冰冻圈变化对中国西部寒区径流的影响

我国西部冰冻圈地处高海拔地区，气象、水文以及冰冻圈监测困难且数据稀少，这严重影响了冰冻圈水文及寒区流域水文过程的研究。

为了解寒区流域水文过程，探讨冰冻圈变化对河川径流的影响，开拓与发展寒区水文学，需建立不同目的的长期、系统的监测网络，在试验点、坡面、小流域以及山区流域尺度开展长期观测实验，研究寒区水文特别是冰冻圈水文过程的机理。在此基础上，构建高海拔寒区流域水文模型，在大量植被与土壤调查的基础上，模拟与预估寒区流域水文过程及径流量变化。

▲ 技术路线

基于长期野外观测实验、区域调查及模型模拟，本书（《冰冻圈变化对中国西部寒区径流的影响》，陈仁升等著． 北京: 科学出版社, 2019． 3）在初步获取中国西部高山区降水量时空分布的基础上，探讨了冰冻圈水文过程的基本过程和规律，分析了冰冻圈和其他下垫面在寒区流域水文过程中的作用及其变化对流域径流量的影响，预估了未来不同气候变化情景下中国西部寒区流域径流的可能变化，主要结论如下。

1) 高山区降水量实测数据表明过去可能低估了中国西部寒区流域的降水量。中国西部高山区降水时空分布复杂，其固态降水较多，本书提出了区分降雨、降雪和雨夹雪三种降水形态的临界气温阈值，并根据多年对比试验及其研究结果，校准了不同降水类型的观测误差。研究了坡度、坡向和海拔等地形因素对祁连山不同时间和空间尺度降水分布的影响，认识到研究区冬季最大降水高度带约为2300m，其他季节及年尺度上的最大降水高度带大约为4200m，这个高度受环流、地形、风场等影响，在不同地区会有所差异。环流形式、局地降水、前方陡峭的地形、冰川分布以及山谷风和下坡风的辐合风场等共同决定了山区最大降水高度带的高度。基于上述研究成果以及国家气象站、中国科学院野外台站和境外降水观测数据，我们制作了祁连山、长江源区、天山、喜马拉雅山4 个地区的月降水数据集。数据集为1km×1km、月尺度降水数据集，时间序列为1957 ~2014 年，数据集可在寒区旱区科学数据中心直接下载。该降水数据集综合了高山区实测降水数据，并得到了其他预留数据的良好验证，这应该是目前中国西部高山区精度最高的月降水量数据集，并改变了对过去降水量时空分布的认识。以祁连山黑河山区流域为例，过去认为该流域多年平均降水量约为400mm，但新的观测及计算结果表明该流域多年平均降水量约为500mm。

2) 冰川既是重要的水源，又具有重要的调丰补枯作用。受气温升高、冰川加速消融影响，冰川融水总体呈现增加趋势，少数流域冰川融水峰值已经出现，多数流域的冰川融水峰值也即将出现，这将会减少流域径流量，特别是西北干旱区冰川覆盖率大的流域:

①冰川是重要的水源。中国多年年均冰川融水资源量约为629. 56×108 m (内流水系39. 9%，外流水系60. 1%)。受气温升高、冰川萎缩影响，1961 ~2006 年冰川融水基本呈增加趋势，2000 年之后是冰川融水径流量最大的时期，年平均融水径流量达794. 67×108m (高出多年平均融水径流量26. 2%)。由于流域间气候系统、冰川规模、地形条件等存在差异，冰川融水对河流的补给比重不同，总的分布趋势是由青藏高原外围向高原内部随着干旱度的增强与冰川面积的增大而递增。冰川融水约占西部寒区流域径流量的12. 2%，约为全国河川径流量的2. 3%，是重要的水源，特别是对于西北干旱区来说，部分流域的冰川融水比例可达50%以上。

②冰川具有重要的稳定径流和调丰补枯作用。当流域冰川覆盖率大于5%时，流域年内径流过程线较为平稳。此外，丰水年份冰川蓄积的水资源在干旱年份释放，保证了流域径流及干旱区绿洲的稳定，气候越暖干的年份，流域冰川融水径流量越多，融水比例越大；在冰川覆盖率仅为0. 5%的祁连山黑河干流山区流域，其多年平均冰川融水比例仅为3. 5%，但在干旱年却接近5. 0%，在干旱月则高达16%。冰川由积累区向消融区运动和调丰补枯作用，才使得多数干旱区河流具有相对稳定的河川径流，绿洲得以保持稳定。但这种调丰补枯作用正受冰川萎缩影响，该影响导致流域年径流变差系数增大。

③目前西部寒区流域冰川面积已经减少约18%，未来将减少60% ~ 80%，小冰川基本完全消失，多数流域的冰川融水径流峰值出现在2020 ~2030 年，之后冰川径流将持续减少。

▲ 昆马力克河流域在RCP4.5 情景下2050 ~2059 年不同冰川退缩情景下冰川径流和总径流预估结果(Zhao et al.，2015)

