中國網/中國發展門戶網訊 全球淡水資源的 70% 以上儲存在冰川、冰蓋中，北半球積雪年最大水當量約為 3×106 km3，因此，冰凍圈是世界上最大的淡水資源庫。冰凍圈與水圈相互作用是氣候系統乃至地球系統中的重要水文過程，包括由冰凍圈諸要素（如冰川、冰蓋、積雪、凍土、河冰、湖冰和海冰等）中釋放出來的液態水及其水文、水資源、生態和環境效應，不僅是人們關注的重點和熱點，也是冰凍圈水文學研究的主要內容。冰凍圈水文學是順應國際冰凍圈科學發展趨勢、為滿足區域水資源可持續利用實際需要而發展起來的新興學科。
傳統上對冰凍圈不同要素的水文研究主要是針對單個要素分別開展的，例如，冰川水文，主要從冰川的消融、徑流形成以及冰川徑流在流域中所起的作用等方面開展研究，凍土水文、積雪水文等也與此類似。隨著全球氣候變化對冰凍圈的影響越來越顯著，冰凍圈諸要素的水文過程及影響受到廣泛關注。由於冰凍圈諸要素在流域尺度上往往是共同作用，與冰凍圈相關的水問題已經不能從傳統單一冰凍圈要素的角度去理解其過程和影響，而需要從冰凍圈科學的視角審視冰凍圈的水問題。例如，在冰凍圈分佈的流域內往往不僅有冰川、積雪，也有多年和季節凍土，加上降雨，水文過程十分複雜。如果要了解一個流域內的水文情況，只瞭解冰川或積雪或凍土單一水文影響是不夠的，需要將冰凍圈各個要素的水文過程統一考慮，同時與降雨水文一起考慮，才能準確認識流域水文過程以及不同冰凍圈要素所起的水文作用。冰凍圈不同水文要素整體觀是冰凍圈水文學的核心思想。
冰凍圈水文學
簡單而言，冰凍圈水文學是研究冰凍圈諸要素水文過程和機理，以及其水文作用和影響的學科。冰凍圈水文學是隨著冰凍圈科學的發展而被提出的，是一門新興的、具有特殊水文屬性的學科，也是由中國科學家首先提出並完成其學科體系構建的科學。目前，國際上有關冰凍圈水文學（cryo-hydrology 或 cryospheric hydrology）的研究較少，在僅有的一些文獻只是用到了“冰凍圈水文學”這一詞語，並沒有涉及到學科本身的科學內涵。
冰凍圈水文主要特點是水以固態形式儲存，以液態形式釋放。冰-水相互轉化過程及其對資源和環境的影響是冰凍圈水文學關注的焦點。冰凍圈水文學研究包含 2 個方面的研究內容：①研究冰凍圈諸要素自身的水文機理和變化過程；②研究冰凍圈變化在流域、區域及全球水文過程和水循環中所產生的影響，如冰川變化對河流徑流影響可涉及整個流域水資源問題，而冰凍圈變化對海平面的影響就涉及到全球水循環問題。
在氣候變暖的背景下，全球冰凍圈發生了很大變化，主要表現在冰川退縮、積雪減少、多年凍土退化、海冰範圍消退等，以及冰凍圈自身溫度的升高進而導致其不穩定性的增加。冰凍圈變化對水文過程產生了明顯影響，進而會對水資源、生態和災害等過程產生重要影響。可見儘管冰凍圈分佈在人跡罕至的高海拔、高緯度地區，但其水文影響卻波及下游和中、低緯度整個流域和廣泛領域。有關冰川融水對水資源影響的研究表明，來自遙遠冰凍圈的水對未來水資源影響的風險巨大，冰凍圈水資源與人類可持續發展息息相關。
冰凍圈的基本水文功能
冰凍圈的水文功能主要表現在 3 個方面：水源涵養、徑流補給、水資源調節。
