The glacier and snow variations and their impact on water resources in mountain regions: A case study in Tianshan Mountains of Central Asia
DENGHaijun收稿日期:2017-08-31
修回日期:2018-04-10
网络出版日期:2018-07-25
版权声明:2018《地理学报》编辑部本文是开放获取期刊文献，在以下情况下可以自由使用：学术研究、学术交流、科研教学等，但不允许用于商业目的.
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1 引言
全球气候变暖[1,2]加剧了山区冰川退缩[3],对区域水资源产生深远影响[4,5],受到社会的高度关注。山区冰川退缩和积雪消融,一方面导致冰川储量减少[6,7],山区水资源储量减少[8],进而影响区域水资源利用[4, 9];另一方面随着冰川和积雪面积减少,原冰川和积雪覆盖区域反射率降低,从而吸收更多的太阳辐射量,使得冰冻圈的升温加速,进一步加剧冰雪消融[2]。山区水储量变化的计算是一项富有挑战性的工作,主要因为山区观测站点稀疏,且建站时间短,大部分区域属于无资料区域。传统方法估算水储量是根据水量平衡公式,即ΔS = P-E-R（ΔS是水储量,P为降水量,E为蒸发量,R为径流量）,该方法只适合于有观测数据的流域,对于无观测资料的流域,基于传统方法的计算结果的不确定性较大。值得一提的是,2002年3月由美国和德国共同开发研制的重力恢复和气候实验卫星计划（GRACE）成功实施（http://www.csr.utexas.edu/grace/）,为研究陆地水储量变化提供了全天候、连续及较高时空分辨率的数据。自重力卫星发射以来,涌现出一系列开创性的研究成果,例如分析水储量变化[10,11,12]、监测山区冰川物质平衡变化[13]、蒸散发估算[14]、地下水变化[15]、干旱监测[16]等。
中亚天山（简称“天山”）深居亚欧大陆内部,东西延伸超过2500 km,南北平均跨度在250~350 km左右[17],受西风气流影响[18],降水量较多,山岳冰川广泛发育,是中纬度地区山岳冰川的主要分布区域之一,并为中亚的社会经济、绿洲农业及生态环境提供水资源保障[17]。天山冰川面积约13566 km2,体积约1840 km3[19,20],主要分布在海拔2800 m到7400 m之间[21]。在全球变暖的驱动下,山区冰川处于退缩状态[22],自20世纪70年代以来,天山冰川总面积减少了8.5%[21],但区域差异显著[17]。冰川退缩已对该区域的河流水文特性、水资源、生态环境及社会经济发展等方面产生重大影响。
因此,本文以中亚天山为例,系统分析了天山山区冰川和积雪的时空变化特征,解读气候变化驱动下天山山区冰雪变化对区域水资源的影响机制,力求从“大气圈—冰冻圈—水圈”之间相互关系,探究气候变化对天山山区水资源变化的影响机理,以期为干旱区河流流域的综合水资源管理提供决策参考。
2 研究区域、数据及方法
2.1 研究区域
天山位于欧亚大陆腹地,介于37°N~46°N和66°E~96°E之间（图1）,气候垂直分带明显,冰川广泛发育。天山的冰川类型多样,从大面积的谷冰川和枝状冰川到小面积的裂片冰川和陡崖冰川都有分布,其中谷冰川最为广泛,面积约占总面积的82%[21]。据最新的世界冰川编目数据（RGI 5.0）[23],中亚天山总共有冰川10778条,总面积约为13566 km2,其中单条最大冰川面积达374 km2,单条最小冰川面积仅为0.079 km2,单条最长冰川长度达61445 m,单条最短冰川长度仅230 m。同时,面积小于1 km2的冰川有8264条,占冰川总数的76.67%;面积在1~10 km2之间的冰川有2397条,占冰川总数的22.23%;面积在10~100 km2之间的冰川有110条;面积大于100 km2的冰川仅有7条。由此可知,天山山区发育的众多冰川中,以小面积冰川为主。此外,文中选取了阿克苏河流域、开都河流域、乌鲁木齐河流域的出山口水文站以上流域作为研究的典型流域（图1）。它们的共同特点是,均发源于冰雪覆盖区,冰雪融水在河川径流中占有重要比例,且河流下游区域都分布着大面积的耕地[24],在西北干旱区具有代表性。
