王磊 柴晨好 齊嘉 胡寶怡

摘要：

全球陸地冰凍圈主要由冰川、積雪、凍土、河湖冰等組成，與地球其他圈層聯(lián)系密切，是全球變化最為快速、最為顯著、亦是最具指示性和對(duì)氣候系統(tǒng)影響反應(yīng)最直接和最敏感的圈層。從陸地冰凍圈（主要考慮冰雪和凍土等要素）變化的水文效應(yīng)角度，梳理了目前國(guó)內(nèi)外的研究現(xiàn)狀和關(guān)鍵科學(xué)問題，討論了當(dāng)前研究中存在的難點(diǎn)和不足，并展望了該研究方向的未來發(fā)展趨勢(shì)。在全球變暖的大背景下，陸地冰凍圈發(fā)生了顯著變化，冰雪和凍土的消融直接影響陸地水文過程及水資源供給，然而由于缺乏詳實(shí)地面觀測(cè)和未能完整刻畫冰凍圈物理過程（尤其是凍土過程），目前研究仍缺乏對(duì)冰凍圈水文過程機(jī)理的深入理解。因此，認(rèn)為構(gòu)建全球陸地冰凍圈觀測(cè)體系、開發(fā)具有完整物理過程的冰凍圈水文模型是未來研究的重點(diǎn)；未來應(yīng)將冰凍圈視為一個(gè)整體，由單一要素、單一圈層的探索向基于多圈層互饋理論的冰凍圈科學(xué)體系化方向邁進(jìn)，著重探討其變化對(duì)區(qū)域乃至全球水文循環(huán)和生態(tài)環(huán)境以及人類社會(huì)經(jīng)濟(jì)的影響，并運(yùn)用多學(xué)科交叉和新技術(shù)等手段開展全球尺度的系統(tǒng)性研究。

關(guān) 鍵 詞：

全球陸地冰凍圈； 氣候變化； 水文效應(yīng)； 觀測(cè)； 水文模型

中圖法分類號(hào)： P343

文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2023.08.014

0 引 言

全球陸地冰凍圈主要由冰川、積雪、凍土、河湖冰等組成，與地球其他圈層聯(lián)系密切。其作為全球氣候系統(tǒng)的五大圈層之一，在受氣候變化影響的各個(gè)環(huán)境系統(tǒng)中它首當(dāng)其沖，是全球變化最為快速、最為顯著、亦是最具指示性和對(duì)氣候系統(tǒng)影響反應(yīng)最直接和最敏感的圈層，因此被認(rèn)為是氣候系統(tǒng)多圈層相互作用的關(guān)鍵性因素之一。冰凍圈組成成分多樣，各組分的內(nèi)部動(dòng)力機(jī)制、時(shí)空分布、氣候響應(yīng)過程都不相同。在各圈層互相作用、多因子共同協(xié)作下，水文過程往往是復(fù)合疊加的，研究較為困難。并且冰川規(guī)模和類型及凍土的分布、地下水分布不易觀測(cè)，冰川、凍土、積雪等冰凍圈要素的變化及其對(duì)氣候的動(dòng)力響應(yīng)過程在時(shí)空尺度上存在差異，因此需要通過多種手段探索和研究冰凍圈水文過程。

冰川作為固態(tài)淡水水庫，具有調(diào)豐補(bǔ)枯的能力和穩(wěn)定徑流的作用。冰川融水徑流及其對(duì)河川徑流的貢獻(xiàn)及調(diào)節(jié)功能受到冰川大小、形狀、面積比率和儲(chǔ)量等因素的影響。在全球變暖的背景下，冰川消融加速對(duì)徑流乃至整個(gè)水循環(huán)都產(chǎn)生顯著的影響［1］，引起了人們對(duì)世界許多地區(qū)供水可持續(xù)性的擔(dān)憂［2-3］。因此，迫切需要通過深入研究來量化和預(yù)測(cè)全球變暖背景下冰川質(zhì)量變化及其對(duì)陸地水循環(huán)產(chǎn)生的影響。

積雪是冰凍圈中分布最廣、年際變化和季節(jié)變化最顯著的分量，對(duì)溫度的變化十分敏感［4］。全球98%的季節(jié)性積雪位于北半球［5］，積雪對(duì)北半球的水資源至關(guān)重要［6］。積雪的季節(jié)變化是影響地表反照率變化的最顯著因素，進(jìn)而影響地氣能量平衡和區(qū)域水平熱力差異。在全球水循環(huán)過程中，積雪的積累消融過程對(duì)水的年內(nèi)再分配起重要作用，為干旱半干旱地區(qū)提供春季最重要的淡水資源［7］。季節(jié)性積雪對(duì)大氣環(huán)流也有著局地和遠(yuǎn)程影響［8］。積雪釋放出的水分及其水文、水資源、生態(tài)及環(huán)境效應(yīng)，是研究冰凍圈水文循環(huán)的重要內(nèi)容［9］。

