基于青藏高原冰芯記錄的長江源區(qū)徑流重建

邵 駿，歐陽碩，郭 衛(wèi)，卜 慧，韓 勇

(1.長江水利委員會水文局，武漢 430010； 2.長江水利委員會 河湖保護與建安中心，武漢 430010)

1 研究背景

長江源區(qū)地處青藏高原腹地，被譽為“中華水塔”“亞洲水塔”，是我國重要的生態(tài)安全屏障、戰(zhàn)略資源儲備基地[1]。在全球氣候變化背景下，長江源區(qū)水資源發(fā)生了很大的變化，具體表現(xiàn)在冰川融化、降水變化以及濕地面積變化[2]。研究長江源區(qū)水資源變化對于氣候變化條件下長江源區(qū)徑流響應(yīng)及流域的水資源管理與保護有著重要意義。然而，由于地處高海拔寒旱地區(qū)，長江源區(qū)氣象站點稀少，水文站點設(shè)立時間有限，因此研究過去時間段水資源變化缺乏觀測資料，為認識水資源歷史變化規(guī)律帶來了一定的困難。

在眾多反映氣候環(huán)境變化的指標中，冰芯穩(wěn)定同位素指標(δ18O和δD)是冰芯記錄研究中必不可少的參數(shù)，是恢復過去氣候變化有效的途徑之一[3]?，F(xiàn)有研究表明，降水中的穩(wěn)定同位素是降水形成時水汽凝結(jié)高度氣溫的函數(shù)，兩極和中高緯度地區(qū)的降水以鋒面雨系統(tǒng)為主，水汽凝結(jié)高度氣溫與近地表氣溫密切相關(guān)，因此降水中δ18O或δD也就成為研究地表氣溫變化的指標[3]。冰芯積累量是冰川上降水量的直接記錄，而且高分辨率冰芯記錄保證了降水記錄的連續(xù)性，提供了一種恢復降水量變化的有效手段[4-6]。從青藏高原鉆取的冰芯同位素和積累量可用來重建溫度和降水變化，是很好的氣候環(huán)境記錄，彌補了高海拔地區(qū)水文氣象資料缺乏的不足。姚檀棟等[7]根據(jù)青藏高原4支記錄超過1 000 a的冰芯10 a平均值變化，研究了青藏高原最近1 000 a來的氣溫變化；利用古里雅冰芯記錄分析了近2 000 a來青藏高原的氣候變化[8-10]，并恢復了該地區(qū)過去400 a來降水變化特征，分析了與周邊地區(qū)降水變化的關(guān)系[4]；利用普若崗日冰芯研究了過去100 a來δ18O記錄變化所反映的地區(qū)氣溫變化[5]?？凳啦萚11]利用各拉丹東冰芯分析了δ18O記錄與夏季氣溫之間的關(guān)系，恢復了近70 a來各拉丹東地區(qū)夏季氣溫的變化歷史。德吉等[12]以青藏高原北部的古里雅冰芯、唐古拉冰芯和南部的達索普冰芯、寧金崗桑冰芯δ18O記錄作為溫度代用指標，研究了過去100 a青藏高原氣溫變化情況。張擁軍等[13]恢復了各拉丹東冰芯近70 a降水中的δ18O記錄，重建了該地區(qū)70 a來的春季和夏季氣溫，并研究了冰芯年積累量變化與大氣環(huán)流的關(guān)系[14]。

現(xiàn)有研究多集中在冰芯同位素和積累量與降水和氣溫之間的關(guān)系上，尚未有研究分析冰芯記錄與徑流變化之間的關(guān)系。本文采用長江源區(qū)沱沱河水文站實測流量數(shù)據(jù)與青藏高原5根冰芯同位素和冰芯凈積累量，研究長江源區(qū)徑流和青藏高原冰芯記錄的變化規(guī)律及兩者之間的相互關(guān)系，在此基礎(chǔ)上重建沱沱河水文站1900年以來徑流系列并分析其變化特征，旨在揭示全球變暖背景下長江源區(qū)徑流變化特征及由氣候變化引起的水文效應(yīng)。

2 研究區(qū)域和研究數(shù)據(jù)