显示原图|下载原图ZIP|生成PPT图1研究区域图
-->Fig. 1The study area
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2.2 研究数据
2.2.1 冰川和积雪数据 冰川数据源于冰川编目数据和文献研究成果,其中,冰川面积数据源于最新世界冰川编目数据RGI 5.0[23],1961-2010年的冰川物质平衡数据来自文献研究结果[22]。另外,19个典型流域（或冰川）的冰川变化数据源于已有的文献研究成果[25,26,27,28,29,30,31,32,33,34,35]。阿克苏河流域、开都河流域及乌鲁木齐河流域的冰川面积变化数据来自中国第一次和第二次冰川编目数据[36,37],由国家地球系统科学数据平台寒区旱区科学数据中心提供（http://westdc.westgis.ac.cn）。2.2.2 GRACE水储量数据 GRACE重力卫星数据由JPL（Jet Propulsion Laboratory）数据中心提供（https://grace.jpl.nasa.gov/data/get-data/monthly-mass-grids-land/）,空间分辨率为0.5°×0.5°,时间范围是2003年1月-2015年12月,有13个月的数据缺失值（2003年6月,2011年1月、6月,2012年5月、10月,2013年3月、8月、9月,2014年2月、12月,2015年6月、10月、11月）,根据数据缺失月份的多年累积平均[38]和相邻月份的平均值对缺值月份进行填补。
2.2.3 径流数据 径流数据来自3个典型流域的出山口水文站的监测资料,分别是阿克苏河的沙里桂兰克站和协合拉站,开都河的大山口站,乌鲁木齐河的英雄桥站。数据为1960-2010年月尺度监测数据,由新疆维吾尔自治区水文局提供。
2.3 研究方法
2.3.1 Mann-Kendall趋势检验 文中气温、降水、积雪及水储量等变量的趋势分析方法均采用Mann-Kendall（M-K）非参数检验方法[39]。同时,趋势率的估计采用Sen's估计[40]。2.3.2 水储量反演 基于GRACE重力卫星数据反演陆地水储量变化的方法可分为两个阶段：在重力卫星观测的前10年（约2003-2013年）,标准的球面谐波方法[41]最为常用,该方法的特点是利用重力卫星的全球观测数据解算重力模型[42],进而计算水储量变化;此后,引入新的计算方法——Mascons（Mass Concentration blocks）方法,基于星际距离变率来反演陆地水储量变化[43],该方法的特点是用重力卫星飞临区域的观测数据建模,从而减少感兴趣区域外的质量变化对区域内的水储量计算结果的影响[42, 44]。天山山区水储量变化是基于Mascons方法得到的,距平基准期为时间序列完整的2004年1月-2009年12月,同时,对C20项进行替换和C10项修正,并运用了冰川均衡调整模型（GIA）对冰川回弹影响进行处理。最后,结合尺度因子对原始计算结果进行修正,并根据Wahr等1998年[41]方法评估水储量变化结果的不确定性。
2.3.3 径流变差系数（Cv值） 径流变差系数Cv值,是评价径流年际变化特征的重要指 标[45]。Cv值大小与降水的变率关系密切,湿润区的Cv值小,而干旱区Cv值较大。
3 理论框架
山区作为一个独特的地理单元,在区域自然环境变化过程中具有重要地位。同时,现代冰川广泛发育,具有“水塔”功能,为山区及其下游区域的生态环境和社会经济发展提供水资源保障[4]。冰川和积雪对山区流域的水文过程具有缓冲作用[46],以调节因降水季节不均而引发的河川径流不稳定性。自20世纪中期来,以气温显著上升为主要特征的全球气候变化加速了山区冰雪消融[21-22, 47-49],使得山区成为全球关注的重点区域。理论框架是基于“大气圈—冰冻圈—水圈”之间相互关系,探究山区气候变化对区域水资源的影响机制（图2）,具体过程可分为：① 山区若以升温过程为主,山区降水形式将由降雪向降雨转变[46, 50],降雪率减少,导致冰川和积雪积累的物质来源减少。同时,气温上升也直接加速山区冰川和积雪消融。这两方面导致山区固态水体的消融速度大于积累速度,导致山区水储量减少,进一步影响流域水资源。此外,冰川和积雪消融使得原冰雪覆盖区域对太阳短波辐射的反射率降低,从而吸收更多的太阳辐射量,加剧高寒山区的升温速度,加速山区冰雪消融。因此,该过程对山区升温过程具有“增强”效应。② 山区若以降温过程为主,降雪率将随之增加,且冰雪消融速度减缓,使得山区固态水体的积累大于消融。此时,随着冰雪面积的增加,地表反射率也增加,冰冻圈吸收的太阳辐射量则减少,从而减缓高寒山区的升温速度,并抑制山区冰雪消融。因此,该过程对山区升温过程具有“抑制”效应。