水源涵養功能主要表現在水源發源地和冷溼島效應 2 個方面。①冰凍圈發育於高海拔、高緯度地區，是世界上眾多大江大河的發源地。以青藏高原為主體的冰凍圈，是長江、黃河、塔里木河、怒江、瀾滄江、伊犁河、額爾齊斯河、雅魯藏布江、印度河、恆河等著名河流的源區，也是“亞洲水塔”所在。冰凍圈作為水源地不同於降雨型源地，是以固態水轉化為液態水的方式形成水源，釋放的是過去積累的水量；即使在乾旱少雨時期，冰凍圈仍然會源源不斷輸出水量，其水源的枯竭需要經歷較大和長週期氣候波動。②山地冰凍圈所在的高大山系，能夠直接攔截由於地形抬升而沿山坡上升的水汽，以及沿主風向運動的水汽。由於冰凍圈是一個巨大的冷源，可以有效凝結這些水汽形成降水。特別是在乾旱內陸河流域，冰凍圈在攔蓄外源水汽的同時，還通過流域的內循環將內部水汽輸聚到高冷的冰凍圈地區。正因為如此，乾旱內陸河流域平原區與冰凍圈區降水量可相差 5—10 倍。
冰凍圈被人們廣泛認知的水文作用是徑流補給功能。作為固態水體，冰凍圈自身就是重要的水資源，其資源屬性表現在總儲量和年補給量 2 個方面，冰凍圈對河流的年補給量是地表徑流的重要組成部分。2010 年中國冰川年融水量約為 7.8×1010 m3，超過黃河入海的年總水量（6×1010 m3）。全國冰川徑流量約為全國河川徑流量的 2.2% 左右，相當於我國西部甘肅、青海、新疆和西藏 4 省（自治區）河川徑流量的 10.5%。
相較於冰凍圈的水源涵養和徑流補給功能，冰凍圈的水資源調節功能更為重要。在無冰川分佈的流域，河流主要依靠降水補給，徑流年際變化很大，表明徑流過程很不“穩定”。但在有冰凍圈覆蓋的流域，豐水年由於流域降水偏多，分佈在極高山區的冰川區氣溫往往偏低，冰川消融量減少，冰川融水對河流的補給量下降，削弱降水偏多而引起的流域徑流增加幅度；反之，當流域降水偏少時，冰川區相對偏高的溫度導致冰川融水增加，彌補降水不足對河流的補給量[1]。這樣，由於冰川的存在，將使有冰川的流域河流徑流處於相對穩定的狀態，表明了冰川作為固體水庫以“削峰填谷”的形式表現出顯著的調節徑流豐枯變化的作用，這對乾旱區綠洲水資源利用是十分有利的。凍土水文的調節作用主要表現在多年凍土消融可使活動層厚度增加（圖1），土壤儲水空間增大，夏季降水通過土壤活動層釋放的水量增多，結果是夏季降水在活動層中延長了產流時間，往往導致多年凍土區冬季徑流增加。
圖 1多年凍土變化對徑流的影響示意圖
左側的藍色實線和虛線分別表示多年凍土活動層上限和地下水水位隨著凍土融化下降前、後位置
冰凍圈徑流變化及影響
冰凍圈變化已經導致冰川融水徑流普遍增加、融雪徑流提前、多年凍土區冬季徑流增加，這是 20 世紀 60 年代以來冰凍圈融水徑流變化的基本特點。
冰川融水對徑流的影響
全球變暖導致受冰川補給影響較大的河流徑流增加，對地表水資源產生顯著影響，這種影響在乾旱缺水的地區尤為突出。以中國為例，1980 年以來，新疆出山徑流增加顯著，最高增幅可達 40%。烏魯木齊河源區徑流增加的 70% 來自於冰川加速消融補給，南疆阿克蘇河近十幾年徑流增加的 1/3 左右來源於冰川徑流增加；長江源區近 40 年河川徑流減少 14%，而冰川徑流則增加了 15.2%。如果沒有冰川徑流的補給，河川徑流減少將更加顯著。這些冰川消融導致的江河水量增加在目前總體上是有利的。
