青藏高原河川径流变化及其影响研究进展

青藏高原被称为世界"第三极",又有"亚洲水塔"之称,对其周边地区的水文和气候系统有重要影响.青藏高原是亚洲许多大河的发源地,其冰川与河川径流变化影响到周边数十亿人口.本文介绍了青藏高原河川径流观测现状,回顾了青藏高原河川径流变化研究. 20世纪50年代至21世纪初,黄河源区年径流呈减少趋势、长江源区年径流呈微弱增加趋势,青藏高原其他江河源区的年径流没有显著的变化趋势.黄河上游、澜沧江上游、沱沱河及拉萨河源区的春季径流有增加趋势.未来气候变化情景下,随着降水和冰雪融水增加,青藏高原大部分河流源区径流增加,洪水等极端水文事件发生更加频繁.青藏高原河流源区水文气象观测资料稀缺,是河川径流变化及其影响研究的重大挑战.青藏高原水文研究亟需结合最新观测与模拟技术,提高水循环观测与模拟能力,深入认识青藏高原河川径流复杂性及其变化规律,为径流变化的影响评估及其应对提供科技支撑.     

青藏高原21世纪气候和环境变化预估研究进展

本文回顾了21世纪青藏高原区域多种气候和环境要素变化预估研究的进展,包括气温、降水、极端天气气候事件、冻土、积雪、冰川、径流和植被等,预估结果主要来自于SRES和RCP情景下气候模式的预估以及物理统计模型的预估.结果表明,未来青藏高原地面气温将升高,21世纪后期增温更显著.总体来说21世纪高原降水以增加为主,极端天气气候事件增加.高原未来冻土面积缩小,冻土活动层厚度增加,积雪日数和积雪深度减少,冰川将以退缩为主.径流的未来变化较复杂,不同流域之间的差异较大,径流在不同流域表现为增加和减少并存.青藏高原植被对气候变化的响应敏感而脆弱,21世纪中后期青藏高原的生长季长度增加,常绿林/森林出现在高原东部和南部,灌丛植被类型将会扩展并入侵高寒草原.根据已有的研究结果,本文对这些气候与环境要素在21世纪中期(2030~2050年)和后期(2080~2100年)的变化进行了综合集成,给出了它们在21世纪中期和后期的可能变化范围.     

气候变化对黄河径流以及源区生态和冻土环境的影响

本文综述了关于黄河源区和上游地区气候变化及其对黄河径流影响的研究及其他有关研究,并进一步讨论了气候变化对黄河源区和上游径流以及源区生态和环境的影响。研究表明:从20世纪90年代初起黄河源区和上游年径流量锐减,它严重影响了黄河中、下游年径流量,并引起黄河下游在20世纪90年代断流天数的增加;并且还指出,黄河上游和源区从20世纪90年代初到新世纪初降水的减少可能是导致黄河源区和上游径流锐减的主要原因,而黄河源区降水强度的减弱对于黄河源区径流在20世纪90年代的锐减也有一定影响;此外,本文还表明了从20世纪80～90年代到新世纪初黄河源区气温的明显上升并没有导致此区域蒸发量的太大变化,它对径流变化影响不大,但对此地区植被和冻土退化有重要影响。     

第三极西风和季风主导流域源区降水呈现不同梯度特征

利用位于第三极东南部受季风主导的长江、黄河、澜沧江、怒江上游和雅鲁藏布江流域,以及位于西部受西风主导的叶尔羌河、印度河、阿姆河和锡尔河上游流域源区256个气象站的降水数据,分析了各流域降水随海拔变化的梯度关系;基于ERA5数据,通过分析水汽含量、对流有效势能和抬升凝结高度与各流域内海拔的变化关系,探讨了不同气候系统主导的流域呈现不同梯度特征的原因;通过水文模型模拟径流反向验证降水梯度校正方法在推算高海拔山区降水时的可行性.结果表明:(1)位于季风区的长江上游、黄河上游、澜沧江、怒江和雅鲁藏布江流域降水随海拔增加而降低(17～128 mm/100 m),地形效应仅在小尺度呈现;西风主导的叶尔羌河、印度河、阿姆河和锡尔河上游流域降水随海拔增加而增加(5～64 mm/100 m),地形效应明显.(2) ERA5与气象站观测降水数据在不同流域源区表现出一致的降水梯度特征.季风区流域降水随海拔增加而减少,主要由水汽含量随海拔增加而减少所致,地形效应在局地尺度依然有所反映;西风区流域降水随海拔增加而增加,主要受抬升凝结高度降低和对流有效势能增加的影响.(3)陆面水文模型反向验证结果表明,在降水地形效应明显的流域,对低海拔站点降水进行地形校正是提高通过降水变率推算高海拔区域降水可靠性、提高水文模拟精度的一个有效途径.研究结果对第三极流域高海拔山区降水数据的地形校正有参考价值;对第二次青藏高原综合科学考察中降水观测的选点有指导意义.     