显示原图|下载原图ZIP|生成PPT图2理论框架图
-->Fig. 2Theoretical framework in this study
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4 结果与分析
4.1 冰川变化
不同海拔高度的冰川退缩速率差异显著。图3a结果表明,冰川的退缩速率随海拔的升高而降低,因为海拔越高气温越低,冰川退缩速率减缓。海拔3000 m以下区域的冰川退缩速率最大,达-2.3×103 kg/(m2·a)（图3a）;3000~4000 m海拔区域的冰川退缩速率次之,约-0.6×103 kg/(m2·a);4000~5000 m海拔区域的冰川退缩速率约-0.3×103 kg/(m2·a);而5000 m以上海拔区域的冰川退缩速率非常小。天山山区的冰川主要分布在3000~4000 m海拔区域[17],因此该区域应作为冰川物质平衡观测的重点监测区域。
显示原图|下载原图ZIP|生成PPT图31961-2012年天山山区冰川变化特征
注：数据来源于Farinotti等[
-->Fig. 3Glacial variations in Tianshan Mountains during 1961-2012
-->
冰川面积不同对气候变化的响应程度不同。为研究冰川面积和冰川退缩速率之间的关系,将冰川面积划分为不同的等级,具体为小于10 km2的冰川中每1 km2为一个等级,因为大部分冰川面积都位于这一个区间;10~50 km2的冰川中每10 km2为一个等级;大于50 km2的冰川以原面积为准不再分级。再对每一个等级内的冰川退缩速率求平均值,得到每一个等级相对应的冰川退缩速率。最后,用幂指数函数f (x) = a×xb（其中x为冰川面积,a和b为拟合参数）拟合冰川面积与退缩速率之间的关系,拟合结果为f (x) = -0.53×x-0.15,a和b的95%置信区间为：a = -0.53(-0.62, -0.44),b = -0.15(-0.21, -0.09),拟合效果较好。这一函数关系说明冰川的退缩速率与面积呈负相关（图3b）,即小型冰川对气候变化的响应更为敏感,大型冰川则相对稳定。面积大于50 km2的冰川,退缩速率稳定在-0.3×103 kg/(m2·a)以内（图3b）,而天山山区98%的冰川面积小于10 km2,因此这种消融特征将对流域水资源产生重大影响。
为进一步揭示天山山区的冰川变化特征,对天山山区19个典型流域（或冰川）的冰川面积（图1）变化展开进一步研究,结果显示（表1）,20世纪60年代/70年代-2000年期间天山西部区域的冰川年均退缩速率要快于东部区域,而2000-2010年期间东部区域冰川年均退缩速率要快于西部区域。与此同时,更有趣的发现是,大概以79°E经线为界,以西区域的10条冰川中有6条冰川在2000-2010年期的退缩速率慢于20世纪60年代/70年代-2000年期间的退缩速率;以东区域的9条冰川在2000-2010年期间的退缩速率全部要快于20世纪60年代/70年代-2000年期间的退缩速率（图1,表1）。该研究结果在一定程度上可以代表天山山区当前冰川变化趋势。
Tab. 1
表1
表120世纪60年代/70年代-2010年天山山区典型流域(或冰川)的冰川面积变化
Tab. 1Variations of glaciated area in typical river basins (or glaciers) in Tianshan Mountains during 1960s/70s-2010
| 序号 | 典型流域(或冰川) | 1960s/70s-2000 (km2/a) | 2000-2010 (km2/a) | 1960s/70s-2000 (%/a) | 2000-2010 (%/a) | 文献来源 |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 1 | Pskem | -1.08 | -1.11 | -0.52 | -0.63 | [25] |
