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网上购彩 冰冻圈水文学:解密地球最大淡水库

中国网/中国发展门户网讯 全球淡水资源的 70% 以上蓄积在冰川、冰盖中,北半球积雪年最大水当量约为 3×106 km3,所以,冰冻圈是世界上最大的淡水资源库。冰冻圈与水圈相互作用是气候体系乃至地球体系中的主要水文过程,包括由冰冻圈诸要素(如冰川、冰盖、积雪、冻土、河冰、湖冰和海冰等)中开释出来的液态水及其水文、水资源、生态和环境效答,不光是人们关注的重点和炎点,也是冰冻圈水文学钻研的主要内容。冰冻圈水文学是顺答国际冰冻圈科学发展趋势、为已足区域水资源可赓续行使实际必要而发展首来的新兴学科。

传统上对冰冻圈分歧要素的水文钻研主要是针对单个要素别脱离展的,例如,冰川水文,主要从冰川的融化、径流形成以及冰川径流在流域中所首的作用等方面开展钻研,冻土水文、积雪水文等也与此相通。随着全球气候转折对冰冻圈的影响越来越隐微,冰冻圈诸要素的水文过程及影响受到普及关注。由于冰冻圈诸要素在流域尺度上往往是共同作用,与冰冻圈相关的水题目已经不及从传统单一冰冻圈要素的角度往理解其过程和影响,而必要从冰冻圈科学的视角注视冰冻圈的水题目。例如,在冰冻圈分布的流域内往往不光有冰川、积雪,也有多年和季节冻土,添上降雨,水文过程相等复杂。倘若要晓畅一个流域内的水文情况,只晓畅冰川或积雪或冻土单一水文影响是不足的,必要将冰冻圈各个要素的水文过程同一考虑,同时与降雨水文一首考虑,才能实在意识流域水文过程以及分歧冰冻圈要素所首的水文作用。冰冻圈分歧水文要素集体不悦目是冰冻圈水文学的中央理维。

冰冻圈水文学

浅易而言,冰冻圈水文学是钻研冰冻圈诸要素水文过程和机理,以及其水文作用和影响的学科。冰冻圈水文学是随着冰冻圈科学的发展而被挑出的,是一门新兴的、具有稀奇水文属性的学科,也是由中国科学家最先挑出并完善其学科体系构建的科学。现在,国际上相关冰冻圈水文学(cryo-hydrology 或 cryospheric hydrology)的钻研较少,在仅有的一些文献只是用到了“冰冻圈水文学”这一词语,并异国涉及到学科自己的科学内涵。

冰冻圈水文主要特点是水以固态样式蓄积,以液态样式开释。冰-水相互转化过程及其对资源和环境的影响是冰冻圈水文学关注的焦点。冰冻圈水文学钻研包含 2 个方面的钻研内容:①钻研冰冻圈诸要素自己的水文机理和转折过程;②钻研冰冻圈转折在流域、区域及全球水文过程和水循环中所产生的影响,如冰川转折对河流径流影响可涉及整个流域水资源题目,而冰冻圈转折对海平面的影响就涉及到全球水循环题目。

在气候变暖的背景下,全球冰冻圈发生了很大转折,主要外现在冰川退守、积雪削减、多年冻土退化、海冰周围消退等,以及冰冻圈自己温度的提高进而导致其担心详性的增补。冰冻圈转折对水文过程产生了清晰影响,进而会对水资源、生态和灾难等过程产生主要影响。可见尽管冰冻圈分布在人迹罕至的高海拔、高纬度地区,但其水文影响却波及下游和中、矮纬度整个流域和普及周围。相关冰川融水对水资源影响的钻研外明,来自迢遥冰冻圈的水对异日水资源影响的风险庞大,冰冻圈水资源与人类可赓续发展痛痒相关。