纵向岭谷作用下的干湿季气候差异及其对跨境河川径流量的影响

以纵向岭谷区跨境河川的径流量观测数据和云南的雨量和气温场观测数据为基础,应用统计分析和小波变换的分析方法,研究了纵向岭谷作用下的干湿季气候变化差异及其对河川跨境径流量的影响．结论为:由于纵向岭谷区的独特下垫面作用,其降水量场变化与相应的跨境河川径流量变化的高相关区中心的纬度差异不显著,但经度差异却十分显著;在干季,东部的降水量明显大于西部,其降水量的相对偏差则稍小于西部,东部的平均气温则明显低于西部,其气温的偏差则明显大于西部;在湿季,西部的降水量明显大于东部,其降水量的相对偏差则明显小于东部,东部的平均气温也低于西部,但其气温的偏差则与西部差别不大;无论在干季还是在湿季,东部径流量的相对偏差都明显大于西部;纵向岭谷区对西南季风的阻隔作用较大,而对东北季风的阻隔作用相对较小,在其作用下的降水量变化的东西向差异主要表现在较小的时间尺度上,随着时间尺度的增大差异变小,而气温变化的东西向差异则比降水要小得多．近几年来,纵向岭谷区在湿季的降水量变化的主要特征是偏多趋势,受其影响,跨境河川的径流量变化也主要表现为偏大趋势．近十几年来,纵向岭谷区气温变化的主要特征是显著地偏高．     

长江径流量特性及其重要意义的研究

长江的年平均径流量与径流深度分别为9.519 ×10~(11)m~3与526.4mm.其径流量有五个特性:(1)径流量居全国河流之首,占全国总径流量的35.1%,也是流入中国海径流量总量的55.2%.(2)径流量与降水量的关系密切,两者相关系数高达0.99.(3)年际流分配均匀;流量变化幅度在全国不同气候带的大河中属最小.(4)中游的年平均径流量与径流深度均居全流域的首位.但全流域径流分布较为均匀.(5)中下游干流的水面比降与洪水传播速度均大于上游.这些特性,对于长江的洪水成因与预报的研究和水利资源的开发与利用,均具有重要的意义.     

纵向岭谷区地表径流对气候变化的敏感性分析:以长江上游龙川江流域为例

由于受印度洋强势季风系统及当地复杂地形的影响,中国西南纵向岭谷区过去50年的气候变化显现出与中国南方其他地区不同步的变化趋势．为研究西南纵向岭谷区地表径流对气候变化的响应,以龙川江流域为例和研究区1960-2001年气候因子-径流关系为背景,在综合考虑全球环流模型(GCMs)预测结果及区域气候变化历史趋势的基础上,通过建立人工神经网络模型对气温变化-1,0,1,2和3℃以及降水变化0％, 10％和 20％共25个气候情景下的气候变化-地表径流响应关系进行了分析．结果表明,尽管总体上降水与径流呈非线性正相关关系,气温与径流呈负相关关系,但径流的年和季节的具体变化却取决于气温和降水变化的组合．冬春季的地表径流的趋势更多的受气温变化的影响,夏秋季则基本与降水变化的趋势一致(径流响应高于降水变化)．若如GCMs所预测,暖冬和湿润夏季为今后气候变化的趋势的话,岭谷区将面临更加严重的干旱和洪涝灾害．     

