jù)，而對(duì)冰川作用區(qū)水-能轉(zhuǎn)換過程機(jī)理的進(jìn)一步探究意味著不依賴于某一研究對(duì)象為主體的冰凍圈水文過程的綜合理解，對(duì)于構(gòu)建完整的冰川-冰湖-災(zāi)害理論體系具有重要意義。

（2）冰川-冰湖相互作用機(jī)制完善為綜合化數(shù)值模擬提供支撐，促進(jìn)模型性能優(yōu)化與應(yīng)用。隨著數(shù)理基礎(chǔ)的完善與硬件性能發(fā)展，冰川-冰湖耦合過程模擬逐漸從經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ秃鸵浑A近似模型向高階動(dòng)力學(xué)模型轉(zhuǎn)變和發(fā)展，并逐步將表磧覆蓋、冰內(nèi)徑流、觸地線等參數(shù)納入考慮。但冰川-冰湖耦合過程的各個(gè)組成部分均表現(xiàn)出復(fù)雜的響應(yīng)機(jī)制，且該系統(tǒng)與周邊環(huán)境存在物質(zhì)、能量交換而非孤立，當(dāng)前的數(shù)值模擬仍未能綜合地反映和量化水-能轉(zhuǎn)換過程函數(shù)中的分量，基于物質(zhì)-能量平衡原理的綜合水文模型開發(fā)對(duì)于認(rèn)知水循環(huán)模式和評(píng)估災(zāi)害效應(yīng)具有重要價(jià)值。

（3）開展集成氣候變化要素的冰川-冰湖耦合過程模擬，明晰冰凍圈未來演化，服務(wù)高寒區(qū)風(fēng)險(xiǎn)戰(zhàn)略長(zhǎng)期規(guī)劃。氣候變化作用于冰川并導(dǎo)致冰湖分異，冰川演化與冰湖發(fā)育特征受制于大氣強(qiáng)迫的驅(qū)動(dòng)動(dòng)量、能量平衡過程。決策者對(duì)制定風(fēng)險(xiǎn)戰(zhàn)略和采取適應(yīng)性措施長(zhǎng)期規(guī)劃的考慮對(duì)未來氣候情景下的冰川-冰湖耦合動(dòng)態(tài)提出要求，冰川-冰湖耦合過程對(duì)不同環(huán)流模式下大氣強(qiáng)迫的響應(yīng)是當(dāng)前研究們亟需思考的又一重要議題。

總之，冰川作用下的冰湖發(fā)育過程是各要素綜合作用的結(jié)果，近年在冰川-冰湖耦合機(jī)理研究和數(shù)值模擬均取得了較為顯著的進(jìn)展，從單一、定性研究向高階、定量研究轉(zhuǎn)變，方法逐步綜合化、復(fù)雜化。但冰川-冰湖-災(zāi)害理論體系仍不完善，數(shù)值模擬仍未綜合反映各組分。對(duì)冰川-冰湖耦合過程機(jī)理認(rèn)知的推進(jìn)，將為數(shù)值模擬完善和模型精度與可信度提高構(gòu)筑理論支撐，為評(píng)估冰川作用區(qū)及周邊地區(qū)對(duì)氣候變化的響應(yīng)、水資源循環(huán)模式及災(zāi)害效應(yīng)奠定理論基礎(chǔ)。