冰冻圈的基本水文功能

冰冻圈的水文功能主要外现在 3 个方面:水源涵养、径流补给、水资源调节。

水源涵养功能主要外现在水源发源地和冷湿岛效答 2 个方面。①冰冻圈发育于高海拔、高纬度地区,是世界上多多大江大河的发源地。以青藏高原为主体的冰冻圈,是长江、黄河、塔里木河、怒江、澜沧江、伊犁河、额尔齐斯河、雅鲁藏布江、印度河、恒河等著名河流的源区,也是“亚洲水塔”所在。冰冻圈行为水源地分歧于降雨型源地,所以固态水转化为液态水的方式形成水源网上购彩,开释的是以前积累的水量;即使在干旱少雨时期网上购彩,冰冻圈照样会源源不息输出水量网上购彩,其水源的穷乏必要经历较大和长周期气候震动。②山地冰冻圈所在的高大山系,能够直接阻截由于地形仰升而沿山坡上升的水汽,以及沿主风向行动的水汽。由于冰冻圈是一个庞大的冷源,能够有效凝结这些水汽形成降水。稀奇是在干旱内地河流域,冰冻圈在拦蓄外源水汽的同时,还始末流域的内循环将内部水汽输聚到高冷的冰冻圈地区。正由于如此,干旱内地河流域平原区与冰冻圈区降水量可相差 5—10 倍。

冰冻圈被人们普及认知的水文作用是径流补给功能。行为固态水体,冰冻圈自己就是主要的水资源,其资源属性外现在总储量和年补给量 2 个方面,冰冻圈对河流的年补给量是地外径流的主要构成片面。2010 年中国冰川年融水量约为 7.8×1010 m3,超过黄河入海的年总水量(6×1010 m3)。全国冰川径流量约为全国河川径流量的 2.2% 旁边,相等于吾国西部甘肃、青海、新疆和西藏 4 省(自治区)河川径流量的 10.5%。

相较于冰冻圈的水源涵养和径流补给功能,冰冻圈的水资源调节功能更为主要。在无冰川分布的流域,河流主要倚赖降水补给,径流年际转折很大,外明径流过程很不“安详”。但在有冰冻圈遮盖的流域,丰水年由于流域降水偏多,分布在极高山区的冰川区气温往往偏矮,冰川融化量削减,冰川融水对河流的补给量消极,减弱降水偏多而引首的流域径流增补幅度;逆之,当流域降水偏少时,冰川区相对偏高的温度导致冰川融水增补,弥补降水不及对河流的补给量[1]。云云,由于冰川的存在,将使有冰川的流域河流径流处于相对安详的状态,外清新冰川行为固体水库以“削峰填谷”的样式外现出隐微的调节径流丰枯转折的作用,这对干旱区绿洲水资源行使是相等有利的。冻土水文的调节作用主要外现在多年冻土融化可使活动层厚度增补(图1),土壤储水空间添大,夏日降水始末土壤活动层开释的水量添多,效果是夏日降水在活动层中延迟了产流时间,往往导致多年冻土区冬季径流增补。

图 1多年冻土转折对径流的影响暗示图

左侧的蓝色实线和虚线别离外示多年冻土活动层上限和地下水水位随着冻土融化消极前、后位置

冰冻圈径流转折及影响

冰冻圈转折已经导致冰川融水径流普及增补、融雪径流挑前、多年冻土区冬季径流增补,这是 20 世纪 60 年代以来冰冻圈融水径流转折的基本特点。

冰川融水对径流的影响

全球变暖导致受冰川补给影响较大的河流径流增补,对地外水资源产生隐微影响,这栽影响在干旱缺水的地区尤为特出。以中国为例,1980 年以来,新疆出山径流增补隐微,最高添幅可达 40%。乌鲁木齐河源区径流增补的 70% 来自于冰川添速融化补给,南疆阿克苏河近十几年径流增补的 1/3 旁边来源于冰川径流增补;长江源区近 40 年河川径流削减 14%,而冰川径流则增补了 15.2%。倘若异国冰川径流的补给,河川径流削减将更添隐微。这些冰川融化导致的江河水量增补在现在总体上是有利的。