研究區(qū)域沱沱河流域(33°22′N—35°12′N，89°48′E—92°54′E)位于青藏高原腹地，是長江的正源，發(fā)源于青藏高原唐古拉山脈中段各拉丹冬雪山群姜根迪如峰西南側(cè)，全長346 km，流域面積17 600 km2。本次研究徑流資料采用沱沱河水文站1960—2019年實測流量數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)來源于青海省水文水資源勘測局。沱沱河水文站以上的氣象資料由于受實測站點限制，采用沱沱河氣象站的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)來源于國家氣象科學數(shù)據(jù)中心。本次研究選取取自青藏高原不同地點的5根冰芯資料，分別是寧金崗桑冰芯、作求普冰芯、唐古拉冰芯、木孜塔格冰芯和擴擴色勒冰芯，冰芯取樣點位置及資料信息見圖1和表1，數(shù)據(jù)來源于國家青藏高原科學數(shù)據(jù)中心[15]。

圖1 研究采用的冰芯取樣點與沱沱河水文站、沱沱河氣象站地理位置分布Fig.1 Ice core sampling points and Tuotuo River hydrological station and meteorological station

表1 冰芯取樣點地理位置及資料信息

3 研究結(jié)果與分析

3.1 沱沱河站徑流年際變化

(1)采用滑動平均法與Mann-Kendall非參數(shù)檢驗研究沱沱河站徑流的年際變化規(guī)律。沱沱河水文站年徑流量滑動平均曲線和Mann-Kendall曲線如圖2所示。從圖2中易見，沱沱河水文站年徑流量呈現(xiàn)顯著增加的趨勢，尤其是在進入2000年以后，徑流的增加態(tài)勢尤為明顯，并且與沱沱河站降水量增加趨勢保持一致。Mann-Kendall曲線在2002年出現(xiàn)交叉，表明沱沱河水文站徑流在2002年前后發(fā)生突變增加。采用Mann-Kendall檢驗對沱沱河水文站年徑流變化趨勢進行檢驗，ZMK=3.19，通過了置信度為99%的顯著性檢驗，表明年徑流呈現(xiàn)顯著的上升趨勢。本研究與現(xiàn)有研究結(jié)論基本一致[16-20]。

圖2 沱沱河水文站年徑流量滑動平均曲線和Mann-Kendall曲線Fig.2 Moving average curve and Mann-Kendall curve of annual runoff and annual base flow at Tuotuo River hydrological station

(2)進一步分析沱沱河水文站年徑流與氣象因素之間的關(guān)系。選取降水、氣溫、水面蒸發(fā)3個氣象因素，討論其與年徑流之間的相關(guān)性。從圖3中易見，沱沱河年降水量、年均氣溫呈現(xiàn)上升趨勢，水面蒸發(fā)呈現(xiàn)下降趨勢。從降水和氣溫的Mann-Kendall曲線可以看出，兩者均在2001年前后發(fā)生突變，尤其是氣溫變化ZMK=6.02，通過了置信度為99%的顯著性檢驗，表明氣溫呈現(xiàn)顯著的上升趨勢。水面蒸發(fā)反映了蒸發(fā)能力，從水面蒸發(fā)觀測資料來看，1960年以來沱沱河氣象站蒸發(fā)能力呈現(xiàn)不顯著的下降趨勢。

圖3 沱沱河氣象站年降水量、年均氣溫和水面蒸發(fā)變化過程線和Mann-Kendall曲線Fig.3 Moving average curves and Mann-Kendall curves of annual precipitation，annual average temperature and annual water surface evaporation at Tuotuo River meteorological station

采用Pearson相關(guān)分析統(tǒng)計沱沱河水文站年徑流與氣象因素之間的相關(guān)系數(shù)，結(jié)果見表2。從表2中可知，沱沱河水文站年徑流與年降水之間的關(guān)系最為緊密，相關(guān)系數(shù)為0.669，其次為氣溫，相關(guān)系數(shù)為0.525，兩者都通過了置信度為99%的顯著性檢驗。徑流與水面蒸發(fā)呈負相關(guān)關(guān)系，這與水文規(guī)律相符，從多年平均角度來看，降水是徑流的重要補給來源，而蒸發(fā)是主要消耗項[16]。由此可知，對于長江源區(qū)沱沱河流域，影響徑流的主要氣象因素是降水，其次為氣溫，與已有研究結(jié)論基本一致[16，18-19，21-23]。

