青藏高原多年冻土变化对水文过程的影响

多年冻土变化对湖泊面积变化可能的影响

1990—2010 年青藏高原湖泊面积增加了26％。湖泊水位升高和水量增大现象归因于区域降水量增加 。黄河源区湖泊扩张、数量增多的主要原因正是同期降水量增大、蒸发量减少和冻土退化加大了地下冰融化水补给量的直接反应；班戈错湖泊水位持续上涨，湖面扩大的原因之一是由于该流域上游在海拔约 4 800 m 部位存在一片面积较大的多年冻土湿地，而该多年冻土区的边缘有热融湖塘发育。近 20 年来该地区的多年冻土的退化及其中部分地下冰的融化可能是导致班戈错湖泊水位上升的主要原因之一。

相关研究表明，“亚洲水塔”主要河川径流和湖泊短期内可能增加，并且这一趋势可能将在未来（21 世纪中期）得以持续，其中印度河、恒河、雅鲁藏布江、澜沧江上游等径流增加的幅度相对较大 。但随着冰川规模不断萎缩，冰雪融水的贡献率将会不断下降；而多年冻土区活动层增厚，土壤蓄水容量将增大，从而导致降雨下渗量增加和基流量增大 ；多年冻土退化时地下冰的融化对湖泊有一定的补给作用，但是对湖泊的补给作用的大小取决于很多因素，如气候变化的方式、幅度、冻土融化速率、深度，以及局地岩性、排水和水文地质条件等。除了多年冻土区湖泊上升之外，也有研究认为区域地下水位下降的主因是冻土退化，其导致冻结层上水水位持续下降甚至消失，从而可能导致区域产流减少。因此，多年冻土退化和水循环的相互作用需要进一步研究。

多年冻土变化对地下冰释放量及地表形变的影响

青藏高原多年冻土年均地下冰融化量总计可达 12．7×10³km³水量，活动层加深 25 cm 引起的地下冰融水量相当于欧亚大陆北部主要河川径流的增加量。青藏公路沿线多年冻土上限附近地下冰主要由其上部的活动层水进行补给（59％—87％），其次是下部的多年冻土水（13％—41％）；另外，下垫面的差异会显著影响活动层水对上限附近地下冰的补给比例。比如，高寒草甸区域的活动层水对其下部上限附近地下冰的补给比例（59％—69％）小于高寒草原所在区域的活动层水补给比例（70％—87％）。

降水作为活动层水的主要补给源，对地下冰的发育和形成也有着间接的贡献，地表径流对浅层地下冰的形成也有显著的补给作用。而针对多年冻土区地下冰的释放量到底去向何处，目前研究还较少。在北麓河热融湖塘地区，浅层地下冰融水对当地热融湖塘的补给比例最大能达到60％左右；在昆仑山垭口地区，地下冰融水对地面径流也有着一定的贡献，浅层地下冰的融水对当地地表径流的补给比例达到 37．4％，仅次于冰川融水 56．7％ 的补给比例；在黄河源区，地下冰融水对当地地表径流的贡献比例为13．2％—16．7％。本文的研究结果反映了活动层厚度增加导致的地下冰融化对活动层底部土壤含水量有显著的影响；然而，针对多年冻土退化对地下冰的释放量有多大影响，地下冰释放量到底对区域水循环的影响程度有多大，到目前为止还没有被量化。

气候变暖背景下，多年冻土退化还会造成多年冻土地面发生长期的沉降形变，这主要是由于进入多年冻土内部的能量过剩时多年冻土上限处地下冰融化所导致。研究表明，年间地表形变的高值区主要分布在地下冰含量较高的地区。例如，青藏高原的五道梁、北麓河地区和俄罗斯的勒拿河三角洲地区，多年冻土上限附近地下冰的融化导致了较高的年间沉降量。在五道梁地区年间沉降量可达 10．28 mm。多年冻土的年间形变也有明显的空间差异性——北麓河高山地区多年冻土存在较为稳定，年平均形变量为−1．78 mm；而稀疏植被区域多年冻土地表形变有着明显的不同，其年形变量在−16—0 mm 之间，退化更为明显。

多年冻土地下冰含量较少的区域年间形变量较小，主要在青藏高原的西北部和西藏当雄县附近 。随着气候变暖的加剧，地下冰融化速率加快，多年冻土年间地表下沉的速率也随之增加。有研究表明，基于 ERS1／2 及 Envisat 数据获得的 1995—1999 年格陵兰岛东北部地区的年平均沉降速率为−0．3—−2．4 mm／a，而 2006—2009 年地表沉降速率增加到−0．8—−2．7 mm／a，沉降速率可以很好地反映气候在变暖、多年冻土在退化。因此，多年冻土退化导致的地面形变均与多年冻土内部地下冰直接相关，所以加强对地表形变的监测可为多年冻土区地下冰储量的变化提供可靠的依据。

多年冻土退化给青藏高原及周边地区的水循环过程和水资源时空分布带来显著影响。具体而言，多年冻土层消融可释放水分补充地下水，从而影响区域水文过程。但这部分水分到底对区域水资源调节作用有多大尚待进一步深入研究。本文以观测事实为基础，结合再分析数据分析了青藏高原多年冻土变化及可能的影响，主要得到的 3 条结论。

近 10 年来，青藏高原多年冻土区呈现变暖变湿的特征，多年冻土呈现显著的退化趋势。其地温明显升高、活动层增厚和活动层底部含水量增加，活动层底部温度变化率平均为 0．45^oC／10 a，活动层厚度变化率达到了 21．7 cm／10 a。

1980—2017 年青藏高原多年冻土区降水呈微弱的增加趋势，增加率为 29．5 mm／10 a。多年冻土区在1980—2018 年 6—8 月的 0—100 cm 土壤含水量平均值为 0．30 m³／m³；并且多年冻土区降水整体呈现增加趋势，每 10 年的增加率为 0．005 m³／m³。

多年冻土退化将对青藏高原水文过程、湖泊面积变化等会有明显的影响，尤其是多年冻土退化导致的地下冰融化对于水循环会产生显著影响，并可能引起多年冻土地面发生长期的沉降形变；但多年冻土退化对水循环究竟影响的程度有多大需要进一步深入探索。（作者：赵林，南京信息工程大学  地理科学学院；胡国杰，中国科学院西北生态环境资源研究院  冰冻科学国家重点实验室  青藏高原冰冻圈观测研究站；邹德富，中国科学院西北生态环境资源研究院冰冻科学国家重点实验室青藏高原冰冻圈观测研究站；吴晓东，中国科学院西北生态环境资源研究院冰冻科学国家重点实验室青藏高原冰冻圈观测研究站；马露，中国科学院西北生态环境资源研究院冰冻科学国家重点实验室青藏高原冰冻圈观测研究站 中国科学院大学； 孙哲，中国科学院西北生态环境资源研究院冰冻科学国家重点实验室青藏高原冰冻圈观测研究站 中国科学院大学； 原黎明，中国科学院西北生态环境资源研究院冰冻科学国家重点实验室青藏高原冰冻圈观测研究站 中国科学院大学； 周华云，中国科学院西北生态环境资源研究院冰冻科学国家重点实验室青藏高原冰冻圈观测研究站 中国科学院大学； 刘世博，中国科学院西北生态环境资源研究院冰冻科学国家重点实验室青藏高原冰冻圈观测研究站 中国科学院大学。《中国科学院院刊》供稿）

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