随着冰川面积减幼,冰川融水量一定会在某暂时间段展现削减,冰川融水由添到减的拐点是人们关注的焦点。钻研外明,冰川径流随气温提高总体表现“先添后减”的趋势。冰川融水“先添后减”拐点的显眼前间,主要与流域冰川的大幼及多稀奇关:①冰川遮盖率矮、以幼冰川为主的流域,其冰川融水“先添后减”的拐点已经展现,如受东亚季风影响较大的河西走廊石羊河流域、西风带天山北坡的玛纳斯河和呼图壁河流域,以及青藏高原的怒江源、黄河源和澜沧江源;②以较大冰川为主的流域在异日 10—20 年会展现冰川融水拐点,如天山南坡的库车河和木扎特河、祁连山暗河和疏勒河,以及青藏高原的长江源等;③具有大型冰川的流域,冰川融水拐点展现较晚或在 21 世纪末不会展现,例如,天山南坡的阿克苏河流域,融水拐点能够出现在 2050 年以后。从冰川融水的季节分配来望,冰川最先融化日期挑前,终结融化日期推后。

积雪转折的水文效答

1965—2015 年,欧亚大陆实测积雪转折集体呈添“暖”、添厚、添强趋势,外现在积雪首日推迟、镇日挑前、积雪期削减,平均积雪深度清晰增补,90%台站降雪强度增补;幼雪削减,中雪 2000 年前缓慢增补、2000 年后削减,大雪集体增补,暴雪 1990 年前削减、1990 年后增补。

中国西部流域降雪/积雪融水比例清淡为 15%—25%,是北方远大地区主要水源。气候变暖、降雪和降雨比例(雨雪比)以及积雪量转折转折了流域的年内径流过程,导致融雪挑前、融化期缩幼,尤其所以积雪融水补给为主的片面河流受影响较大,例如克兰河最大径流月由每年 6 月挑前到 5 月(图 2)。1960 年以来,北半球高海拔和高纬度流域融雪径流表现增补趋势,其他地区主要为削减趋势(外 1)。1960—2014 年,中国融雪径流总体表现增补趋势,天山南段、祁连山西段、长江源区及长白山区融雪径流增补清晰;异日中国西部融雪径流总体表现转折不大或增补趋势,高海拔区的温升尚不及以引首雨雪比发生质的转折,降水增补造成的高山区降雪量增补是主要因为。随着中国西部冰川面积萎缩,冰川融水径流削减,融雪径流则对西部、尤其是西北地区的作用更显主要。

图 2新疆克兰河阿勒泰水文站融雪径流年内转折

外 1 1960 年以来北半球主要河流融雪径流转折

表明:隐微性信任程度为0.05

冻土水文效答

冻土冻融过程对水文的影响是多方面的。土壤凝结能够增补径流,阻滞土壤水补给,增补积雪春季径流,以及延滞溶质向土壤深层输移。由于积雪与冻土相关亲昵,两者的水文相互相关也是被高度关注的题目。由于水的相变,融雪下渗过程受到很多因素影响,包括土壤温度、凝结深度、前期土壤含水量、积雪厚度,以及这些因素之间复杂的相互作用。幼尺度的过程钻研外明,由于土壤中孔隙冰的存在,清淡会降矮土壤的下渗能力,形成较大的地外融雪径流并削减地下水的补给。

多年冻土的存在主要影响地外产汇流过程。多年冻土遮盖率分歧的流域,其年内径流过程(即年内径流分配)有隐微迥异;冻土年代际转折对径流的影响主要出现在多年冻土遮盖率高的流域,多年冻土退化导致下垫面和储水条件的转折,进而导致冬季径流增补(图 1)。俄罗斯境内径流转折的分析和模拟外明,由于冻土凝结锋面消极及融化过程的转折,导致俄罗斯欧洲片面地外冬季径流隐微增补,径流增补量高达 50%—120%。例如,流入北极地区的 4 条主要河流(Lena、 Yenisei、 Ob、 Mackenzie),冬春季径流增补隐微,而夏日径流削减,这与冻土融化和春季积雪融化挑前有亲昵相关。

多年冻土及季节冻土退化已经引首中国响答地区河流冬季(枯水期)径流增补,夏日径流削减,以及年内径流过程变缓。径流转折的强度与流域多年冻土遮盖率相关。异日随着全球变暖,冻土赓续退化,植被下垫面转折,能够会导致寒区流域径流体系变幼。气候变暖可导致高海拔冻土高寒草原和灌丛草甸膨胀;而沼泽草甸和高寒草甸退化,导致降水更多消耗于下垫面膨胀引首的蒸散发量增补;区域的蒸散发量占降水量的比例增补会导致寒区流域异日的产流系数变幼。