| 2 | Abramov | -0.02 | -0.01 | -0.08 | -0.04 | [25] |
| 3 | Lower Nargn | -0.29 | -0.23 | -0.35 | -0.30 | [27] |
| 4 | At-Bashi Kirkasi | -1.06 | -0.13 | -0.70 | -0.10 | [27] |
| 5 | SE-Fergana | -0.66 | 0.00 | -0.27 | 0.00 | [25] |
| 6 | At-Bashy | -0.39 | -0.51 | -0.35 | -0.50 | [25] |
| 7 | Dzhetim | -6.12 | -4.51 | -1.15 | -1.10 | [28] |
| 8 | Tuyuksuyskiy | -0.02 | -0.02 | -0.56 | -0.82 | [29,30] |
| 9 | Lli-Kungoy | -2.19 | -2.83 | -0.35 | -0.50 | [25] |
| 10 | Akshiirak | -1.22 | -0.18 | -0.60 | -0.10 | [28] |
| 11 | Karatal river | -1.71 | -1.17 | -0.86 | -0.96 | [31] |
| 12 | Tomr | -0.32 | -0.47 | -0.08 | -0.11 | [32] |
| 13 | West | -11.24 | -13.85 | -0.50 | -0.65 | [33,34] |
| 14 | North | -1.47 | -3.52 | -0.44 | -1.10 | |
| 15 | West-central | -0.73 | -0.72 | -1.33 | -1.51 | |
| 16 | East-central | -4.87 | -8.61 | -0.88 | -1.71 | |
| 17 | Urumqi glacier No.1 | -0.004 | -0.01 | -0.29 | -0.59 | [29,30,33,34] |
| 18 | East | -0.38 | -0.80 | -0.31 | -0.68 | [33,34] |
| 19 | Miaoergou | -0.01 | -0.03 | -0.34 | -0.80 | [35] |
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天山山区的冰川物质平衡表现为强物质负平衡。研究选取天山西部的Tuyuksuyskiy冰川,物质平衡监测时段为1957-2012年,和东部的乌鲁木齐河源1号冰川（Urumqi glacier No.1）,物质平衡监测时段为1980-2012年。这两条冰川在图1中的序号分别为17和8。结果显示,1957-2012年期间,Tuyuksuyskiy冰川呈现为物质负平衡,年均物质平衡趋势为-13.44 mm/a（图4a）。乌鲁木齐河源1号冰川也表现为物质负平衡,年均物质平衡趋势为-17.18 mm/a（图4b）。累积物质平衡量结果显示,Tuyuksuyskiy冰川在1957-2012年期间变薄了25 m左右（图4a）,同样乌鲁木齐河源1号冰川在1980-2012年期间变薄了约15 m（图4b）。
显示原图|下载原图ZIP|生成PPT图41957-2012年期间Tuyuksuyskiy冰川与1980-2012年期间乌鲁木齐河源1号冰川的物质平衡变化
-->Fig. 4Analysis of glacier mass balance change in the Tuyuksuyskiy glacier during 1957-2012, and the Urumqi Glacier No.1 during 1980-2012
-->
4.2 积雪变化
