【类型】期刊

【作者】焦克勤，叶柏生，韩添丁，井哲帆，杨惠安（中国科学院寒区旱区环境与工程研究所冰冻圈科学国家重点实验室；中国科学院寒区旱区环境与工程研究所青藏高原冰冻圈观测研究站）

【作者单位】中国科学院寒区旱区环境与工程研究所冰冻圈科学国家重点实验室；中国科学院寒区旱区环境与工程研究所青藏高原冰冻圈观测研究站

【刊名】冰川冻土

【关键词】 冰川径流；物质平衡；气候变化；响应分析；天山乌鲁木齐河源1号冰川

【资助项】国家重点基础研究发展计划项目　　（2007CB411502）；中国科学院“百人计划”项目；国家自然科学基金项目　　（4087103641030527）

【ISSN号】1000-0240

【页码】P606-611

【年份】2019

【期号】第3期

【期刊卷】1;|7;|8;|2

【摘要】利用天山乌鲁木齐河源1号冰川1959—2006年的气象、冰川物质平衡和1980—2006年的水文资料,分析了其冰川径流的变化.结果表明:由于1996年以来的显著升温,导致了1号冰川水文点径流主要受夏季气温变化的控制,冰川物质损失对径流的补给作用已超过了降水的作用.1996—2006年与1980—1995年相比,夏季气温升高了0.9℃,降水增加了84.8mm(18.1%),冰川径流增加256.6mm(37.3%),其中约12.3%来自降水增加,约26.9%来自冰川物质的加速消融.对1980—1995年和1996—2006年两个时间段的气温和径流变化进行比较,并考虑到冰川区降水主要为降雪,折合夏季气温升高1℃将导致冰川径流增加470mm.夏季气温与冰川物质平衡和冰川径流的统计分析亦得出同样的结果.

【全文】 文献传递

天山乌鲁木齐河源1号冰川径流对气候变化的响应分析

摘 要：利用天山乌鲁木齐河源1号冰川1959—2006年的气象、冰川物质平衡和1980—2006年的水文资料，分析了其冰川径流的变化.结果表明：由于1996年以来的显著升温，导致了1号冰川水文点径流主要受夏季气温变化的控制，冰川物质损失对径流的补给作用已超过了降水的作用.1996—2006年与1980—1995年相比，夏季气温升高了0.9℃，降水增加了84.8mm（18.1%），冰川径流增加256.6mm（37.3%），其中约12.3%来自降水增加，约26.9%来自冰川物质的加速消融.对1980—1995年和1996—2006年两个时间段的气温和径流变化进行比较，并考虑到冰川区降水主要为降雪，折合夏季气温升高1℃将导致冰川径流增加470mm.夏季气温与冰川物质平衡和冰川径流的统计分析亦得出同样的结果.

关键词：冰川径流；物质平衡；气候变化；响应分析；天山乌鲁木齐河源1号冰川

0 引言

全球气候变暖，特别是最近20多年来已使全球大多数冰川出现萎缩［1－11］.冰川，特别是小冰川对气候变化非常敏感，因而成为气候变化的指示器［12－13］.另一方面，约占地球上冰川面积3%的山地冰川对20世纪以来海平面升高的贡献高达20%～50%［12，14］，而全球山地冰川体积相当于0.24～0.70m的海平面升高［15］.更为重要的是冰川变化会影响到径流的变化，进而直接影响与之相关的发电水量、农业灌溉和城市供水等［16－18，11］.

冰川径流是我国西北干旱区水资源的重要补给源，冰川径流补给比例平均约为22%，个别河流如塔里木河高达约40%［19］.由于气候变暖已导致我国冰川的普遍退缩，并引起大多数冰川的融水径流增加是不争的事实［10，20］.尤其是我国观测序列最长的天山乌鲁木齐河源1号冰川（以下简称1号冰川）的观测结果亦有详细的报道［21－23］，但缺乏对径流与气候变化之间的定量分析.本文主要依据1号冰川1959—2006年的冰川、气象和1980—2006的水文观测资料，通过统计分析，探讨冰川径流的变化及其对气候变化的敏感性，这对于认识西北地区水文水资源变化具有重要意义.