冰冻圈水文的生态与环境效答

冰冻圈水文过程转折与生态体系

冰冻圈水文转折不光影响河川径流的转折,而且始末水循环的转折影响生态体系的转折。在吾国干旱区内地河流域,高山冰川—山前绿洲—尾闾湖泊构成的流域生态体系中(图 3),冰川转折对绿洲萎扩和湖泊消长具有主要的调节和安详作用。冰川是吾国干旱区绿洲安详和发展的生命之源。实际上正是由于冰川和积雪的存在,才使得吾国深居内地内地的干旱区形成了很多人类赖以生存的绿洲,也使得吾国干旱区有别于世界上其他地带性干旱区。这栽冰川积雪—绿洲景不悦目及其相关的水文和生态体系安详和赓续存在的中央是冰川和积雪,异国冰川和积雪就异国绿洲,也就异国千百年来在那里滋生的人民。

图 3内地河流域( a )和青藏高原( b )冰冻圈 - 水文 - 生态相关

在高纬度及高海拔地区,冰冻圈转折除直接影响一些大江大河源区的水文情势外,还与湖泊消长、沼泽湿地转折有亲昵相关。冰川转折影响周围地区的水循环过程,进而又影响到源区生态与环境。多年冻土活动层稀奇的水炎交换是维持高寒生态体系安详的关键所在,冻土区的高寒沼泽湿地和高寒草甸生态体系具有隐微的水源涵养功能,是安详江河源区水循环与河川径流的主要因素。冻土转折是导致江河源区高寒草甸与沼泽湿地大面积退化的主要因为。总之,在高海拔、高纬度地区,冰冻圈—河流—湖泊—湿地周详相连,在干旱区内地河流域,冰冻圈—河流—绿洲—尾闾湖泊—荒漠不走分割,冰冻圈转折对寒区生态体系具有牵一发而动全身的作用。中国西部生态建设与水源珍惜宏大工程,如“三江源”国家公园、塔里木河综相符治理工程、西藏生态屏障工程、祁连山生态珍惜工程及天山自然珍惜区等均与冰冻圈水文影响痛痒相关。

在南、北极地区,冰冻圈融化的冷、淡水对海洋生态具有隐微影响。冰冻圈融化的“冷水效答”能够转折高纬度大洋的温度,而其“淡水效答”也能够转折大洋温度。在全球变暖背景下,赓续的冰冻圈融水进入海洋,转折了海洋生态体系的生存环境,从而会对海洋生态体系产生影响。在陆地上高海拔流域,冰冻圈转折会对湖泊生态体系产生同样的影响。

高山冰冻圈融水对流域生物地球化学过程也具有主要影响。冰冻圈作用区凶猛腐蚀、风化的大量疏松堆积物及冰川表面永远累积的物理、化学和生物物质随着冰川融水的搬运进入下游湖泊、农田、草地等,会影响湖泊的温度、浊度、营养物等,也会影响农田和草地的土壤成分和营养成分。实际上,在内地河流域,绿洲农田的土壤物理、化学和生物构成与上游冰冻圈地区物质构成不无相关,绿洲土壤的生物地球化学成分主要来源之一是冰冻圈腐蚀和积累的物质在冰冻圈水文作用下输送并永远积累的效果。

冰冻圈水文灾难

冰川、积雪融水可形成洪水,影响矮地人类荟萃区经济、交通及生命财产坦然。①融雪型洪水。高纬度及高海拔积雪在融雪期由于冻土活动层尚无融化,前期积雪量较大,或升温较快且高,往往会形成融雪型洪水并引发灾难。融雪型洪水可分为山区型和平原型,在高海拔地区往往形成山区型洪水。例如天山、喜马拉雅山、阿尔泰山等地,是山区型融雪洪水多发区。2010 年 3 月新疆北部升温与雨雪天气逆复交错,导致伊犁、阿勒泰、塔城等地融雪性洪水频发,片面地区交通频繁受阻。变态的天气转折给群多的生产生活造成很大亏损,导致伊犁河谷 31 万人受灾,1 万多座温室大棚、2 万多座房屋倒塌,4 万多头牲畜物化亡。而在高纬度地区,除山区型融雪洪水外,还有平原型融雪洪水,影响更添普及,在欧洲这栽情况也时有发生。②冰川融化型洪水。清淡发生在融化最大的 7、8 月,在前期赓续高温影响下,冰川融化添速,形成洪水。融冰型洪水由于冻土已经融化,其对泥沙搬运能力也大大添强,所以,融冰型洪水往往会形成泥石流,对下游的危害性也添大。③同化型洪水。融雪洪水和融冰洪水与降水洪水叠添,往往形成同化型洪水,影响更添主要。④冰湖溃决型洪水。具有突发、迅速、能量大等特点,对下游影响更具胁迫。由于其形成机制复杂、展望难得,难以预防,造成的灾难程度往往也较大。