表2 沱沱河水文站年徑流量與降水、蒸發(fā)、氣溫間的相關(guān)系數(shù)

現(xiàn)有研究表明，青藏高原河川徑流在最近十幾年的變化趨勢主要受降水影響，其次是冰雪融水[24]，部分區(qū)域徑流變化與蒸散發(fā)和土壤儲水量變化也有一定關(guān)系[25]。一般而言，青藏高原北部、東部和東南部地區(qū)，河川徑流主要受降水主導；而在中部和西部地區(qū)，河川徑流受冰川融水或受地下水補給為主，或亦受兩者共同主導[26-27]。

降水變化對長江源區(qū)徑流有直接影響。青藏高原受到西風和季風兩大環(huán)流系統(tǒng)影響，5—9月份暖濕季節(jié)的降水可占全年降水量的80%以上[28]，因此暖濕季節(jié)的降水主導了徑流的年際變化[21]。根據(jù)羅玉等[18-19]的研究成果，夏季降水量對沱沱河流域同期夏季流量有明顯的影響，當夏季降水量偏多時，流域流量偏多，反之亦然。多雨年期間，影響沱沱河流域的水汽主要來源于季風攜帶的孟加拉灣水汽以及中緯度偏西風的水汽輸送，在兩支水汽共同作用下，沱沱河流域上空水汽輸送較多；而少雨期季風攜帶的偏南的水汽較弱，水汽輸送較小[19]。

氣溫對徑流的影響主要體現(xiàn)在冰川融雪補給徑流。氣溫對冰川區(qū)積雪面積的變化影響很大，積雪面積變化和氣溫呈現(xiàn)高度負相關(guān)[29]。長江源區(qū)各拉丹冬冰川作用區(qū)，屬沱沱河流域的冰川面積為389.09 km2，冰儲量為42.146 5 km3，冰川融水是沱沱河的主要補給源[30]，補給率約33.7%[22]。全球變暖導致長江源區(qū)冰川面積總體處于退縮狀態(tài)，2009年冰川總面積在1977年基礎(chǔ)上縮減了126.33 km2，總面積減少了11.8%[31]，其中沱沱河2009年冰川面積較1970年減少20.83%[32]。位于唐古拉山西部沱沱河源頭各拉丹冬地區(qū)的崗加曲巴冰川，2012年較1969年整體縮退了3 660 m、縮退速度85 m/a，姜古迪如北支冰川整體縮退了750 m、縮退速度17 m/a，姜古迪如南支冰川整體縮退了1 500 m、縮退速度35 m/a[33]。因此，長江源區(qū)氣溫急劇上升導致的冰川和積雪融水增多是長江源區(qū)流量急劇增加的重要原因[34]。

3.2 青藏高原冰芯記錄與沱沱河站徑流的關(guān)系

在前文分析沱沱河水文站徑流變化趨勢及影響因素的基礎(chǔ)上，進一步分析青藏高原冰芯記錄與沱沱河站徑流之間的關(guān)系。圖4為研究采用的寧金崗桑冰芯、作求普冰芯、唐古拉冰芯、木孜塔格冰芯和擴擴色勒冰芯δ18O記錄與冰芯積累量(水當量)過程線及10 a滑動平均曲線。由于不同冰芯所在地理位置及海拔高程不同，因此δ18O記錄與冰芯積累量反映出很強的區(qū)域差異性。

圖4 研究采用的冰芯δ18O記錄與冰芯積累量(水當量)過程線及10 a滑動平均曲線Fig.4 Hydrographs and 10-year moving average curves of ice core δ18O records and ice core accumulation

從δ18O記錄來看，寧金崗桑冰芯和作求普冰芯均反映出20世紀80年代以來氣溫上升的趨勢，擴擴色勒冰芯也有上升趨勢，但在20世紀90年代末期達到峰值后出現(xiàn)下降趨勢，唐古拉冰芯和木孜塔格冰芯則變化不大。由于冰芯采樣時間均在2010年前后，因此冰芯δ18O記錄未能完全反映2010年以后青藏高原氣溫突變上升的態(tài)勢。從冰芯積累量來看，寧金崗桑冰芯、作求普冰芯和唐古拉冰芯積累量在20世紀90年代以后呈現(xiàn)下降態(tài)勢，而木孜塔格冰芯和擴擴色勒冰芯則呈現(xiàn)上升的趨勢，尤其以擴擴色勒冰芯上升趨勢最為明顯。