凍土是全球冰凍圈的重要組成成分之一，也是連接冰凍圈各要素的重要紐帶［10］。在不考慮海底和南極洲多年凍土分布的條件下，南北半球陸地表面凍土面積約為（22±3）×106 km2，主要分布于極地和亞極地高山區(qū)［11］。凍土對(duì)氣候變化十分敏感，因此也被稱為氣候變化的指示器［12-13］。IPCC第五次評(píng)估報(bào)告指出，自1950年以來全球氣溫總體呈現(xiàn)出明顯變暖趨勢(shì)［14］。氣候變暖將會(huì)增強(qiáng)寒冷地區(qū)凍土的凍融循環(huán)過程，從而改變?nèi)蚝蛥^(qū)域的地表水文過程和水資源的時(shí)空分布，這將會(huì)使地區(qū)人口用水安全受到嚴(yán)重威脅［15］。

在氣候變化和人類活動(dòng)的影響下，全球陸地冰凍圈各要素已經(jīng)發(fā)生了很大變化，主要表現(xiàn)為大范圍冰川退縮、積雪減少、多年凍土退化等［9］。這些變化增加了陸地冰凍圈自身的不穩(wěn)定性，改變了冰凍圈水文過程及其變化過程，這將對(duì)流域、區(qū)域乃至全球尺度上的水文、水資源和水循環(huán)產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響，并誘發(fā)一系列冰凍圈水文災(zāi)害（發(fā)生頻率、強(qiáng)度和范圍），例如：冰湖潰決、凍融侵蝕、洪水、暴雪、干旱、沙漠化加劇等，進(jìn)而對(duì)人類社會(huì)的生態(tài)、水、社會(huì)經(jīng)濟(jì)安全構(gòu)成威脅（見圖1）。因此，充分了解氣候變暖下陸地冰凍圈與水圈之間的相互作用變化下的水文過程，對(duì)了解當(dāng)前和預(yù)測(cè)水循環(huán)以及水資源的變化十分重要，同時(shí)也會(huì)提升防災(zāi)減災(zāi)的效果。

1 研究現(xiàn)狀與發(fā)展態(tài)勢(shì)

1.1 研究現(xiàn)狀

1.1.1 冰 川

（1） 在冰川變化方面，有研究指出2002～2019年間，除格陵蘭島和南極洲以外全球冰川冰蓋總質(zhì)量損失平均為（281.5±30） Gt/a，并以（5±2） Gt/a的趨勢(shì)顯著加速損失［16-18］。質(zhì)量損失主要集中在7個(gè)地區(qū)［19］，其中來自北極的份額最大：美國(guó)阿拉斯加州（72.5±8 Gt/a）、加拿大北極群島（73.0±9 Gt/a）、南安第斯山脈（30.4±13 Gt/a）、亞洲高山（HMA）（28.8±11 Gt/a）、俄羅斯北極（20.2±6 Gt/a）、冰島（15.9±4 Gt/a）和斯瓦爾巴特群島（12.1±4 Gt/a）。