隨著冰川面積減小，冰川融水量必然會在某一時間段出現減少，冰川融水由增到減的拐點是人們關注的焦點。研究表明，冰川徑流隨氣溫升高總體呈現“先增後減”的趨勢。冰川融水“先增後減”拐點的出現時間，主要與流域冰川的大小及多少有關：①冰川覆蓋率低、以小冰川為主的流域，其冰川融水“先增後減”的拐點已經出現，如受東亞季風影響較大的河西走廊石羊河流域、西風帶天山北坡的瑪納斯河和呼圖壁河流域，以及青藏高原的怒江源、黃河源和瀾滄江源；②以較大冰川為主的流域在未來 10—20 年會出現冰川融水拐點，如天山南坡的庫車河和木扎特河、祁連山黑河和疏勒河，以及青藏高原的長江源等；③具有大型冰川的流域，冰川融水拐點出現較晚或在 21 世紀末不會出現，例如，天山南坡的阿克蘇河流域，融水拐點可能出現在 2050 年以後。從冰川融水的季節分配來看，冰川開始消融日期提前，結束消融日期推後。
積雪變化的水文效應
1965—2015 年，歐亞大陸實測積雪變化整體呈增“暖”、增厚、增強趨勢，表現在積雪首日推遲、終日提前、積雪期減少，平均積雪深度明顯增加，90%臺站降雪強度增加；小雪減少，中雪 2000 年前緩慢增加、2000 年後減少，大雪整體增加，暴雪 1990 年前減少、1990 年後增加。
中國西部流域降雪/積雪融水比例一般為 15%—25%，是北方廣大地區主要水源。氣候變暖、降雪和降雨比例（雨雪比）以及積雪量變化改變了流域的年內徑流過程，導致融雪提前、消融期縮短，尤其是以積雪融水補給為主的部分河流受影響較大，例如克蘭河最大徑流月由每年 6 月提前到 5 月（圖 2）。1960 年以來，北半球高海拔和高緯度流域融雪徑流呈現增加趨勢，其他地區主要為減少趨勢（表 1）。1960—2014 年，中國融雪徑流總體呈現增加趨勢，天山南段、祁連山西段、長江源區及長白山區融雪徑流增加明顯；未來中國西部融雪徑流總體呈現變化不大或增加趨勢，高海拔區的溫升尚不足以引起雨雪比發生質的變化，降水增加造成的高山區降雪量增加是主要原因。隨著中國西部冰川面積萎縮，冰川融水徑流減少，融雪徑流則對西部、尤其是西北地區的作用更顯重要。
圖 2新疆克蘭河阿勒泰水文站融雪徑流年內變化
表 1 1960 年以來北半球主要河流融雪徑流變化
說明：顯著性置信水平為0.05
凍土水文效應
凍土凍融過程對水文的影響是多方面的。土壤凍結可以增加徑流，阻滯土壤水補給，增加積雪春季徑流，以及延滯溶質向土壤深層輸移。由於積雪與凍土關係密切，兩者的水文相互關係也是被高度關注的問題。由於水的相變，融雪下滲過程受到許多因素影響，包括土壤溫度、凍結深度、前期土壤含水量、積雪厚度，以及這些因素之間複雜的相互作用。小尺度的過程研究表明，由於土壤中孔隙冰的存在，通常會降低土壤的下滲能力，形成較大的地表融雪徑流並減少地下水的補給。
多年凍土的存在主要影響地表產匯流過程。多年凍土覆蓋率不同的流域，其年內徑流過程（即年內徑流分配）有顯著差異；凍土年代際變化對徑流的影響主要出現在多年凍土覆蓋率高的流域，多年凍土退化導致下墊面和儲水條件的變化，進而導致冬季徑流增加（圖 1）。俄羅斯境內徑流變化的分析和模擬表明，由於凍土凍結鋒面下降及融化過程的改變，導致俄羅斯歐洲部分地表冬季徑流顯著增加，徑流增加量高達 50%—120%。例如，流入北極地區的 4 條主要河流（Lena、 Yenisei、 Ob、 Mackenzie），冬春季徑流增加顯著，而夏季徑流減少，這與凍土融化和春季積雪消融提前有密切關係。
多年凍土及季節凍土退化已經引起中國相應地區河流冬季（枯水期）徑流增加，夏季徑流減少，以及年內徑流過程變緩。徑流變化的強度與流域多年凍土覆蓋率有關。未來隨著全球變暖，凍土持續退化，植被下墊面改變，可能會導致寒區流域徑流系統變小。氣候變暖可導致高海拔凍土高寒草原和灌叢草甸擴張；而沼澤草甸和高寒草甸退化，導致降水更多消耗於下墊面擴張引起的蒸散發量增加；區域的蒸散發量佔降水量的比例增加會導致寒區流域未來的產流係數變小。