中国月平均气温可预报性的时空特征及其年代际变化

利用中国1960~2011年资料比较完整的518站逐日气温观测资料,采用非线性局部Lyapunov指数(NLLE)和非线性误差增长理论,定量分析了中国区域月时间尺度平均气温可预报性期限(MTPL)的时空分布和年代际变化特征.分析发现:多年平均的MTPL空间分布存在明显的地域差异,总体来看,东北大部、云南西南部和西北地区东部为可预报性高值区,长江中下游地区及黄淮流域为可预报性低值区;MTPL在各月份的空间分布存在明显的季节变化,总体上表现为冬半年可预报性较低,而夏半年较高;MTPL还具有明显的年代际变化特征,就全国而言,从1970年以来,MTPL具有上升的趋势,在2000年前后出现下降的趋势,尤其是东北地区在1986年之后可预报性显著提高.西北、黄淮、东北MTPL的年代际变化可能与气温的持续性有关.进入21世纪,除南方地区外,大部分地区的MTPL有降低趋势.上述结果为进一步认识我国月尺度气温异常的机理奠定科学基础,并为提高月尺度气温预测能力提供参考.     

塔里木河流域水资源利用及其变化趋势分析

基于塔里木河流域8个气象站和15个水文站的长期观测资料,采用回归分析、时间序列分析和非参数检验的方法对塔里木河流域水资源利用及其变化趋势进行了研究,重点分析了1994—2003年10年流域水资源利用及变化趋势．分析和检验结果显示:塔里木河流域近40年源流来水量呈现增加的趋势,特别是在近10年源流水量的增加更为明显,说明随着全球气候的变化塔里木河源流区的水情得到了好转．但在近10年三源流来水量增加近25×108 m3／a情况下,源流补给干流的水量只增加了不足1×108m3／a,特别是干流沿程各站点的径流量仍呈显著的线性递减趋势,表明塔里木河源流连续10年的丰水期并没有改变干流环境恶化的局面．     

青藏高原马兰冰芯记录的近百年来气温变化

可可西里马兰冰芯中δ ¹⁸O记录表明, 该地区近百年来的气温变化与全球气温变化具有相一致的上升趋势, 估计自19世纪末以来该地区夏半年(5~10月份)气温的上升幅度约为1.2℃左右. 然而, 自20世纪70年代末期以来尽管全球明显升温, 该冰芯记录却表现出相对降温趋势, 认为该冰芯记录所反映的可可西里及青藏高原北部边缘地区的气温变化与北大西洋涛动存在遥相关关系. 同时, 还发现马兰冰芯记录的气温变化趋势与青藏高原南部地区的气温变化趋势在百年级时间尺度上是一致的, 而在多年代际时间尺度上存在反相关关系.     

塔里木河流域近50年气候变化及其水文过程响应

研究了塔里木河流域近50年的气候变化及其水文过程的响应．借助非参数统计检验技术,发现气温和降水时间序列都呈现单调递增趋势,并且以1986年为跃点出现了明显的台阶式跳跃．通过三源流来水不断递增和干流来水不断递减的趋势对比分析,发现下游河道的断流和植被退化是由于人类活动而不是气候变化造成的．灰色关联分析阐述了不同纬度分布的河流其径流与气温和降水之间的关系,结果表明越靠北分布的河流其径流与冬季存储的固体降水关系越大,而越靠南分布的河流其径流与夏季气温联系越紧密．敏感性分析表明源流区径流对降水变化的响应非常明显,而干流区径流对蒸发响应敏锐,并且气温升高引起的蒸发增强效应在一定程度上削弱了降水增加带来的径流增多效应．     

北极地区春季降水呈现固态向液态转变的态势

降水形态的变化可以影响地表的温度和反照率,对下垫面物质和能量平衡、陆地水文及生态系统均产生极大影响.基于美国阿拉斯加8站和加拿大11站日平均气温和固态、液态降水资料拟合的固-液态降水临界气温,辨析了1961~2010年环北极地区253个站点的降水形态时空变化特征.结果表明:60°N以北地区,降雨量占总降水量的比值(rainfall to total precipitation ratio,RPR)随纬度升高而减小.RPR气候平均态在夏季最高,秋季、春季次之,冬季最小.在不同季节,RPR变化趋势存在明显的区域差异.在春季,RPR变化趋势较为一致,在北极大部分地区(82.46%站点)呈增加趋势,且有22.37%站点通过显著性检验,表明北极大部分地区春季降水在过去50多年间呈现由固态向液态转变的趋势.使用95%置信区间上限和下限临界温度对降水形态进行划分和趋势分析,其结果与使用最优解的计算结果一致.在北极冰雪开始消融的春夏季节转换期(3~7月),阿拉斯加、中西伯利亚和北欧部分地区存在明显的固态降水向液态降水转变的趋势,这一趋势可能正在对北极地-气相互作用施加着影响.     