（2） 在冰川變化對(duì)陸地水循環(huán)影響方面，有研究指出冰川冰蓋所包含的質(zhì)量變化可以在多個(gè)尺度上改變陸地水循環(huán)［20］。在全球范圍內(nèi)，冰川消融會(huì)導(dǎo)致海平面上升［21］。在區(qū)域和局部尺度上，冰川融水是徑流流量的重要貢獻(xiàn)者和調(diào)節(jié)者，在河流流量較低的溫暖和干燥時(shí)期補(bǔ)充徑流［22-23］。同時(shí)，冰川融水變化對(duì)湖泊水儲(chǔ)量變化有重要作用，尤其是依靠融水補(bǔ)給的冰湖［24］。即使在冰川覆蓋率最小的大型流域中，冰川持續(xù)消融對(duì)下游水文的影響也可能很大，但在不同流域和整個(gè)融化季節(jié)的差別也很大［25］。例如，在青藏高原地區(qū)，受西風(fēng)環(huán)流影響的北部河流（伊犁河-河西內(nèi)陸流域）冰川面積減少迅速（年變化率> 0.8%）；受西方與南亞季風(fēng)共同作用的印度河流域的冰川面積大都呈現(xiàn)出稍有增加的趨勢(shì)；印度季風(fēng)影響下的雅魯藏布江、湄公河、恒河等流域的冰川面積也不同程度地減少，而高原內(nèi)陸流域以及塔里木河的變化率最小。當(dāng)前研究對(duì)冰川融水拐點(diǎn)的關(guān)注度越來越高，冰川加速退縮與消融使得冰川融水在短期內(nèi)增加，但在長(zhǎng)期趨勢(shì)上冰川融水會(huì)減少甚至枯竭，導(dǎo)致區(qū)域水資源短缺和生態(tài)環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)增加。同時(shí)，冰川變化導(dǎo)致冰川不穩(wěn)定性增強(qiáng)，災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)加劇［26］。此外，在未來全球升溫1.5 ℃的情況下，將導(dǎo)致高亞洲變暖（2.1±0.1）℃，此時(shí)的高亞洲冰川中的（64±7）%的冰將在21世紀(jì)末保持不變。在RCP4.5、 RCP6.0 和RCP8.5氣候情景下，到21世紀(jì)末該區(qū)冰川質(zhì)量的損失將會(huì)達(dá)到（49±7）%、 （51±6）%和（64±5）%。這些預(yù)測(cè)結(jié)果一致表明冰川消退將對(duì)區(qū)域水管理和山地社區(qū)產(chǎn)生潛在的嚴(yán)重后果及影響［27］。

1.1.2 積 雪

遙感觀測(cè)是獲取大尺度積雪信息的有力手段［28-29］，目前大規(guī)模山區(qū)雪深觀測(cè)還有欠缺，需要進(jìn)一步發(fā)展［30］。被動(dòng)微波雪深反演算法受多種因素的影響，融合地面和遙感觀測(cè)獲取更接近真實(shí)的積雪數(shù)據(jù)對(duì)于提高水文模型的效果有重要的意義，這對(duì)于積雪在水文循環(huán)中起關(guān)鍵作用的山區(qū)更為重要［31-32］。1978～2010年，北半球積雪范圍及冬季雪水當(dāng)量整體呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，僅在歐亞大陸一些區(qū)域積雪范圍略微增加。在全球升溫1.5 ℃時(shí)，北半球一半以上的區(qū)域雪水當(dāng)量減少，且北美洲中部、歐洲西部以及俄羅斯西北部減少較顯著［4］。在高海拔地區(qū)，降水增加導(dǎo)致積雪增加，但在中等海拔地區(qū)雖然降水量增加，但積雪仍然減少［33-34］。青藏高原積雪雖淺，但其產(chǎn)生的輻射強(qiáng)迫比高緯度地區(qū)更為重要，高山區(qū)雪深峰值遠(yuǎn)低于高緯度地區(qū)雪深峰值。除青藏高原外，高山區(qū)的積雪融化起始日期明顯早于高緯度地區(qū)［7］。過去50 a，青藏高原積雪面積總體呈減少趨勢(shì)，積雪期開始時(shí)間推遲，結(jié)束時(shí)間提前［35］。近30多年，青藏高原積雪出現(xiàn)較大的年際波動(dòng)并伴有減少趨勢(shì)，其中積雪覆蓋日數(shù)減少明顯，2000年后雪深減少明顯［7］。

氣候變暖將導(dǎo)致降雪轉(zhuǎn)雨，天然蓄水能力減弱，積雪提前融化，河流徑流峰值將從需水量最高的夏秋季轉(zhuǎn)移［36］。降雪比例減少、融雪時(shí)間改變，對(duì)依賴融雪徑流進(jìn)行農(nóng)業(yè)灌溉區(qū)域的糧食生產(chǎn)有深遠(yuǎn)影響［37］。在融雪徑流主導(dǎo)的地區(qū)，隨著積雪的減少，利用積雪預(yù)報(bào)區(qū)域季節(jié)性干旱的能力也有所降低［38］。冰凍圈退化過程中也伴隨著災(zāi)害效應(yīng)［35］，冰凍圈災(zāi)害發(fā)生頻數(shù)和強(qiáng)度增加，已是全球常見的自然災(zāi)害，近年來與此相關(guān)的研究也在持續(xù)發(fā)展［39］。青藏高原的積雪變化對(duì)中國(guó)北方春季旱情有重要影響［35］。青藏高原上以冰雪融水為主要補(bǔ)給來源的湖泊整體擴(kuò)張趨勢(shì)明顯，而隨著冰川積雪的減少，未來融雪徑流將會(huì)減少，部分河流徑流量會(huì)出現(xiàn)由增到減的“拐點(diǎn)”［40］。