积雪是全球冰冻圈的重要组成部分,在全球气候变化和水能循环中扮演重要角色。积雪相变过程的能量交换、积雪层的绝热效应以及季节性的消融和积累等对区域气候有显著影响。天山山区分布有大面积的季节性积雪和永久积雪[51]。因此,详细分析天山山区的积雪变化对于了解区域水资源的变化具有重要指导意义。积雪变化主要受山区太阳辐射量的影响,根据MODIS积雪数据分析可得,天山的积雪最大面积一般出现在1月份,最小面积为7月份。2004年是最大积雪覆盖率最高的年份,达84.9%,而2009年为最小积雪覆盖率最低的年份,仅为2.59%（图5）。同时,天山山区最大积雪覆盖率和最小积雪覆盖率变化的分析结果表明,2002-2013年天山山区最大积雪覆盖率呈减少趋势,减少速率为0.44%/a,而最小积雪覆盖率变化不明显,减少速率为0.01%/a（相当于-47 km2/a）（图5）,因为最小积雪覆盖率的海拔分布比较高,且实际面积小,使得最小积雪覆盖率的递减速度比最大积雪覆盖率要慢。天山山区最大积雪覆盖率递减速度较快的原因是山区升温加速,使得山区积雪的融化速度加快[9, 17]。
显示原图|下载原图ZIP|生成PPT图52002-2013年天山山区最大积雪覆盖率和最小积雪覆盖率的变化结果
-->Fig. 5Variations of maximum snow cover rate and minimum snow cover rate in Tianshan Mountains during 2002-2013
-->
积雪的年内覆盖历时缩短。文中将一年当中从积雪覆盖最大到积雪覆盖最小的时间长度定义为积雪覆盖历时,即年内积雪在地面的滞留时间。积雪对水文系统起到一定缓冲作用,能够缓和因气候条件变化对水文系统的影响,如果积雪覆盖历时长,那么积雪对水文系统的调节作用就更明显,反之亦然。结果表明,年内积雪覆盖历时从2002年的216 d,到2013年208 d,缩短了8 d（表2）。年内积雪覆盖历时变短,意味着积雪对年内水文系统的缓冲作用减弱,加大了天山山区水资源的变率,将对绿洲区的水资源利用带来不利影响。
Tab. 2
表2
表22002-2013年天山山区年内积雪覆盖历时
Tab. 2The days of snow cover in Tianshan Mountains during 2002-2013
| 年份 | Max | Min | Days | 年份 | Max | Min | Days |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 2002 | 2002017 | 2002233 | 216 | 2008 | 2008049 | 2008209 | 160 |
| 2003 | 2003065 | 2003249 | 184 | 2009 | 2009001 | 2009201 | 200 |
| 2004 | 2004017 | 2001193 | 176 | 2010 | 2010041 | 2010225 | 184 |
| 2005 | 2005001 | 2005209 | 208 | 2011 | 2011041 | 2011209 | 168 |
| 2006 | 2006017 | 2006209 | 192 | 2012 | 2012017 | 2012225 | 208 |
| 2007 | 2007001 | 2007201 | 200 | 2013 | 2013009 | 2013217 | 208 |
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4.3 水储量变化
4.3.1 时空特征分析 天山山区水储量年际变化存在显著的空间差异（图6a）。天山大部分区域的水储量减少速率不足1 cm/a,但中部表现为水储量的急剧减少,达-8~-6 cm/a,这一速率非常惊人,可能与该区域的冰川急剧退缩有关[8]。
显示原图|下载原图ZIP|生成PPT图62003-2015年天山水储量变化
-->Fig. 6The variations of TWS in Tianshan Mountains during 2003-2015
-->
2003-2015年期间,整个区域的水储量平均递减速率约为-0.7±1.53 cm/a（图6b）。不确定性分析结果表明,2003-2015年期间水储量变化的不确定性在1~2 cm左右（图6b）。不确定性主要来源两个方面：一方面是机械和计算精度误差;另一方面是大气质量扰动和冰川质量回弹影响。