本研究選擇的5根冰芯地跨青藏高原南北、東西，由于不同區(qū)域氣候條件差異較大，可將其分為南、北、西3組，即寧金崗桑冰芯和作求普冰芯代表青藏高原南部地區(qū)，唐古拉冰芯和木孜塔格冰芯代表青藏高原北部地區(qū)，擴擴色勒冰芯代表青藏高原西部地區(qū)。表3和表4分別為不同冰芯之間δ18O記錄與冰芯積累量(水當量)的相關(guān)系數(shù)，其中作求普冰芯與木孜塔格冰芯、擴擴色勒冰芯之間的δ18O記錄存在較高的相關(guān)性，分別通過了置信度為99%、95%的顯著性檢驗，其余冰芯之間δ18O記錄的相關(guān)性較低，寧金崗桑冰芯與大多數(shù)冰芯間的δ18O記錄存在負相關(guān)關(guān)系。從冰芯凈積累量(水當量)之間的相關(guān)關(guān)系來看，所有冰芯之間的凈積累量(水當量)之間相關(guān)系數(shù)均不高。從以上分析可知，青藏高原降水中的δ18O記錄和凈積累量存在較大的地區(qū)差異?，F(xiàn)有研究表明，青藏高原南北區(qū)域氣候存在系統(tǒng)差異。高原南部主要受印度季風的影響，高原北部則在受夏季印度季風影響的同時，冬季還比南部更多地受到西風帶的影響。青藏高原西部夏季主要受印度洋和阿拉伯海水汽的影響，高原東部夏季則會受到太平洋水汽的影響[5]。本次分析的不同冰芯間的相關(guān)性也再次證實了這一點。

表3 不同冰芯δ18O記錄之間的相關(guān)系數(shù)

表4 不同冰芯凈積累量(水當量)之間的相關(guān)系數(shù)

研究發(fā)現(xiàn)，青藏高原冰芯中的δ18O記錄與氣溫存在顯著的正相關(guān)關(guān)系，可作為氣溫代用指標[3，12]，而冰芯中的積累量本身就是冰川降水量的直接記錄[4-6]。3.1節(jié)研究結(jié)果表明長江源區(qū)徑流對降水和氣溫的響應(yīng)較為明顯，2000年以后長江源區(qū)徑流發(fā)生顯著性增加趨勢，因此選取1960—1999年沱沱河水文站年徑流，建立其與冰芯δ18O記錄和積累量之間的相關(guān)關(guān)系，如表5所示。為消除兩者之間的量級差，對數(shù)據(jù)進行歸一化處理。

表5 沱沱河水文站年徑流與不同冰芯δ18O記錄和冰芯積累量(水當量)相關(guān)系數(shù)

從表5可見，沱沱河水文站年徑流與寧金崗桑冰芯δ18O記錄存在顯著正相關(guān)關(guān)系，并通過置信度為99%的顯著性檢驗，與作求普冰芯δ18O記錄存在顯著負相關(guān)關(guān)系，與唐古拉冰芯之間也存在一定的相關(guān)關(guān)系，與木孜塔格冰芯冰芯和擴擴色勒冰芯間基本無相關(guān)性。徑流與冰芯積累量(水當量)以作求普冰芯相關(guān)性最高，寧金崗桑冰芯次之，擴擴色勒冰芯再次，與唐古拉冰芯和木孜塔格冰芯基本無相關(guān)性。