1.1.3 凍 土

氣候變暖導(dǎo)致全球多年凍土持續(xù)退化，主要表現(xiàn)為多年凍土溫度升高，多年凍土面積銳減以及活動(dòng)層厚度加深［41-44］。當(dāng)前眾多研究結(jié)果表明，北半球極地地區(qū)和高山區(qū)多年凍土出現(xiàn)持續(xù)升溫、退化以及地下冰虧損現(xiàn)像，如青藏高原、中亞地區(qū)、北美阿拉斯加、加拿大中部和東部、俄羅斯西伯利亞地區(qū)、歐洲阿爾卑斯山脈以及挪威等環(huán)北極地區(qū)多年凍土均呈現(xiàn)退化趨勢(shì)［45-53］。未來預(yù)估研究結(jié)果同樣表明，進(jìn)一步升溫將導(dǎo)致這些區(qū)域多年凍土持續(xù)退化［7，54］。到21世紀(jì)末，如果全球升溫達(dá)到2 ℃，預(yù)計(jì)全球多年凍土面積將會(huì)減少40%［55］。

氣候變暖和土壤熱狀況等相關(guān)驅(qū)動(dòng)因素的變化將會(huì)改變多年凍土的分布，從而導(dǎo)致水文條件的改變，包括土壤水分的變化、內(nèi)陸水域的連通性、徑流季節(jié)性變化以及儲(chǔ)存在地上和地下的水的分配。多數(shù)研究表明，在氣候變暖背景下，多年凍土的退化將會(huì)影響地表產(chǎn)流過程。凍土層不斷融化，導(dǎo)致活動(dòng)層增厚以及底部含水量增加，從而增加多年凍土區(qū)河流和湖泊的徑流量［44］；與此同時(shí)凍土退化也增強(qiáng)了地表水的入滲能力，使地下水儲(chǔ)量增大，從而導(dǎo)致冬季徑流增加［56］；在北半球高緯度地區(qū)，相關(guān)研究表明活動(dòng)層加深，地下冰融化以及融化期延長(zhǎng)可導(dǎo)致冬季基流和夏季徑流量的顯著增加［15］；然而在凍土分布不連續(xù)的地區(qū)，多年凍土層地下冰的融化使得冬季河流基流顯著增加，該區(qū)徑流的季節(jié)性變化因凍土退化變得更為平緩［57］?？傮w上，凍土退化對(duì)陸地水文循環(huán)的影響主要有以下幾個(gè)方面：① 改變土壤的水力特性，增強(qiáng)地下水和地表水的水文聯(lián)系；② 改變地下水儲(chǔ)量；③ 改變流域年內(nèi)、年際的產(chǎn)匯流過程，影響徑流總量和組分。

1.2 發(fā)展趨勢(shì)

當(dāng)前國(guó)際上冰凍圈科學(xué)研究態(tài)勢(shì)體現(xiàn)在2條主線上：一條是以世界氣候研究計(jì)劃（WCRP）——?dú)夂蚺c冰凍圈（CliC） 國(guó)際研究計(jì)劃為主線，核心目標(biāo)在于提高對(duì)冰凍圈與氣候系統(tǒng)之間相互作用的物理過程與及反饋機(jī)制的理解。這一目標(biāo)的關(guān)鍵在于提高對(duì)評(píng)估和量化過去和未來氣候變化所導(dǎo)致的冰凍圈各分量變化及其影響的認(rèn)識(shí)水平，而實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo)的前提條件是強(qiáng)化對(duì)冰凍圈的監(jiān)測(cè)。另外一條主線則是以“冰凍圈科學(xué)”為核心，著力推動(dòng)冰凍圈科學(xué)向體系化方向發(fā)展。WCRP-CliC計(jì)劃啟動(dòng)之初首次提出了“冰凍圈科學(xué)”（Cryospheric Sciences）這一概念，將冰川、冰蓋、凍土、海冰、積雪等納入到統(tǒng)一圈層系統(tǒng)，進(jìn)行集成研究。2007年國(guó)際大地測(cè)量與地球物理學(xué)聯(lián)合會(huì)（International Union of Geodesy and Geophysics，IUGG） 正式將“冰凍圈科學(xué)學(xué)會(huì)”增加為其旗下新的一級(jí)學(xué)會(huì)，這是IUGG 成立80多年來首次增加一級(jí)學(xué)會(huì)，這更使冰凍圈由三級(jí)學(xué)科躍升為一級(jí)學(xué)科。這些均表明國(guó)際冰凍圈研究正在由過去分散、獨(dú)立的研究向?qū)W科體系化的研究發(fā)展。