冰凍圈水文的生態與環境效應
冰凍圈水文過程變化與生態系統
冰凍圈水文變化不僅影響河川徑流的變化，而且通過水循環的改變影響生態系統的變化。在我國乾旱區內陸河流域，高山冰川—山前綠洲—尾閭湖泊構成的流域生態系統中（圖 3），冰川變化對綠洲萎擴和湖泊消長具有重要的調節和穩定作用。冰川是我國乾旱區綠洲穩定和發展的生命之源。實際上正是由於冰川和積雪的存在，才使得我國深居內陸腹地的乾旱區形成了許多人類賴以生存的綠洲，也使得我國乾旱區有別於世界上其他地帶性乾旱區。這種冰川積雪—綠洲景觀及其相關的水文和生態系統穩定和持續存在的核心是冰川和積雪，沒有冰川和積雪就沒有綠洲，也就沒有千百年來在那裡生息的人民。
圖 3內陸河流域（ a ）和青藏高原（ b ）冰凍圈 - 水文 - 生態關係
在高緯度及高海拔地區，冰凍圈變化除直接影響一些大江大河源區的水文情勢外，還與湖泊消長、沼澤溼地變化有密切聯繫。冰川變化影響周圍地區的水循環過程，進而又影響到源區生態與環境。多年凍土活動層特殊的水熱交換是維持高寒生態系統穩定的關鍵所在，凍土區的高寒沼澤溼地和高寒草甸生態系統具有顯著的水源涵養功能，是穩定江河源區水循環與河川徑流的重要因素。凍土變化是導致江河源區高寒草甸與沼澤溼地大面積退化的主要原因。總之，在高海拔、高緯度地區，冰凍圈—河流—湖泊—溼地緊密相連，在乾旱區內陸河流域，冰凍圈—河流—綠洲—尾閭湖泊—荒漠不可分割，冰凍圈變化對寒區生態系統具有牽一髮而動全身的作用。中國西部生態建設與水源保護重大工程，如“三江源”國家公園、塔里木河綜合治理工程、西藏生態屏障工程、祁連山生態保護工程及天山自然保護區等均與冰凍圈水文影響息息相關。
在南、北極地區，冰凍圈融化的冷、淡水對海洋生態具有顯著影響。冰凍圈融化的“冷水效應”可以改變高緯度大洋的溫度，而其“淡水效應”也可以改變大洋溫度。在全球變暖背景下，持續的冰凍圈融水進入海洋，改變了海洋生態系統的生存環境，從而會對海洋生態系統產生影響。在陸地上高海拔流域，冰凍圈變化會對湖泊生態系統產生同樣的影響。
高山冰凍圈融水對流域生物地球化學過程也具有重要影響。冰凍圈作用區強烈侵蝕、風化的大量鬆散堆積物及冰川表面長期累積的物理、化學和生物物質隨著冰川融水的搬運進入下游湖泊、農田、草地等，會影響湖泊的溫度、濁度、營養物等，也會影響農田和草地的土壤成分和營養成分。實際上，在內陸河流域，綠洲農田的土壤物理、化學和生物組成與上游冰凍圈地區物質組成不無關係，綠洲土壤的生物地球化學成分重要來源之一是冰凍圈侵蝕和積累的物質在冰凍圈水文作用下輸送並長期積累的結果。
冰凍圈水文災害
冰川、積雪融水可形成洪水，影響低地人類聚集區經濟、交通及生命財產安全。①融雪型洪水。高緯度及高海拔積雪在融雪期由於凍土活動層尚無融化，前期積雪量較大，或升溫較快且高，往往會形成融雪型洪水並引發災害。融雪型洪水可分為山區型和平原型，在高海拔地區往往形成山區型洪水。例如天山、喜馬拉雅山、阿爾泰山等地，是山區型融雪洪水多發區。2010 年 3 月新疆北部升溫與雨雪天氣反覆交錯，導致伊犁、阿勒泰、塔城等地融雪性洪水頻發，部分地區交通屢次受阻。異常的天氣變化給群眾的生產生活造成很大損失，導致伊犁河谷 31 萬人受災，1 萬多座溫室大棚、2 萬多座房屋倒塌，4 萬多頭牲畜死亡。而在高緯度地區，除山區型融雪洪水外，還有平原型融雪洪水，影響更加廣泛，在歐洲這種情況也時有發生。