山区固态水体积累和消融的季节差异导致了水储量变化的季节差异。山区不同季节的水热组合条件不一样,使得不同季节的冰川和积雪的积累和消融差异比较明显。图7中a1和a2结果表明春季为正距平,秋季为负距平,而冬季和夏季处于二者之间。春季水储量为正距平,是因为天山山区整个冬半年固态水资源一直处于积累过程,到春季达到最大值,因此春季水储量表现为正距平。同样,夏半年一直处于消融过程,到秋季消融累积达到最大值,因此水储量在秋季表现为负距平。冬季和夏季处于正、负距平的过渡阶段,是因为气温和降水组合的年际差异导致。同时,天山山区每个季节的水储量都呈减少趋势,因为在全球变暖大背景下,天山山区固态水体处于退缩状态[8],故水储量呈减少趋势。图7b结果表明2007年以前天山山区的水储量以正距平为主,而2013年以后以负距平居多。从月份的年际变化来看,冬半年的水储量变化为正距平,夏半年的水储量变化为负距平。此外,图7b还给出另一个信息,即天山山区月尺度水储量距平变化的年际趋势也呈递减趋势。
显示原图|下载原图ZIP|生成PPT图72003-2015年天山山区水储量的季节和月尺度变化(a1和a2为季节变化,b为月变化)
-->Fig. 7The TWS variations at seasonal and monthly scales in the Tianshan Mountains during 2003-2015(a1 and a2 are at seasonal scale, and b is at monthly scale)
-->
4.3.2 原因分析 天山山区的气象观测站点稀少,因此基于观测站点同化的气温数据（APHRO-Temperature数据集[52]）分析天山山区的气温变化趋势。图8a结果显示天山中东部的升温速率较大,达0.02~0.04 ℃/a,而天山西部的局部区域气温呈递减趋势,其速率为-0.016~0 ℃/a。
显示原图|下载原图ZIP|生成PPT图8天山山区年平均气温、冰川以及水储量的变化
-->Fig. 8Variation of annual mean temperature, glaciers and TWS in the Tianshan Mountains
-->
气温变化的空间差异驱动了冰川和积雪的空间差异（图8）。山区冰川变化对气温的敏感性较降水要高[6, 53]。天山中部的冰川退缩速率大,达-3.01~-1.2×103 kg/(m2·a),而天山西部的退缩速率小,约-1.2~-0.4×103 kg/(m2·a)。同时,在天山西部有部分冰川呈增加趋势,其速率为0~0.22×103 kg/(m2·a)。冰川是天山山区最主要的水资源储量[17],因此冰川退缩速率大的区域,水储量的递减速率也大,例如天山中东部的冰川退缩速率大（图8b）,其水储量递减速率也大,达-7.95~-4 cm/a（图8c）。冰川退缩速率较小的区域,水储量的递减速率也小,例如天山西部的冰川退缩率小（图8b）,其水储量递减速率也小,在-1 cm/a以内（图8c）。另外,天山东部的博格达山的升温速率较大（图8a）,但是该区域的水储量递减速率比较小（图8c）,主要是因为该区域的冰川分布面积较小,冰川退缩严重[54],而剩下的冰川末端海拔较高,在当前升温趋势下退缩速率较慢,因而即使升温其水储量的递减速率也相对较小。
4.4 径流变化
径流变差系数（Cv值）计算结果（表3）显示,3个流域都在0.1~0.2之间,符合冰雪融水补给河流径流变差系数的范围[55]。冰雪融水对山区流域径流量变化具有明显的调节作用,冰川面积占整个流域总面积比重越大的流域,径流年际变化越稳定。表3结果表明阿克苏河流域冰川面积占流域总面积的3.8%,开都河流域为2.2%,乌鲁木齐河流域为2.75%。相应地,开都河流域的Cv值大,而阿克苏河流域和乌鲁木齐河流域的Cv值小。Tab. 3
表3
表3典型流域径流特征分析
Tab. 3Characteristics of runoff at the three typical river basins
| 流域 | 流域面积 (104 km2) | 冰川面积/流域面积(%) | 年均径流量(108 m3) | 径流标准差 (108 m3) | Cv值 |
|---|---|---|---|---|---|
| 阿克苏河 | 4.1932 | 3.8 | 76.15 | 11.61 | 0.15 |
| 开都河 | 1.8631 | 2.2 | 35.53 | 6.78 | 0.19 |
| 乌鲁木齐河 | 0.1114 | 2.75 | 7.93 | 1.09 | 0.14 |