隨著全球氣候變暖，冰雪凍土等全球冰凍圈發(fā)生著迅速變化，陸地水循環(huán)正在加劇，迫切需要加強(qiáng)相關(guān)研究［58-59］。全球冰川數(shù)量和范圍的持續(xù)變化和預(yù)計(jì)未來的變化、以及在區(qū)域或全球范圍內(nèi)冰雪變化對(duì)河流徑流和水資源的影響研究，是近期也是未來很長(zhǎng)一段時(shí)間的國(guó)際研究熱點(diǎn)和趨勢(shì)［60-61］。凍土研究方面，主要集中在當(dāng)前全球多年凍土變化的范圍和速度以及未來全球氣候背景下的持續(xù)變化，及其對(duì)陸地水循環(huán)過程的影響方式和程度。數(shù)值模擬和預(yù)測(cè)方面，目前的氣候系統(tǒng)模式中，單一要素、單一圈層的觀測(cè)和模擬較多，但集成過程模型還較為缺乏。有關(guān)冰凍圈物理過程的參數(shù)化方案還不夠精細(xì)，諸多物理過程的參數(shù)化方案過于理想化。在現(xiàn)有的全球氣候模式和區(qū)域氣候模式中，對(duì)積雪過程參數(shù)化的描述亦不夠精細(xì)，對(duì)凍土過程參數(shù)化的描述較為粗糙，水、熱參數(shù)缺乏，多以均一下墊面處理或僅考慮地表溫度，甚至很多模式尚未包括凍土物理過程，從而無法較好地研究積雪和凍土受氣候變化影響的物理機(jī)制。由于冰凍圈各要素往往是共同作用的，需要將冰雪凍土等冰凍圈要素的水文物理過程綜合考慮［9］。

總之，當(dāng)前國(guó)內(nèi)外冰凍圈科學(xué)研究呈現(xiàn)以下發(fā)展趨勢(shì)：① 冰凍圈研究已由過程描述、統(tǒng)計(jì)分析向機(jī)理分析、數(shù)值模擬方向發(fā)展，野外觀測(cè)與數(shù)值模擬將更有效、廣泛地有機(jī)結(jié)合；② 利用高精度衛(wèi)星遙感結(jié)合實(shí)地觀測(cè)來監(jiān)測(cè)冰凍圈變化；③ 開發(fā)考慮冰凍圈-水圈-大氣圈-生物圈相互作用的冰凍圈水文模型。越來越多的事實(shí)表明，冰凍圈水文過程的變化已經(jīng)開始影響人類社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。

2 未來研究展望

在氣候持續(xù)升溫背景下，全球陸地冰凍圈變化的水文效應(yīng)研究已得到越來越多的重視，其重點(diǎn)研究領(lǐng)域主要包括：全球大尺度冰雪凍土觀測(cè)手段及遙感反演方法的發(fā)展；冰川積雪凍土變化對(duì)陸地水循環(huán)過程影響的模型模擬和預(yù)測(cè)研究，及模型中冰雪凍土相關(guān)物理過程改進(jìn)；科學(xué)應(yīng)對(duì)全球冰雪凍土變化可能帶來的水安全問題和挑戰(zhàn)等?；谏鲜龇治龉P者嘗試給出該研究領(lǐng)域未來20年的若干關(guān)鍵科學(xué)問題，并討論和展望其未來重點(diǎn)研究方向。

2.1 重點(diǎn)研究領(lǐng)域

冰凍圈變化影響日益廣泛，在區(qū)域和全球尺度上準(zhǔn)確辨識(shí)冰凍圈變化的影響程度與時(shí)空范圍，闡明適應(yīng)機(jī)理，對(duì)科學(xué)應(yīng)對(duì)全球變化具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。縱觀國(guó)際冰凍圈研究趨勢(shì)和中國(guó)冰凍圈自身特點(diǎn)，當(dāng)前冰凍圈水文過程的研究應(yīng)該加強(qiáng)以下幾個(gè)方面（見圖2）。

2.1.1 冰凍圈水文過程模型

目前水文模型只包括單一冰凍圈要素，集成過程模型缺乏，水文模型對(duì)冰凍圈變化的模擬能力不強(qiáng)。氣候系統(tǒng)模式中，有關(guān)冰凍圈物理過程的參數(shù)化方案還不夠精細(xì)，諸多復(fù)雜過程主要依賴觀測(cè)和經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?。SHAW、VIC、Coup、WEB-DHM等模型是目前包含凍土和積雪參數(shù)化的主流水文模型，但仍存在諸多問題。針對(duì)高寒地區(qū)陸面過程的特殊性以及高寒地區(qū)（如青藏高原）觀測(cè)資料比較缺乏等問題，發(fā)展具有物理機(jī)制的冰凍圈水文過程模型非常必要，能夠?yàn)閰^(qū)域及全球氣候變化、水循環(huán)等研究提供有效的模型工具，從而實(shí)現(xiàn)冰川-積雪-凍土-河流-湖泊的綜合水文過程模擬（見圖3），以便更好地認(rèn)識(shí)全球多圈層相互作用機(jī)理，提升對(duì)區(qū)域水資源和水災(zāi)害的模擬能力。