1 数据和方法

1号冰川（86°49′E，43°05′N）（图1）不仅是我国观测序列最长的，而且是观测内容最为丰富的冰川，尤其对于1号冰川变化的研究亦有详细的报道［21－23］.气象资料依据新疆乌鲁木齐市气象局大西沟气象站（海拔3 539m，该气象站距离1号冰川的水平距离约2km）1959—2006年的气象记录资料.统计结果表明，天山乌鲁木齐河源区的年平均气温为－5.1℃，负温月长达7—8个月，最冷月（1月）平均气温为－15.5℃，最热月（7月）为5.0℃.而年平均降水量为453.4mm.

1号冰川水文点位于1号冰川下游约300m处，海拔3 659m.包括1号冰川在内的流域控制面积为3.34km2，流域内冰川覆盖率约为53%（1980年为55.6%，到2006年为50%）.水文观测开始于1980年，其观测表明，1980—2006年的年平均径流量为673.3mm.本文主要是通过气温、降水、冰川物质平衡和径流之间的对比和统计分析，获得径流变化及其与气候和冰川变化的定量关系.

2 气候、冰川和径流变化

2.1 气候变化特征

由于影响冰川变化的主要是夏季气温和年降水量，这里就主要分析夏季气温和年降水量变化特征.图2是1959—2006年夏季气温和年降水量的变化过程，可以看出，夏季气温一直在升高，升高幅度约0.20℃·（10a）－1.特别是在1996年以后，升温非常显著，1996—2006年间最冷年的夏季气温接近1959—1995年的最暖年的气温.而将1980—1995年和1996—2006的夏季气温进行比较，后者比前者升高了0.9℃.而降水在经历了从20世纪60年代到80年代的偏少后，在90年代也表现出明显的增加趋势.1959—2006年期间年降水量的增加幅度18.1mm·（10a）－1，但主要是在1996年以后出现的增加.1996—2006年较1980—1995年期间年降水量增加了84.8mm（18.1%），其中，降水量的增加主要是暖季（5—8月）增加的结果，冷季（9月至翌年4月）的降水量增加并不显著.

2.2 冰川变化特征

由于夏季气温的持续升高，使得1号冰川的纯消融维持着明显的增加趋势特征（图3a）.尽管降水量增加了18.1%，但仍然未能使冰川的纯积累出现增加.这说明气温上升对冰川的影响远远超过了降水量增加的影响，结果使1号冰川负物质平衡持续增加（图3b）.在1984年以后，1号冰川基本上处于负平衡状态，特别是有观测记录以来出现的13个大的负物质平衡年（＞－500mm），1996年以后就出现了7个.1959—2006年累计冰川物质平衡达－12 072mm，相当于冰川减薄了13.4m，体积减少了2 189×104 m3（21%）.1号冰川平衡线高度升高了42m（图3c）.1962年至2006年冰川末端退缩了200 m（8.3%），冰川面积减少了0.27km2（14.0%，图4）.从图3中还可以看出，由于20世纪80年代后期，特别是90年代以来气候的快速增温，冰川物质平衡（积累和消融）直接反映了这种变化，物质平衡持续出现大的负平衡.但由于冰川对气候变化的滞后性，冰川面积和末端变化并没有出现加速的过程.

2.3 冰川径流变化特征

图5给出了1980—2006年1号冰川水文点年径流变化过程以及对应的夏季气温和年降水量过程，从图中可以看出，径流在1995年以前主要受气温和降水量的共同作用，而在1996年以后径流与夏季气温变化较为一致.这表明由于夏季气温的升高，冰川物质损失加大并成为径流的主要补给源，却已超过了降水的贡献.图6表明了冰川物质平衡与1号冰川水文点径流存在着较好的关系，径流随冰川物质平衡变化的斜率为－0.49，非常接近流域内53%的冰川覆盖率.同时，1996—2006年的年平均物质平衡为－619.8mm，而同期的降水量则只有517.9mm（表1）.