3) 多年冻土及季节冻土退化已经引起中国西部甚至整个中国寒区流域冬季(枯水)径流增加、夏季径流减少、年内径流过程线变缓，这种变化与流域多年冻土覆盖率有关。未来全球变暖、冻土退化、植被带变迁可能会导致寒区流域径流系数变小:

①冻土水热耦合过程可改变冻结时期的土壤液态水分运移机制，即由重力势控制为主改变为基质势控制为主，这导致下层土壤液态水分出现向冻结锋面集结的现象。

②多年冻土覆盖率直接影响流域的径流年内分配，覆盖率越低，流域径流年内分配越稳定；反之，覆盖率越高，流域径流年内分配越不稳定。

③冻土退化已经增加了流域土壤调蓄能力，使中国寒区流域总体呈现冬季(枯水) 径流增加、夏季径流减少、年内径流过程线变缓；中国冰冻圈33 个流域多年冻土覆盖率与径流的统计结果表明，流域多年冻土覆盖率低于40%的流域，冬季径流增加幅度与冻土覆盖率呈反比；冻土覆盖率大于40%时，冬季径流变化幅度与冻土覆盖率基本无关。当流域多年冻土覆盖率高于60% 时，冬季径流比重基本稳定。GRACE 重力卫星研究结果也表明，祁连山地区储水量的增加是由冻土退化引起的。

④全球变暖可导致高山区冻土地区的高寒草原和灌丛草甸扩张，而沼泽草甸和高寒草甸退化，导致降水更多消耗于下垫面扩张引起的蒸散发量增加，区域的蒸散发量占降水量的比例增加会导致寒区流域未来的产流系数变小。

4) 不同于北半球绝大部分地区，中国西部高海拔寒区过去50 年和未来80 年融雪径流总体呈现增加趋势，积雪消融期提前、缩短，改变了流域年内径流过程线，但也存在区域差异，极高海拔地区降雪量伴随着降水量增加是主要原因: ①中国西部寒区流域降雪/ 积雪融水比例一般介于15% ~25%，是春季的主要水源。②气候变暖、雨雪比和积雪量变化改变了寒区流域的年内径流过程线，导致融雪提前、消融期缩短；以积雪融水补给为主的部分河流如克兰河，最大径流月由6 月提前到了5 月。③中国西部甚至整个寒区极高海拔、高纬度流域在过去50 年，融雪径流总体呈现增加趋势，这不同于北半球绝大部分地区。④未来中国西部寒区流域融雪径流总体呈现变化不大或增加趋势，高海拔区的温升尚不足以引起雨雪比质变，降水增加造成高山区降雪量增加是主要原因。

5) 冰冻圈变化对流域径流的综合影响主要体现在枯水径流增加、春季洪峰提前，冰川径流补给率低的河流夏季径流减少、补给率高的河流夏季径流增加；近年来冰冻圈变化总体增加了流域的径流量，但随着冰川的持续萎缩，由冰冻圈引起的流域径流增加峰值已经或即将出现，未来冰冻圈径流将会持续减少。

▲黄河源未来融雪径流的变化趋势

6) 未来三种排放情景下(RCP2. 6，RCP4. 5 和RCP8. 5)，受气候和冰冻圈变化共同影响，中国西部寒区流域径流总体呈现增加趋势，降水增加是主因，但未来降水的预估可能存在较大的不确定性。

总之，气候、冰冻圈、植被变化是影响中国西部寒区流域过去和未来径流变化的主要因素。其中，气候变化是驱动根源和最主要的影响因子，冰冻圈变化在冰川覆盖率小的流域主要是改变了流域年内、年际径流分配以及调丰补枯作用，在冰川覆盖率大的流域，冰川变化对径流的影响有时会超过降水的变化。过去几十年，寒区植被的变化主要是早期的森林过度砍伐和近年来的植树造林、过度放牧和开垦农田、气候变化共同造成的草地退化以及由于气候变化导致的植被带缓慢的变迁等。相对而言，在寒区流域，人类活动较为稀少且对生态的影响多于对径流总量的影响，气候和人类活动引起的植被变化对流域径流总量的影响较小，但这种影响是不容忽视的，目前还难以对其精确定量评估。未来尽管冰冻圈萎缩严重，但受降水增加影响，中国西部多数寒区流域径流会有一定程度的增加，少数冰川补给率高的流域将会出现断流现象。植被变化对流域径流的影响以及气候模式预估和水文模型模拟结果的不确定性等仍需要深入研究。

本文摘编自《冰冻圈变化对中国西部寒区径流的影响》（陈仁升等著． 北京: 科学出版社, 2019． 3）一书“第9 章结论与展望”，有删减，标题为编者所加。

(冰冻圈变化及其影响研究/ 丁永建主编)

“十三五” 国家重点出版物出版规划项目

ISBN 978-7-03-058136-5