2.1.2 凍土變化監(jiān)測(cè)及其生態(tài)水文效應(yīng)

多年凍土被稱為巨型的天然“地下冰庫”和“地下碳庫”，其變化過程中的水、熱運(yùn)移會(huì)極大地影響氣候、生態(tài)、水循環(huán)等。受區(qū)域氣候、地質(zhì)、水文、地表覆被等影響，多年凍土的水熱狀態(tài)具有很大的區(qū)域差異性，這使得多年凍土的狀態(tài)及其對(duì)氣候變化的響應(yīng)程度也具有一定的區(qū)域差異性。國(guó)際上一些相關(guān)計(jì)劃均強(qiáng)調(diào)了對(duì)凍土活動(dòng)層的監(jiān)測(cè)，如EOS-CRYSYS（地球觀測(cè)系統(tǒng)-冰凍圈系統(tǒng)）、AACSYS（南北極氣候系統(tǒng)研究），CLIC（氣候與冰凍圈計(jì)劃）等。中國(guó)科學(xué)家已在青藏高原建立了若干凍土觀測(cè)點(diǎn)和凍土監(jiān)測(cè)場(chǎng)地，然而對(duì)第三極大尺度凍土水-熱參數(shù)的監(jiān)測(cè)仍舊十分稀疏，難以滿足研究需要。而全面進(jìn)行凍土變化監(jiān)測(cè)是為未來凍土水文過程研究奠定基礎(chǔ)的，研究多年凍土活動(dòng)層的水熱循環(huán)機(jī)制、多年凍土對(duì)氣候變化的響應(yīng)模式及其區(qū)域差異性是揭開全球變暖背景下多年凍土變化規(guī)律及其對(duì)寒區(qū)生態(tài)、水文狀況影響的關(guān)鍵所在。

2.1.3 冰川物質(zhì)平衡監(jiān)測(cè)及其水文效應(yīng)

冰川物質(zhì)平衡的特征及時(shí)空變化規(guī)律與氣候環(huán)境特征及其變化密切相關(guān)，因此可將其視為冰川與氣候環(huán)境之間相互作用的關(guān)鍵鏈條。自20世紀(jì)以來，北歐及北美許多國(guó)家開展了系統(tǒng)的連續(xù)的冰川物質(zhì)平衡觀測(cè)研究，中國(guó)從21世紀(jì)以來將物質(zhì)平衡作為冰川學(xué)的重要研究?jī)?nèi)容。盡管冰川物質(zhì)平衡的研究已經(jīng)取得了一些系統(tǒng)性的理論和計(jì)算方法，但大多數(shù)方法都是基于傳統(tǒng)的人工測(cè)量來實(shí)現(xiàn)的，這通常需要大量的人力和時(shí)間來進(jìn)行相應(yīng)的數(shù)據(jù)觀測(cè)，然后通過物質(zhì)平衡計(jì)算公式獲得每年的冰川物質(zhì)平衡量。傳統(tǒng)冰川物質(zhì)平衡測(cè)量方法有花桿-等值線法、網(wǎng)格-等值線法和高度區(qū)間法等，這些方法雖然精度很高，但是成本昂貴、耗費(fèi)人力、也無法實(shí)現(xiàn)區(qū)域規(guī)模的冰川物質(zhì)平衡測(cè)量。此外也可以借助遙感技術(shù)測(cè)量冰川物質(zhì)平衡，如：Landsat TM/ETM以及 Terra ASTER 數(shù)字影像。隨著全球氣候變暖加劇，全球大部分地區(qū)的冰川幾乎都是負(fù)的物質(zhì)平衡量，如何更準(zhǔn)確和高效地測(cè)量冰川物質(zhì)平衡量是冰川研究領(lǐng)域的重要課題。而不同地區(qū)和規(guī)模的冰川變化規(guī)律及其對(duì)氣候的響應(yīng)過程和機(jī)理也不同。因此模擬和預(yù)測(cè)未來冰川變化，才能更好地解決與其相關(guān)的水資源和水循環(huán)問題。

