青藏高原多年冻土变化对水文过程的影响
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中国网／中国发展门户网讯青藏高原及周边地区孕育着黄河、长江、恒河、澜沧江、印度河、萨尔温江和伊洛瓦底江等亚洲的重要河流，被称为“亚洲水塔”。其广泛分布的多年冻土通过独特的水分运移影响着区域水文和水循环过程。青藏高原现存多年冻土的总面积约为 106 万平方公里。多年冻土是在青藏高原隆升过程中逐渐形成并扩张的，并经历了不同周期和尺度的气候冷暖波动。在多年冻土层形成的漫长过程中，反复的成冰作用将大量水分冻结并以固态形式长期储存于地下而形成了地下冰，现有地下冰储量约为 12．7 万亿立方米。
在气候变暖背景下，青藏高原多年冻土发生着广泛的退化。最显著的特点是多年冻土温度升高和活动层增厚，浅表层多年冻土及其中的地下冰逐渐融化。活动层增厚引起的地表水分条件的改变是影响多年冻土区产汇流过程和生态过程的重要因素；而曾被固存并埋藏在多年冻土内部的地下冰的融化，则会导致更多的水分被释放并参与水分的年循环过程，同时还会引起地面沉降，对高原多年冻土区的水循环过程和气候产生影响。多年冻土区地表的水热过程和变化在区域水文过程中也发挥着重要作用。与积雪、冰川和湖沼相比，冻融过程中的水分迁移和地下冰融化的产汇流过程对多年冻土区水循环过程的影响更为复杂。因此，明确青藏高原多年冻土变化及其影响对于认识多年冻土与区域水循环，以及生态和气候相互作用的关系具有重要意义。
任何冻结土壤中都有未冻水的存在。未冻水主要是被土壤颗粒的吸附作用吸附以液态水膜形式存在于冻结土壤中的水分。换而言之，土壤冻结以后，无论温度多低，其中仍然有一部分液态水没有冻结，未冻水含量随温度的降低逐渐降低。当温度接近土壤水的冻结冰点时，未冻水含量急剧升高，较小的温度波动就能引起未冻水含量的较大变化，这个温度变化区域称之为剧烈相变区。当温度远低于剧烈相变区时，土壤中的未冻水含量很小，随温度波动发生的变化也很小，称为非剧烈相变区。当冻土中存在温度差时，较低温度区域未冻水含量较少，具有较大的“吸附”势能，导致未冻水有向较低温区域迁移的趋势。冬季时，表层土壤温度低于下部土层温度时，未冻水由下部向上迁移，未冻水的迁移量随深度的增加逐渐增大；而在夏季，表层土壤温度高于下层多年冻土温度，未冻水发生向下迁移，且发生在剧烈相变区（活动层底部温度接近 0℃），水分的迁移量较大。因此，当地温梯度绝对值相同的时候，夏季由负温梯度造成的向下迁移量大于冬季由正梯度造成的向上迁移，年循环的结果就是水分的向下迁移，并在多年冻土上部积聚，使含冰量增加。
多年冻土层的透水性能较差，作为一种大范围的区域性隔水层或弱透水层，在一定时空尺度上阻隔或显著减弱了大气降水、地表水同地下水之间的水力联系。因此，青藏高原大范围存在的多年冻土强烈影响着地表径流形成以及地下水的运移过程和分布格局。多年冻土的隔水作用可以提高流域融雪和降雨径流的产流量，而多年冻土退化会直接影响寒区地下水补给源和补给量、径流路径和排泄过程，以及地下水与地表水的交换等。多年冻土的不均匀融化可导致多年冻土区冻土层的区域性稳定隔水作用不断减弱，冻结层上水水位随之下降，补给路径延长、加深，甚至可通过新形成局部融化的“天窗”（贯穿融区）直接补给冻结层下水或冻结层间水，这对于局地到流域尺度的地下水循环，特别是地下水补、径、排过程都产生了深刻影响。多年冻土区的径流系数一般比非冻土区大，并随气候变暖、活动层增厚而明显减小。加拿大北极地区一个多年冻土小流域的观测结果显示，在某些气温较高、降水较多年份的实测径流量反而比正常年偏小很多。此外，多年冻土退化及活动层增厚必将导致多年冻土中大量赋存的地下冰转化为液态水；被释放的液态水部分参与活动层的冻融过程，而其余部分将参与区域乃至全球的水循环过程。因此，加深对多年冻土特征和变化的理解，可为进一步认识区域水循环过程提供理论基础。
很多报道表明，活动层增厚、地下冰融化已经引发了多年冻土区大量的热融现象，其中对局地水文循环过程影响极大的热融现象导致了热融湖塘的形成和扩展。在多年冻土退化初期，地下冰融化导致地表下陷形成积水洼地；积水洼地一旦出现，原有地表的水热平衡即被打破，多年冻土的融化也就不断加剧，热融洼地也随之不断扩张而形成热融湖塘；当湖底的多年冻土全部融化之后，冻结层上水与冻结层下水贯通而形成贯通融区，湖水可能经由这个贯穿融区被迅速排干，之后在被疏干的湖盆底部开始形成新的多年冻土。可以看出，热融湖塘的形成—发展—消亡过程与地表水与地下水的转换直接相关，极大地影响局地的水文条件。
基于前述认识，本文在长期观测数据的基础上，结合再分析数据产品，试图通过对青藏高原水文过程密切相关的多年冻土区气温、降水、地温和土壤含水量、地表融沉等特征基础资料的分析和综述，为“亚洲水塔”的变化及机理研究添砖垫瓦。