冰冻圈水资源的地缘效答

受冰冻圈影响的跨境河流多多,如何体系意识冰冻圈转折的水文、水资源效答,不光相关到所在国的可赓续发展,而且也涉及到周边国家的水资源行使。一旦冰冻圈水资源转折展现拐点,可导致河川径流发生隐微转折,将会引发国际题目。这一题目受到国际上的普及关注,一些国际构造纷纷发出警示。例如,说相符国发展署发布的《2006 年人类发展通知》中指出,中亚、南亚和青藏高原“异日 50 年冰川融化能够是对人类挺进和粮食坦然最主要的胁迫之一”。世界银走在《2005 年世界发展指标》中也指出,异日 50 年喜马拉雅山(青藏高原)冰川转折将主要影响那里的河川径流。题目的关键是冰冻圈所在国的冰冻圈水资源对下游影响到底有多大,也就是影响的时间尺度多长、空间周围多大。这些定量影响程度的理解是相等主要的,否则会带来上、下游国家之间的一系列的猜忌误解,甚至引发国际争端。中国很多冰川融水流出境外,也有一些国外冰川融水补给中国境内河流。掌握冰冻圈水文转折的过程、量值、影响的时空尺度是争夺国际“水议和”话语权和主动权的关键。

冰冻圈水文过程的主要特点是其产汇流过程与温度亲昵相关,在气候变暖背景下,冰冻圈水文过程已经发生了很大转折,对“亚洲水塔”的安危已产生主要影响。

冰冻圈的水文功能主要外现在水源涵养、径流补给、水资源调节 3 个方面,其对“亚洲水塔”的作用尤为清晰。

在气候变暖的背景下,冰冻圈水文过程已经发生转折,主要外现为冰川融水径流增补,冰川储量削减,融雪径流峰值挑前,以及多年冻土退化导致径流年内分配发生转折。预估异日冰冻圈水资源将削减,其调节功能也将消极。

冰冻圈水文过程的异日转折对“亚洲水塔”、寒区的生态过程及可赓续发展、灾难等具有主要影响。

随着冰冻圈的迅速转折,冰冻圈融水也表现添速转折之势,由此引发的冰冻圈水量补给和水文循环将展现很多湮没的效果。现在,人们对冰冻圈水文转折的意识程度大无数还中止在对冰冻圈融水量的表象描述阶段,冰冻圈水文带来的深层、体系和普及影响还意识不足。例如,冰川融水的水源涵养和调节作用、冻土水文的水量补给和分歧时间尺度的调蓄作用、大尺度冰冻圈水文循环过程及其对大洋水文、生态和环流的影响等,这些科学题目的深入理解,不光是实在意识流域径流转折、清新全球水循环过程的基础性题目,也是流域水资源可赓续行使、区域生态科学保育、全球水文影响定量辨识的宏大科学题目。所以,异日的冰冻圈水文学钻研不光必要针对冰冻圈水文基础题目,开展以不悦目测和模拟为基本方法的机理、过程钻研,而且更必要以崭新的视角,以冰冻圈水文集体不悦目的思路,以流域、区域和全球水题目实际需求为着眼的冰冻圈水文集体性、体系化钻研。

(作者:丁永建,中国科学院西北生态环境资源钻研院钻研员、博士生导师;张世强,陕西省地外体系与环境承载力重点实验室、西北大学城市与环境学院;陈仁升,中国科学院内地河流域生态水文重点实验室。《中国科学院院刊》供稿)

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