纵向岭谷作用下的怒江跨境径流量变化及其与夏季风的关系

以怒江跨境径流量观测数据、NCEP/NCAR的U场、V场和NOAA的OLR场资料为基础,应用统计分析方法研究了纵向岭谷作用下的怒江跨境径流量变化及其与夏季风的关系.研究表明:怒江跨境径流量主要集中在纵向岭谷区的湿季或雨季(5~10月),其中又以夏季或汛期(6~8月)为最多.怒江的跨境径流量变化从20世纪70年代以来表现出了一种显著增多的时间演变趋势,特别是在20世纪80年代以来的这种增加趋势是十分显著的.夏季怒江跨境径流量与较低层东西风分量的相关性不显著,与较高层东西风分量的相关性显著,与较低层和较高层南北风分量的相关性都是显著的,与OLR场的负相关性也是显著的.同时考虑动力学因子和热力学因子而建立的夏季风指数MI2的年际变化,能在一定程度上较好地反映出纵向岭谷区怒江流域西南季风环流系统的活动和变化,即指数MI2越大,则对应的夏季风环流系统的活动就越强,这时有利于夏季怒江跨境径流量的增加;反之,指数MI2越小,则对应的夏季风环流系统的活动就越弱,这时则不利于夏季怒江跨境径流量的增加.     

共和盆地更尕海湖泊现代水环境与碳酸盐碳氧同位素组成变化

通过分析更尕海轮藻碳酸盐结壳、软体动物壳体等碳氧同位素的季节变化,结合湖水溶解无机碳(DIC)碳同位素(δ13CDIC)和湖水氧同位素(δ18OLake),探讨其与现代湖泊水体环境的关系.结果表明,5~8月,轮藻植物生长速率约为5~6 cm/月;期间,沉水植物强烈的光合作用和碳酸盐的析出导致湖水pH升高,同时湖水DIC和Ca2+含量显著下降.结合流域水体氧同位素、气温和降水量等观测资料,指出更尕海湖泊水位季节变化是区域降水量与蒸发作用平衡的结果;湖水氧同位素组成主要受入湖水氧同位素组成、湖泊内蒸发过程和降水量等的影响.软体动物壳体氧、碳同位素组成可分别代表δ18OLake与δ13CDIC的年际变化.然而,轮藻结壳氧同位素与δ18OLake之间非平衡分馏效应显著,有待于进一步开展工作.     

城市边界层温度廓线及特征的季节变化

利用北京月坛公园180 m铁塔城市边界层常规微气象观测资料, 分析了城市边界层温度及其层结的季节变化. 结果表明: (1) 与其他季节不同, 冬季地面气温日变化与其上层的气温日变化不同步, 即地面最高气温比上层提前1~2 h达到; 这种位相差表明了观测场地的地理位置、建筑物分布对观测结果的影响. (2) 除中午前后为不稳定层结以外, 其他时间, 城市冠层顶部与城市摩擦副层间的静力稳定度具有季节性变化的特征, 即冬季为弱不稳定层结, 而夏季为弱稳定层结, 这种弱稳定层结可能会抑制城市冠层内污染物向上扩散的过程. (3) 城市冠层顶部(即屋顶)对城市边界层热状态的影响具有季节性的差异, 即夏季城市冠层顶部对城市摩擦副层起加热作用, 而冬季起冷却作用, 这与青藏高原对大气热状态的影响非常相似.     

澜沧江干流水电开发的跨境水文效应

利用澜沧江域干流水文站1950s以来的月径流系列、干流8个水电梯级开发方案的关键指标等数据,综合分析了澜沧江干流水电大坝建设的跨境水文效应．结果表明:澜沧江-湄公河南北向发育4880 km,沿途河川径流的变化复杂多样,现有澜沧江水电大坝只是其众多驱动力中的一个,不是主驱动力;澜沧江已建大坝对下湄公河径流变化有明显的影响,主要在日平均变化时间尺度上,并集中在万象以上的干流狭窄河段;在几天以上变化的主要影响因素是气候变化;在允景洪水文站以下到出境点,有高达113．7×108 m3径流量,占澜沧江出境多年平均径流量15．44％的径流量不受水电梯级开发影响．这些结论,为合理评价澜沧江干流水电开发的跨境影响,提供了新的科学依据．     