2.1.4 積雪變化及其對(duì)徑流的影響

IPCC第五次評(píng)估報(bào)告（AR5）指出，自20世紀(jì)以來北半球積雪面積持續(xù)縮小。1967～2012年，北半球3月和4月份平均積雪面積縮小速率為1.6%/10 a，6月份為11.7%/10 a。而北半球積雪面積在任何月份都沒有顯現(xiàn)具有統(tǒng)計(jì)意義的顯著增加。積雪范圍的擴(kuò)張或者縮減，可以引起全球水循環(huán)的能量及水量的增加或者減少。伴隨水能平衡的改變，積雪變化與氣候、生態(tài)、水文相互作用加劇。山區(qū)積雪對(duì)徑流變化也有重要影響，積雪對(duì)徑流年內(nèi)過程的影響可使河流年內(nèi)分配發(fā)生改變。隨著全球變暖，水文過程對(duì)積雪-氣候的響應(yīng)表現(xiàn)為最大徑流前移，夏季徑流減少明顯。因此在水資源管理方面需要適應(yīng)積雪對(duì)徑流的調(diào)整，從而減緩氣候變化對(duì)水資源安全的影響。

2.1.5 搭建冰凍圈監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)

全球尺度冰凍圈水文效應(yīng)研究任重道遠(yuǎn)，需要加強(qiáng)監(jiān)測(cè)，以便開展對(duì)冰凍圈變化過程的模擬與診斷研究。目前中國(guó)科學(xué)院組織了院內(nèi)所屬的17個(gè)野外站（點(diǎn)），并通過與其他系統(tǒng)的野外站聯(lián)合，組建了“高寒區(qū)地表過程與環(huán)境監(jiān)測(cè)研究網(wǎng)絡(luò)”，簡(jiǎn)稱“高寒網(wǎng)”High-cold region Observation and Research Network of China（HORN）。高寒區(qū)一般指海拔較高、氣候寒冷的地區(qū)。中國(guó)的高寒區(qū)包括整個(gè)青藏高原，以及甘肅、內(nèi)蒙古和新疆的高山地區(qū)。高寒區(qū)廣泛分布著冰川、凍土、積雪和濕地等，是我國(guó)大江大河的源頭區(qū)和重要的生態(tài)屏障區(qū)，同時(shí)又是氣候條件惡劣、生態(tài)環(huán)境脆弱、經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平低的地區(qū)。掌握冰雪凍融等自然災(zāi)害發(fā)生機(jī)理會(huì)對(duì)科學(xué)防災(zāi)減災(zāi)，以及促進(jìn)區(qū)域經(jīng)濟(jì)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展等提供了數(shù)據(jù)支持。連續(xù)的高寒區(qū)基礎(chǔ)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)及觀測(cè)空白與薄弱環(huán)節(jié)的專項(xiàng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，形成了一個(gè)分布式和逐級(jí)開放共享的高寒區(qū)地表過程與環(huán)境數(shù)據(jù)庫，正逐步促進(jìn)觀測(cè)數(shù)據(jù)的開放共享，從而促進(jìn)相關(guān)學(xué)科的發(fā)展。

2.2 關(guān)鍵科學(xué)問題

陸地冰凍圈對(duì)氣候變化的響應(yīng)是高度非線性的，冰凍圈的變化直接影響冰雪水資源利用、生態(tài)環(huán)境安全以及災(zāi)害發(fā)生的程度與影響范圍。冰川對(duì)水資源影響意義重大，凍土積雪對(duì)寒區(qū)生態(tài)與水文過程影響突出，積雪凍土對(duì)區(qū)域氣候有著顯著影響。由于多圈層相互作用，多因子共同協(xié)作，冰凍圈中的水文過程仍有很多復(fù)雜性。

（1） 冰川變化及其對(duì)流域水資源的影響。由于冰川對(duì)氣候變化的敏感性，如何估算冰川消融成為重要的課題。如何量化冰川融水徑流的不同尺度變化以及不同氣候情景下的響應(yīng)，揭示冰川在區(qū)域或全球尺度的水文效應(yīng)，以及準(zhǔn)確模擬和預(yù)測(cè)未來冰川變化及其水文效應(yīng)和資源效應(yīng)對(duì)可持續(xù)發(fā)展有巨大影響［27，62-63］。

（2） 深入研究積雪相關(guān)水文過程機(jī)理和積雪變化，及其變化在全球水循環(huán)過程中產(chǎn)生的影響，明確積雪融水對(duì)河流徑流的季節(jié)調(diào)節(jié)規(guī)律及其對(duì)流域水資源的影響。

