冰冻圈水文学：解密地球最大淡水库
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冻土水文效应
冻土冻融过程对水文的影响是多方面的。土壤冻结可以增加径流，阻滞土壤水补给，增加积雪春季径流，以及延滞溶质向土壤深层输移。由于积雪与冻土关系密切，两者的水文相互关系也是被高度关注的问题。由于水的相变，融雪下渗过程受到许多因素影响，包括土壤温度、冻结深度、前期土壤含水量、积雪厚度，以及这些因素之间复杂的相互作用。小尺度的过程研究表明，由于土壤中孔隙冰的存在，通常会降低土壤的下渗能力，形成较大的地表融雪径流并减少地下水的补给。
多年冻土的存在主要影响地表产汇流过程。多年冻土覆盖率不同的流域，其年内径流过程（即年内径流分配）有显著差异；冻土年代际变化对径流的影响主要出现在多年冻土覆盖率高的流域，多年冻土退化导致下垫面和储水条件的变化，进而导致冬季径流增加（图 1）。俄罗斯境内径流变化的分析和模拟表明，由于冻土冻结锋面下降及融化过程的改变，导致俄罗斯欧洲部分地表冬季径流显著增加，径流增加量高达 50%—120%。例如，流入北极地区的 4 条主要河流（Lena、 Yenisei、 Ob、 Mackenzie），冬春季径流增加显著，而夏季径流减少，这与冻土融化和春季积雪消融提前有密切关系。
多年冻土及季节冻土退化已经引起中国相应地区河流冬季（枯水期）径流增加，夏季径流减少，以及年内径流过程变缓。径流变化的强度与流域多年冻土覆盖率有关。未来随着全球变暖，冻土持续退化，植被下垫面改变，可能会导致寒区流域径流系统变小。气候变暖可导致高海拔冻土高寒草原和灌丛草甸扩张；而沼泽草甸和高寒草甸退化，导致降水更多消耗于下垫面扩张引起的蒸散发量增加；区域的蒸散发量占降水量的比例增加会导致寒区流域未来的产流系数变小。
冰冻圈水文的生态与环境效应
冰冻圈水文过程变化与生态系统
冰冻圈水文变化不仅影响河川径流的变化，而且通过水循环的改变影响生态系统的变化。在我国干旱区内陆河流域，高山冰川—山前绿洲—尾闾湖泊构成的流域生态系统中（图 3），冰川变化对绿洲萎扩和湖泊消长具有重要的调节和稳定作用。冰川是我国干旱区绿洲稳定和发展的生命之源。实际上正是由于冰川和积雪的存在，才使得我国深居内陆腹地的干旱区形成了许多人类赖以生存的绿洲，也使得我国干旱区有别于世界上其他地带性干旱区。这种冰川积雪—绿洲景观及其相关的水文和生态系统稳定和持续存在的核心是冰川和积雪，没有冰川和积雪就没有绿洲，也就没有千百年来在那里生息的人民。
图 3内陆河流域（ a ）和青藏高原（ b ）冰冻圈 - 水文 - 生态关系
在高纬度及高海拔地区，冰冻圈变化除直接影响一些大江大河源区的水文情势外，还与湖泊消长、沼泽湿地变化有密切联系。冰川变化影响周围地区的水循环过程，进而又影响到源区生态与环境。多年冻土活动层特殊的水热交换是维持高寒生态系统稳定的关键所在，冻土区的高寒沼泽湿地和高寒草甸生态系统具有显著的水源涵养功能，是稳定江河源区水循环与河川径流的重要因素。冻土变化是导致江河源区高寒草甸与沼泽湿地大面积退化的主要原因。总之，在高海拔、高纬度地区，冰冻圈—河流—湖泊—湿地紧密相连，在干旱区内陆河流域，冰冻圈—河流—绿洲—尾闾湖泊—荒漠不可分割，冰冻圈变化对寒区生态系统具有牵一发而动全身的作用。中国西部生态建设与水源保护重大工程，如“三江源”国家公园、塔里木河综合治理工程、西藏生态屏障工程、祁连山生态保护工程及天山自然保护区等均与冰冻圈水文影响息息相关。
在南、北极地区，冰冻圈融化的冷、淡水对海洋生态具有显著影响。冰冻圈融化的“冷水效应”可以改变高纬度大洋的温度，而其“淡水效应”也可以改变大洋温度。在全球变暖背景下，持续的冰冻圈融水进入海洋，改变了海洋生态系统的生存环境，从而会对海洋生态系统产生影响。在陆地上高海拔流域，冰冻圈变化会对湖泊生态系统产生同样的影响。
高山冰冻圈融水对流域生物地球化学过程也具有重要影响。冰冻圈作用区强烈侵蚀、风化的大量松散堆积物及冰川表面长期累积的物理、化学和生物物质随着冰川融水的搬运进入下游湖泊、农田、草地等，会影响湖泊的温度、浊度、营养物等，也会影响农田和草地的土壤成分和营养成分。实际上，在内陆河流域，绿洲农田的土壤物理、化学和生物组成与上游冰冻圈地区物质组成不无关系，绿洲土壤的生物地球化学成分重要来源之一是冰冻圈侵蚀和积累的物质在冰冻圈水文作用下输送并长期积累的结果。