纳木错流域扎当冰川径流对气温和降水形态变化的响应

报道西藏纳木错湖南岸念青唐古拉山脉北坡扎当冰川2007/2008年的径流年际大变化并分析其成因. 与2007年夏半年相比, 2008年同期降水量增加了17.9%, 流域径流量却减少了33.3%, 由此得出冰川消融量减少了53.8%. 利用通常的度日模型分析发现, 大气正积温的变化只能解释约一半的冰川消融量年际差, 说明该冰川对气温变化异常敏感. 能量平衡分析显示, 冰川表面反照率的改变造成了冰川消融量的年际重大差异. 而反照率的改变主要是由降水形态的差异造成的. 统计得出, 2007年夏半年冰川末端以降雨为主, 降雨量占降水总量的71.5%; 相反, 2008年以降雪为主, 降雨量仅占30.7%. 说明在对某些冰川进行气候变化的敏感性分析或径流预测时, 降水形态是需要单独考虑的一个因素.     

塔克拉玛干沙漠及周边地区大气水汽量的时空变化

利用塔里木盆地周边地区27个站的1961~2006年的降水、水气压资料和沙漠腹地塔中气象站1999~2006年的观测数据,重建了塔中站1961~1998年逐月水气压序列,并利用1976~2006年和田、库车、若羌、喀什和民丰(1999~2006年)等5个探空站实测资料对大气含水量与地面水汽压的关系进行了验证和计算,研究了塔克拉玛干沙漠及周边地区大气含水量时空变化,得出了新的水汽分布形式.结果表明:塔里木盆地内大气含水量的高值区,主要分布在沙漠北部、西部的边缘的绿洲地带,大气含水量在14~15mm.而沙漠腹地是水汽的低值中心,水汽含量仅为7~8mm.大气含水量的年际变化总体呈现增加趋势,1961~1986年期间,沙漠周边与腹地水汽含量的升降趋势均不显著,1986年后发生显著意义的突变,两地水汽增加明显.这与近50年来南疆降水显著增加的趋势是一致的.NCEP/NCAR再分析资料在塔克拉玛干沙漠地区偏差很大,与实际情况不符.     

近期藏东南帕隆藏布流域冰川的变化特征

青藏高原海洋型冰川在气候变化和水资源利用等方面具有重要的理论与现实意义, 但对其近期变化的研究却相对薄弱. 通过对藏东南帕隆藏布流域内6条海洋型冰川的物质平衡和末端变化观测研究, 揭示出2005/2006~2007/2008物质平衡年内, 6条监测冰川的物质平衡均为负值, 冰川末端持续后退的事实. 从面积等级来看, 面积较小的冰川相对于面积较大的冰川显现出更大的相对物质损失. 结合横断山、喜马拉雅山地区海洋性冰川物质平衡变化趋势及藏东南冰川近期面积萎缩的事实, 如果现在气候变化趋势继续, 预测该区海洋型冰川在今后的一段时间内还将处于物质损失和末端后退状态.     

气候变化与人类活动驱动下的元江-红河流域泥沙变化

以元江蛮耗水文站1960~2000年泥沙变化为线索,结合与其相关的区域气候变化和社会经济统计资料,采用同步资料对比、传统相关分析、线性回归拟合与Granger因果关系检验等方法,深入探究了元江-红河40年来的泥沙变化及其驱动因素.主要结论:(1)元江蛮耗水文站1960s以来,断面年悬移质泥沙含量及其输沙量逐年递增,总的趋势是1960s和1970s较为平稳、1980s剧增、1990s下降,其中1960s,1970s,1980s和1990s不同时段内的泥沙含量与悬移质输沙量分别为1.87,2.49,3.12和3.63kg/m3以及28.7×106,40.3×106,44.1×106和60.3×106t/a;(2)相关分析与Granger因果检验证明,1960s与1990s的区域气候变化是河道泥沙变化的主要原因,而1970s与1980s流域内的人类活动对河道泥沙变化的解释意义明显于气候变化;(3)对比研究时段内的泥沙与流域内的森林覆盖率变化趋势,发现流域森林覆盖率和含沙量呈反比的关系,结合流域社会经济发展历程,进一步证实了各年代流域泥沙变化与区域气候变化和人类活动的影响密切相关.