（3） 全球變暖下，凍土退化引發(fā)的活動(dòng)層厚度和地下冰融化的產(chǎn)流機(jī)制和長(zhǎng)短期凍融過程變化對(duì)水循環(huán)的機(jī)理和影響程度有多大，其對(duì)全球及區(qū)域水資源的貢獻(xiàn)度以及對(duì)水資源結(jié)構(gòu)和水平衡有什么影響？?jī)鐾磷兓欠駮?huì)引起流域水文極端事件的變化？這些問題均是未來研究值得關(guān)注的內(nèi)容［44］。

2.3 展 望

未來關(guān)于陸地冰凍圈變化的水文效應(yīng)研究，可以從加強(qiáng)觀測(cè)網(wǎng)建設(shè)，構(gòu)建國(guó)際合作；完善多圈層耦合模式，提升模擬能力；冰凍圈變化對(duì)人類經(jīng)濟(jì)發(fā)展的影響等方面展開。

（1） 冰川研究方面。盡管遙感技術(shù)克服了傳統(tǒng)站點(diǎn)觀測(cè)所遇到的許多障礙，但站點(diǎn)觀測(cè)對(duì)于冰川物質(zhì)平衡和徑流模型的率定和驗(yàn)證是必不可少的［64］；盡管全球尺度冰川模型的發(fā)展最近取得了一些進(jìn)展，但它們?nèi)匀蝗鄙倩谖锢頇C(jī)制的冰川動(dòng)力學(xué)模擬和鋒面消融研究［65］；冰川融水流入地下水含水層或閉合流域的影響實(shí)際上是未知的，應(yīng)該通過冰川質(zhì)量平衡模型與全球水文模型的耦合來解決［20］。

（2） 積雪研究方面。未來學(xué)科發(fā)展中，要推動(dòng)積雪遙感觀測(cè)及雪深反演技術(shù)進(jìn)步，獲取更接近真實(shí)的大尺度積雪數(shù)據(jù)。改進(jìn)完善水文模型中的積雪相關(guān)過程，充分利用模型工具評(píng)估積雪變化對(duì)水文過程的影響。關(guān)注氣候變化背景下融雪模式變化而引起的區(qū)域用水缺口，以便采取對(duì)策應(yīng)對(duì)可能的糧食生產(chǎn)風(fēng)險(xiǎn)。加強(qiáng)對(duì)雪崩、積雪洪水、風(fēng)吹雪等在內(nèi)的災(zāi)害研究，確定科學(xué)防災(zāi)減災(zāi)對(duì)策。

（3） 凍土研究方面。隨著全球氣候變化，凍土變化及其對(duì)全球陸地水文循環(huán)的影響機(jī)制將會(huì)更加復(fù)雜，因此后續(xù)研究應(yīng)加強(qiáng)地面觀測(cè)站的建設(shè)，并結(jié)合遙感監(jiān)測(cè)方法提高數(shù)據(jù)時(shí)空分辨率，形成可靠的凍土水文數(shù)據(jù)集；水文模型應(yīng)提高對(duì)土壤凍融循環(huán)、活動(dòng)層水分空間變化的模擬能力，并結(jié)合大氣、植被、土地變化、冰川、積雪模擬，構(gòu)建基于冰凍圈物理過程的多圈層水文模型［66-70］。

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（編輯：鄭 毅）

Abstract：

The global land cryosphere is mainly composed of glaciers，snow，permafrost，river and lake ice.The land cryosphere is closely related to other spheres of the Earth.It is the fastest，most significant，most indicative，direct and sensitive sphere to the climate change.In this paper，from the viewpoint of hydrological effects of the land cryosphere changes （mainly considering snow，ice，and frozen ground），the current research status and key scientific issues are sorted out，the difficulties and shortcomings in the current research are discussed，and the future direction of this research field is prospected.Under the background of global warming，the land cryosphere has changed significantly.The melting of ice，snow and frozen ground directly affects the land hydrological processes and regional water resources supply.However，due to the lack of detailed ground observation and a complete description of the physical processes of the cryosphere （especially the frozen ground process），there is still a lack of deep understanding of the cryosphere-hydrology processes.Therefore，building a global land cryosphere-hydrology observation system and developing a cryosphere-hydrology model considering integrated physical processes will be the focus of future research.Regarding the cryosphere as a whole，moving from the exploration of a single element and a single sphere to the scientific systematization of the cryosphere based on the theory of mutual feedback of multi-spheres，focusing on the impact of cryosphere changes on the regional and global water cycle，ecological environment and human social economy，and using interdisciplinary approach and new technologies to carry out systematic research on a global scale are the main directions of future research.

Key words：

global land cryosphere；climate change；hydrological effect；obvervation；hydrological model