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1960-2010年期间,3个流域的出山口径流都呈增加趋势,其中阿克苏河的增幅最大,达0.4×108 m3/a（P < 0.01,图9a1）,其次是开都河流域（图9b1）,乌鲁木齐河流域的增幅最小,为0.04×108 m3/a（P < 0.01,图9c1）,这与乌鲁木齐河流域的流域面积在这三条河流中是最小的有关。同时,据中国第一次冰川编目和第二次冰川编目数据,计算了近半个多世纪以来阿克苏流域（国内流域部分）、开都河流域及乌鲁木齐河流域的冰川面积变化,结果显示,阿克苏河流域冰川面积减少了29.7%,开都河流域减少近64%,乌鲁木齐河流域减少了57.7%。因此,这3个流域径流量增加可能是由冰川融水径流量增加所致。但自20世纪90年代中期以来,径流量都呈递减趋势,阿克苏河流域递减速率达2.67×108 m3/a,并通过P = 0.05水平下的显著性检验,而开都河流域和乌鲁木齐河流域的下降趋势并不显著。
显示原图|下载原图ZIP|生成PPT图91960-2010年阿克苏河流域(a1, a2)、开都河流域(b1, b2)及乌鲁木齐河流域(c1, c2)径流变化
-->Fig. 9The results of runoff changes in the Akesu river basin (a1, a2), Kaidu river basin (b1, b2), and Urumqi river basin (c1, c2) during 1960-2010
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夏季径流量占全年径流量的比重最大,阿克苏河流域（图9a2）和乌鲁木齐河流域（图9c2）都在0.6以上,而开都河流域不到0.5（图9b2）,因为开都河流域源流区的大、小尤勒都斯盆地,对流域径流起到调蓄作用。阿克苏河流域（图9a2）和开都河流域（图9b2）夏季径流的增加趋势最大,主要是由冰川融水径流增加所致。但乌鲁木齐河流域的夏季径流呈微弱减少趋势（图9c2）,通过对比第一次和第二次冰川编目数据,发现乌鲁木齐河流域的冰川面积减少57.7%（图10a）,特别是流域内小面积冰川基本消失殆尽。同时分析了乌鲁木齐河源1号冰川平衡线海拔高度和物质平衡变化,结果显示1980-2012年期间冰川零平衡线高度呈上升趋势,约3.8 m/a（图10b）,且处于强物质负平衡状态（图10c）。1980-2012年乌鲁木齐河源1号冰川变薄了大约15 m（图4b）。因此,乌鲁木齐河流域夏季径流减少,与河源区冰川面积减少、平衡线海拔升高及厚度变薄引起的冰雪融水减少密切相关。
显示原图|下载原图ZIP|生成PPT图10乌鲁木齐河流域冰川变化与径流变化的关系
-->Fig. 10The relationship between glaciers variations and runoff changes in the Urumqi river basin
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5 结论
（1）天山以冰雪为主体的固态水库处于持续亏缺状态。冰川退缩速率与面积呈负相关,表明小型冰川对气候变化的响应更为敏感;不同的海拔区域退缩速率差异明显,海拔3000 m以下区域的冰川退缩速率最大,达-2.3×103 kg/（m2·a）。积雪覆盖面积同样呈减少趋势,且年内积雪覆盖历时缩短。（2）冰川急剧退缩加速了山区水储量减少。2003-2015年,天山山区的水储量递减速率为0.7±1.53 cm/a。天山中部区域的水储量递减速率最大,达-8~-6 cm/a,与该区域冰川急剧退缩吻合。
（3）出山口径流量变化特征与流域内冰川变化关系密切。1960-2010年期间,阿克苏河流域、开都河流域及乌鲁木齐河流域的径流均呈增加趋势,主要是由冰川融水径流增加所致。但自20世纪90年代中期以来,3个流域的径流量呈减少趋势,与河源区冰川严重退缩关系密切,即冰雪消融初期,出山口径流随冰雪融水的增加而增加;冰雪消融中后期,冰雪融水随着冰川面积减小、平衡线海拔升高及厚度变薄而减少,出山口径流也随之减少。
The authors have declared that no competing interests exist.