通过比较高温期1996—2006年与1980—1995年径流、降水和夏季气温的变化，进一步探讨冰川径流对气候变化的敏感性.但在此需要指出的是，根据在乌鲁木齐河流域进行的降水误差观测结果，我国常规雨量器的观测误差在25%左右，约折合偏小135mm［24－26］；而乌鲁木齐河源1号冰川冰面蒸发量估计约为120mm［27］.二者比较接近，基本上可认为互为抵消.另一方面，由于降水量的观测误差和流域蒸发量都难以准确地确定，在此分析时，暂不予考虑降水量观测误差与蒸发消耗变化的影响.

比较1996年前后两个时期段的径流，增加径流量256.6mm，占观测期间年平均径流的37.3%（表1）.同期降水量增加了84.8mm（18.1%），其对径流的贡献约12.3%.同期的冰川物质平衡差为－349.2mm，考虑到流域内53%的冰川覆盖率，其对径流的贡献相当于185mm（26.9%），从径流变化和流域水量平衡看，二者结果几乎完全一致.

依据杨针娘［19］的估算，1959—1979年1号冰川的年平均径流为450mm，同期微弱的负物质平衡为－43.9mm，将450mm的年平均径流作为冰川稳定状态下的径流.那么，1980—1995与1996—2006年的冰川物质平衡差－349.2mm，相当于冰川径流增加了约78%，而同期的夏季气温增加了0.9℃.若按单位温度增加径流折算，这相当于夏季气温升高1.0℃，可导致冰川径流增加约86%.考虑到1号冰川区的降水大多以降雪的形式出现，同期降水增加了84.8mm，上述物质平衡是在消融了增加这部分积雪后的消融量，也即以0.9℃的夏季气温升高导致多消融434mm的冰川积累损失，这也就是相当于夏季气温升高1℃导致约482mm冰川物质量的减少，约为稳定状态下冰川径流量的107%.然而，融冰和融雪过程具有较大的差异性，反之，气温的升高又有可能改变降水形态以及降雪中的含水量，进而有利于冰雪消融，这是一个比较复杂的过程，有待以后进一步的观测、试验和研究.

2.4 冰川变化与气候变化的关系

冰川径流，特别是冰川物质平衡受夏季气温影响较大，图7给出了1号冰川和水文点实测年径流（1980—2006年）、冰川物质平衡和平衡线高度（1959—2006年，其中1966—1979年为插补值）与大西沟气象站夏季气温的关系，统计结果均超过99%的信度检验.这表明，夏季气温变化对冰川平衡线高度的影响在75m·℃－1.这与早期通过年际对比方法［28］和应用度日物质平衡模式［29］计算的气温上升1K，可使平衡线上升约80m的结果很接近.同时，由于20世纪90年代以来的快速升温，不仅是冰川物质平衡，而且冰川径流也主要受夏季气温的控制.两者与夏季气温线性关系的斜率表明，夏季气温若升高1℃，将会导致1号水文点的径流增加249.4mm·℃－1，冰川物质损失量增加486.2mm·℃－1.在考虑到1号水文点约53%的冰川覆盖率情况下，忽略非冰川区由于气温升高引起的径流减少.因此，流域径流随气温升高而增加的水量只能来源于冰川消融的增加.由此推算，夏季气温升高1℃将会导致冰川径流增加470mm，冰川物质损失和径流对气候变化的敏感性也很接近，这和前面不同时段水量平衡对比结果相一致.而年降水量和冰川物质平衡以及1号水文点径流的关系较差（图8），这表明在气温急剧升高的条件下，相对来讲，降水量对冰川物质平衡和径流的影响较小.

3 结论与讨论

由于影响冰川变化的主要是夏季气温和年降水量.夏季气温一直在升高，升高幅度约0.20℃·（10a）－1.特别是在1996年以后，升温非常显著.1996—2006年较1980—1995年的夏季气温升高了0.9℃.而年降水量的增加幅度约为18.1mm·（10a）－1，但主要是在1996年以后出现的增加.1996—2006年较1980—1995年期间年降水量增加了84.8mm（18.1%），其中降水量的增加主要是暖季（5—8月）增加的结果，冷季（9月至翌年4月）的降水量增加并不显著.

