冰冻圈水文学：解密地球最大淡水库
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中国网/中国发展门户网讯 全球淡水资源的 70% 以上储存在冰川、冰盖中，北半球积雪年最大水当量约为 3×106 km3，因此，冰冻圈是世界上最大的淡水资源库。冰冻圈与水圈相互作用是气候系统乃至地球系统中的重要水文过程，包括由冰冻圈诸要素（如冰川、冰盖、积雪、冻土、河冰、湖冰和海冰等）中释放出来的液态水及其水文、水资源、生态和环境效应，不仅是人们关注的重点和热点，也是冰冻圈水文学研究的主要内容。冰冻圈水文学是顺应国际冰冻圈科学发展趋势、为满足区域水资源可持续利用实际需要而发展起来的新兴学科。
传统上对冰冻圈不同要素的水文研究主要是针对单个要素分别开展的，例如，冰川水文，主要从冰川的消融、径流形成以及冰川径流在流域中所起的作用等方面开展研究，冻土水文、积雪水文等也与此类似。随着全球气候变化对冰冻圈的影响越来越显著，冰冻圈诸要素的水文过程及影响受到广泛关注。由于冰冻圈诸要素在流域尺度上往往是共同作用，与冰冻圈相关的水问题已经不能从传统单一冰冻圈要素的角度去理解其过程和影响，而需要从冰冻圈科学的视角审视冰冻圈的水问题。例如，在冰冻圈分布的流域内往往不仅有冰川、积雪，也有多年和季节冻土，加上降雨，水文过程十分复杂。如果要了解一个流域内的水文情况，只了解冰川或积雪或冻土单一水文影响是不够的，需要将冰冻圈各个要素的水文过程统一考虑，同时与降雨水文一起考虑，才能准确认识流域水文过程以及不同冰冻圈要素所起的水文作用。冰冻圈不同水文要素整体观是冰冻圈水文学的核心思想。
冰冻圈水文学
简单而言，冰冻圈水文学是研究冰冻圈诸要素水文过程和机理，以及其水文作用和影响的学科。冰冻圈水文学是随着冰冻圈科学的发展而被提出的，是一门新兴的、具有特殊水文属性的学科，也是由中国科学家首先提出并完成其学科体系构建的科学。目前，国际上有关冰冻圈水文学（cryo-hydrology 或 cryospheric hydrology）的研究较少，在仅有的一些文献只是用到了“冰冻圈水文学”这一词语，并没有涉及到学科本身的科学内涵。
冰冻圈水文主要特点是水以固态形式储存，以液态形式释放。冰-水相互转化过程及其对资源和环境的影响是冰冻圈水文学关注的焦点。冰冻圈水文学研究包含 2 个方面的研究内容：①研究冰冻圈诸要素自身的水文机理和变化过程；②研究冰冻圈变化在流域、区域及全球水文过程和水循环中所产生的影响，如冰川变化对河流径流影响可涉及整个流域水资源问题，而冰冻圈变化对海平面的影响就涉及到全球水循环问题。
在气候变暖的背景下，全球冰冻圈发生了很大变化，主要表现在冰川退缩、积雪减少、多年冻土退化、海冰范围消退等，以及冰冻圈自身温度的升高进而导致其不稳定性的增加。冰冻圈变化对水文过程产生了明显影响，进而会对水资源、生态和灾害等过程产生重要影响。可见尽管冰冻圈分布在人迹罕至的高海拔、高纬度地区，但其水文影响却波及下游和中、低纬度整个流域和广泛领域。有关冰川融水对水资源影响的研究表明，来自遥远冰冻圈的水对未来水资源影响的风险巨大，冰冻圈水资源与人类可持续发展息息相关。
冰冻圈的基本水文功能
冰冻圈的水文功能主要表现在 3 个方面：水源涵养、径流补给、水资源调节。
水源涵养功能主要表现在水源发源地和冷湿岛效应 2 个方面。①冰冻圈发育于高海拔、高纬度地区，是世界上众多大江大河的发源地。以青藏高原为主体的冰冻圈，是长江、黄河、塔里木河、怒江、澜沧江、伊犁河、额尔齐斯河、雅鲁藏布江、印度河、恒河等著名河流的源区，也是“亚洲水塔”所在。冰冻圈作为水源地不同于降雨型源地，是以固态水转化为液态水的方式形成水源，释放的是过去积累的水量；即使在干旱少雨时期，冰冻圈仍然会源源不断输出水量，其水源的枯竭需要经历较大和长周期气候波动。②山地冰冻圈所在的高大山系，能够直接拦截由于地形抬升而沿山坡上升的水汽，以及沿主风向运动的水汽。由于冰冻圈是一个巨大的冷源，可以有效凝结这些水汽形成降水。特别是在干旱内陆河流域，冰冻圈在拦蓄外源水汽的同时，还通过流域的内循环将内部水汽输聚到高冷的冰冻圈地区。正因为如此，干旱内陆河流域平原区与冰冻圈区降水量可相差 5—10 倍。
冰冻圈被人们广泛认知的水文作用是径流补给功能。作为固态水体，冰冻圈自身就是重要的水资源，其资源属性表现在总储量和年补给量 2 个方面，冰冻圈对河流的年补给量是地表径流的重要组成部分。2010 年中国冰川年融水量约为 7.8×1010 m3，超过黄河入海的年总水量（6×1010 m3）。全国冰川径流量约为全国河川径流量的 2.2% 左右，相当于我国西部甘肃、青海、新疆和西藏 4 省（自治区）河川径流量的 10.5%。
相较于冰冻圈的水源涵养和径流补给功能，冰冻圈的水资源调节功能更为重要。在无冰川分布的流域，河流主要依靠降水补给，径流年际变化很大，表明径流过程很不“稳定”。但在有冰冻圈覆盖的流域，丰水年由于流域降水偏多，分布在极高山区的冰川区气温往往偏低，冰川消融量减少，冰川融水对河流的补给量下降，削弱降水偏多而引起的流域径流增加幅度；反之，当流域降水偏少时，冰川区相对偏高的温度导致冰川融水增加，弥补降水不足对河流的补给量[1]。这样，由于冰川的存在，将使有冰川的流域河流径流处于相对稳定的状态，表明了冰川作为固体水库以“削峰填谷”的形式表现出显著的调节径流丰枯变化的作用，这对干旱区绿洲水资源利用是十分有利的。冻土水文的调节作用主要表现在多年冻土消融可使活动层厚度增加（图1），土壤储水空间增大，夏季降水通过土壤活动层释放的水量增多，结果是夏季降水在活动层中延长了产流时间，往往导致多年冻土区冬季径流增加。
图 1多年冻土变化对径流的影响示意图
左侧的蓝色实线和虚线分别表示多年冻土活动层上限和地下水水位随着冻土融化下降前、后位置