②冰川消融型洪水。一般發生在消融最大的 7、8 月，在前期持續高溫影響下，冰川消融加速，形成洪水。融冰型洪水由於凍土已經融化，其對泥沙搬運能力也大大增強，因此，融冰型洪水往往會形成泥石流，對下游的危害性也增大。③混合型洪水。融雪洪水和融冰洪水與降水洪水疊加，往往形成混合型洪水，影響更加嚴重。④冰湖潰決型洪水。具有突發、快速、能量大等特點，對下游影響更具威脅。由於其形成機制複雜、預測困難，難以預防，造成的災害程度往往也較大。
冰凍圈水資源的地緣效應
受冰凍圈影響的跨境河流眾多，如何系統認識冰凍圈變化的水文、水資源效應，不僅關係到所在國的可持續發展，而且也涉及到周邊國家的水資源利用。一旦冰凍圈水資源變化出現拐點，可導致河川徑流發生顯著變化，將會引發國際問題。這一問題受到國際上的廣泛關注，一些國際組織紛紛發出警示。例如，聯合國發展署發佈的《2006 年人類發展報告》中指出，中亞、南亞和青藏高原“未來 50 年冰川融化可能是對人類進步和糧食安全最嚴重的威脅之一”。世界銀行在《2005 年世界發展指標》中也指出，未來 50 年喜馬拉雅山（青藏高原）冰川變化將嚴重影響那裡的河川徑流。問題的關鍵是冰凍圈所在國的冰凍圈水資源對下游影響到底有多大，也就是影響的時間尺度多長、空間範圍多大。這些定量影響程度的理解是十分重要的，否則會帶來上、下游國家之間的一系列的猜忌誤解，甚至引發國際爭端。中國許多冰川融水流出境外，也有一些國外冰川融水補給中國境內河流。掌握冰凍圈水文變化的過程、量值、影響的時空尺度是爭取國際“水談判”話語權和主動權的關鍵。
冰凍圈水文過程的主要特點是其產匯流過程與溫度密切相關，在氣候變暖背景下，冰凍圈水文過程已經發生了很大變化，對“亞洲水塔”的安危已產生重要影響。
冰凍圈的水文功能主要表現在水源涵養、徑流補給、水資源調節 3 個方面，其對“亞洲水塔”的作用尤為明顯。
在氣候變暖的背景下，冰凍圈水文過程已經發生變化，主要表現為冰川融水徑流增加，冰川儲量減少，融雪徑流峰值提前，以及多年凍土退化導致徑流年內分配發生變化。預估未來冰凍圈水資源將減少，其調節功能也將下降。
冰凍圈水文過程的未來變化對“亞洲水塔”、寒區的生態過程及可持續發展、災害等具有重要影響。
隨著冰凍圈的快速變化，冰凍圈融水也呈現加速變化之勢，由此引發的冰凍圈水量補給和水文循環將出現許多潛在的後果。目前，人們對冰凍圈水文變化的認識程度大多數還停留在對冰凍圈融水量的現象描述階段，冰凍圈水文帶來的深層、系統和廣泛影響還認識不夠。例如，冰川融水的水源涵養和調節作用、凍土水文的水量補給和不同時間尺度的調蓄作用、大尺度冰凍圈水文循環過程及其對大洋水文、生態和環流的影響等，這些科學問題的深入理解，不僅是準確認識流域徑流變化、明晰全球水循環過程的基礎性問題，也是流域水資源可持續利用、區域生態科學保育、全球水文影響定量辨識的重大科學問題。因此，未來的冰凍圈水文學研究不僅需要針對冰凍圈水文基礎問題，開展以觀測和模擬為基本手段的機理、過程研究，而且更需要以全新的視角，以冰凍圈水文整體觀的思路，以流域、區域和全球水問題實際需求為著眼的冰凍圈水文整體性、系統化研究。
（作者：丁永建，中國科學院西北生態環境資源研究院研究員、博士生導師；張世強，陝西省地表系統與環境承載力重點實驗室、西北大學城市與環境學院；陳仁升，中國科學院內陸河流域生態水文重點實驗室。《中國科學院院刊》供稿）