由于气候的急剧变暖，导致1号冰川从1959—2006年累计物质平衡达－12 072mm，年物质平衡－251.5mm，厚度减薄13.4m，体积减少21%，平衡线升高42m，末端退缩200m（8.3%），面积减少0.27km2（14%）.

由于1996年以来的显著升温，冰川消融强烈，导致1号水文点径流主要受夏季气温变化的控制，冰川物质损失对径流的补给作用已超过了降水的作用.1996—2006年与1980—1995年相比，冰川径流增加了256.6mm（37.3%）.

通过不同时间段的气温、降水、物质平衡和径流对比分析，冰川物质平衡及其径流与夏季气温的关系在3个方面得到了几乎是完全一致的结果.对1980—1995年和1996—2006年两个时期的温度和径流变化进行比较，考虑到冰川区降水以降雪为主，夏季气温升高1℃将导致冰川径流增加470 mm.而夏季气温与冰川物资平衡和冰川径流的统计结果表明，夏季气温升高1℃将导致486mm的冰川物质损失和482mm的冰川径流增加.这一结果是在比较小的天山乌鲁木齐河源1号冰川上获得的，由于不同规模的冰川对气候变化敏感性的差异［30－31］，如将其应用到其他流域和冰川则需要详细的观测、试验和研究.

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焦克勤1，2， 叶柏生1＊， 韩添丁1， 井哲帆1， 杨惠安1

（1.中国科学院寒区旱区环境与工程研究所冰冻圈科学国家重点实验室，甘肃兰州 730000；2.中国科学院寒区旱区环境与工程研究所青藏高原冰冻圈观测研究站，甘肃兰州 730000）

Response of Runoff to Climate Change in the Glacier No.1at the Headwater ofÜrümqi River，Tianshan Mountains during 1980—2006

JIAO Ke－qin1，2， YE Bai－sheng1， HAN Tian－ding1， JIN Zhefan1， YANG Hui－an1

（1.StateKeyLaboratoryofCryosphericSciences，CAREERI，CAS，LanzhouGansu 730000，China；2.Cryosphere ResearchStationonQinghai－XizangPlateau，CAREERI，CAS，LanzhouGansu 730000，China）

Abstract：Response of glacier runoff to climate warming in the past 27awas analyzed using precipitation，glacier mass balance and discharge measured in the Glacier No.1at the headwater of theÜrümqi River，Tianshan mountains.Summer air temperature increased by 0.20℃⋅（10a）－1 during 1959—2006，with a pronounced increase（0.9℃）in the period of 1996—2006，as compared with the period of 1980—1995.Pearson correlation coefficient between annual discharge and summer air temperature was higher after 1995than that before 1995.Distinct climate warming led to 349.2mm decrease in glacier mass balance from the period of 1980—1995to the period of 1996—2006，even though annual precipitation increased about 84.8 mm（18.1%）.As a result，annual runoff in the basin increased 37.3%，of which 12.3%was due to precipitation increase and 26.9%was due to glacier mass loss.1.0℃increase in summer air temperature would result in about 486mm increase glacier mass loss，and 470mm increase in glacier runoff or 104%increase of glacier runoff in glacier stable condition.Same results can be seen in the analyses of basin water balance，relationship between summer air temperature and glacier mass balance and annual runoff.

Key words：glacier runoff；glacier mass balance；climate change；response analysis；Glacier No.1at the headwaters of theÜrümqi River，Tianshan Mountains

中图分类号：P343.6

文献标识码：A

文章编号：1000－0240（2011）03－0606－06

收稿日期：2011－02－25；

修订日期：2011－04－20

基金项目：国家重点基础研究发展计划项目（2007CB411502）；中国科学院“百人计划”项目；国家自然科学基金项目（40871036；41030527）资助

作者简介：焦克勤（1954—），男，甘肃会宁人，副研究员，1978年毕业于兰州大学，现主要从事冰川、冻土与环境变化研究.

E－mail：kqjiao＠lzb.ac.cn

＊通信作者：叶柏生，E－mail：yebs＠lzb.ac.cn