冰冻圈水文灾害
冰川、积雪融水可形成洪水，影响低地人类聚集区经济、交通及生命财产安全。①融雪型洪水。高纬度及高海拔积雪在融雪期由于冻土活动层尚无融化，前期积雪量较大，或升温较快且高，往往会形成融雪型洪水并引发灾害。融雪型洪水可分为山区型和平原型，在高海拔地区往往形成山区型洪水。例如天山、喜马拉雅山、阿尔泰山等地，是山区型融雪洪水多发区。2010 年 3 月新疆北部升温与雨雪天气反复交错，导致伊犁、阿勒泰、塔城等地融雪性洪水频发，部分地区交通屡次受阻。异常的天气变化给群众的生产生活造成很大损失，导致伊犁河谷 31 万人受灾，1 万多座温室大棚、2 万多座房屋倒塌，4 万多头牲畜死亡。而在高纬度地区，除山区型融雪洪水外，还有平原型融雪洪水，影响更加广泛，在欧洲这种情况也时有发生。②冰川消融型洪水。一般发生在消融最大的 7、8 月，在前期持续高温影响下，冰川消融加速，形成洪水。融冰型洪水由于冻土已经融化，其对泥沙搬运能力也大大增强，因此，融冰型洪水往往会形成泥石流，对下游的危害性也增大。③混合型洪水。融雪洪水和融冰洪水与降水洪水叠加，往往形成混合型洪水，影响更加严重。④冰湖溃决型洪水。具有突发、快速、能量大等特点，对下游影响更具威胁。由于其形成机制复杂、预测困难，难以预防，造成的灾害程度往往也较大。
冰冻圈水资源的地缘效应
受冰冻圈影响的跨境河流众多，如何系统认识冰冻圈变化的水文、水资源效应，不仅关系到所在国的可持续发展，而且也涉及到周边国家的水资源利用。一旦冰冻圈水资源变化出现拐点，可导致河川径流发生显著变化，将会引发国际问题。这一问题受到国际上的广泛关注，一些国际组织纷纷发出警示。例如，联合国发展署发布的《2006 年人类发展报告》中指出，中亚、南亚和青藏高原“未来 50 年冰川融化可能是对人类进步和粮食安全最严重的威胁之一”。世界银行在《2005 年世界发展指标》中也指出，未来 50 年喜马拉雅山（青藏高原）冰川变化将严重影响那里的河川径流。问题的关键是冰冻圈所在国的冰冻圈水资源对下游影响到底有多大，也就是影响的时间尺度多长、空间范围多大。这些定量影响程度的理解是十分重要的，否则会带来上、下游国家之间的一系列的猜忌误解，甚至引发国际争端。中国许多冰川融水流出境外，也有一些国外冰川融水补给中国境内河流。掌握冰冻圈水文变化的过程、量值、影响的时空尺度是争取国际“水谈判”话语权和主动权的关键。
冰冻圈水文过程的主要特点是其产汇流过程与温度密切相关，在气候变暖背景下，冰冻圈水文过程已经发生了很大变化，对“亚洲水塔”的安危已产生重要影响。
冰冻圈的水文功能主要表现在水源涵养、径流补给、水资源调节 3 个方面，其对“亚洲水塔”的作用尤为明显。
在气候变暖的背景下，冰冻圈水文过程已经发生变化，主要表现为冰川融水径流增加，冰川储量减少，融雪径流峰值提前，以及多年冻土退化导致径流年内分配发生变化。预估未来冰冻圈水资源将减少，其调节功能也将下降。
冰冻圈水文过程的未来变化对“亚洲水塔”、寒区的生态过程及可持续发展、灾害等具有重要影响。
随着冰冻圈的快速变化，冰冻圈融水也呈现加速变化之势，由此引发的冰冻圈水量补给和水文循环将出现许多潜在的后果。目前，人们对冰冻圈水文变化的认识程度大多数还停留在对冰冻圈融水量的现象描述阶段，冰冻圈水文带来的深层、系统和广泛影响还认识不够。例如，冰川融水的水源涵养和调节作用、冻土水文的水量补给和不同时间尺度的调蓄作用、大尺度冰冻圈水文循环过程及其对大洋水文、生态和环流的影响等，这些科学问题的深入理解，不仅是准确认识流域径流变化、明晰全球水循环过程的基础性问题，也是流域水资源可持续利用、区域生态科学保育、全球水文影响定量辨识的重大科学问题。因此，未来的冰冻圈水文学研究不仅需要针对冰冻圈水文基础问题，开展以观测和模拟为基本手段的机理、过程研究，而且更需要以全新的视角，以冰冻圈水文整体观的思路，以流域、区域和全球水问题实际需求为着眼的冰冻圈水文整体性、系统化研究。
（作者：丁永建，中国科学院西北生态环境资源研究院研究员、博士生导师；张世强，陕西省地表系统与环境承载力重点实验室、西北大学城市与环境学院；陈仁升，中国科学院内陆河流域生态水文重点实验室。《中国科学院院刊》供稿）