根據(jù)青藏高原已有的冰芯記錄研究成果來看，青藏高原南部和北部降水的控制機制有所不同，高原南部冰芯的積累量變化與北部的變化趨勢恰好相反[14]。從地理位置上來看，寧金崗桑冰川和作求普冰川均位于青藏高原南部，其夏季降水主要為南亞季風帶來的水汽所致[14]。已有研究表明，青藏高原南部冰川區(qū)夏季受南亞季風影響，其δ18O記錄的年平均值與青藏高原北部的夏季降水存在正相關(guān)[36]。在夏季季風期，青藏高原南部的水汽大部分都來自印度洋。同時，源自印度洋的氣團途徑印度次大陸向北輸送，也可把水汽輸送到海拔較高的地區(qū)[37]。長江源區(qū)處在南亞季風影響的北緣，其夏季降水量主要為南亞夏季風帶來的水汽所致[14]?？凳啦萚11]通過對比沱沱河源頭的各拉丹冬冰芯δ18O記錄與周邊氣象站實測降水數(shù)據(jù)后發(fā)現(xiàn)，各拉丹冬冰芯δ18O記錄與南部區(qū)域具有更好的相關(guān)性，說明各拉丹冬和其南部地區(qū)夏季水汽具有更好的同源性。長江源區(qū)沱沱河徑流與青藏高原南部的冰芯δ18O記錄的顯著相關(guān)性也證實了此結(jié)論，即兩者夏季水汽來源具有一定的同源性。

3.3 基于冰芯記錄的沱沱河站徑流重建

沱沱河水文站年徑流與寧金崗桑冰芯δ18O記錄相關(guān)性最高，由此可通過寧金崗桑冰芯δ18O記錄恢復沱沱河1960年以前的徑流。

氣溫對青藏高原徑流的影響機制較為復雜，根據(jù)3.1節(jié)結(jié)論，氣溫主要通過影響冰川融雪從而間接影響河川徑流，而冰芯δ18O記錄作為氣溫的代用指標，其與徑流之間的直接聯(lián)系并不明顯。但是在年代際尺度上，氣溫的變化基本上可以反映區(qū)域氣候變化的趨勢性規(guī)律。

康世昌等[11]研究發(fā)現(xiàn)5 a滑動平均值與氣象臺站氣溫相關(guān)性較好，姚檀棟等[4-5]研究表明青藏高原冰芯δ18O記錄在10 a尺度以上能反映青藏高原氣溫變化。經(jīng)分析，沱沱河水文站1960—1999年平均流量的10 a 滑動平均(相當于低通濾波器)與寧金崗桑冰芯冰芯δ18O記錄10 a滑動平均的相關(guān)系數(shù)達到0.895(圖5)，建立兩者之間的回歸方程為

Q10 a=2.599δ18O10 a+69.732，

(R=0.895，R2=0.802) 。

(1)

式中：Q10 a表示沱沱河年均流量的10 a滑動平均；δ18O10 a表示δ18O記錄的10 a滑動平均。

圖5 沱沱河水文站年均流量與寧金崗桑冰芯δ18O記錄的10 a滑動平均相關(guān)關(guān)系Fig.5 Relation between the annual average runoff in Tuotuo River and the 10-year moving average of Ningjingangsang ice core δ18O record

從沱沱河水文站1960—1999年重建的10 a滑動平均系列與實測值對比(圖6(a))可以看出，兩個系列具有較好的相似性?；謴豌铀恼?900—1960年流量的10 a滑動平均系列成果見圖6(b)。

圖6 沱沱河水文站重建流量10 a滑動平均與實測流量對比和恢復的1960年之前系列Fig.6 Comparison between the 10-year moving average of reconstructed flow at Tuotuo River Station and the measured flow and pre-1960 series reconstructed flow

從重建徑流可以看出，長江源區(qū)沱沱河年徑流自1900年以來經(jīng)歷了豐水(1910年代以前)→平水(1920—1940年代)→豐水(1950—1960年代)→枯水(1970—1980年代)→豐水(1990年代以后)的變化過程。不少學者研究了20世紀北半球和青藏高原的氣溫變化，發(fā)現(xiàn)高原氣候在20世紀20年代初、50—60年代和80年代初發(fā)生了3次突變，其中第一次和第三次為從冷變到暖，稱為“暖突變”，第二次是從暖變到冷，稱為“冷突變”。湯懋蒼等[35]研究認為“暖突變年”分別出現(xiàn)在1923年和1978年，“冷突變年”出現(xiàn)在1963年。德吉等[12]研究發(fā)現(xiàn)青藏高原過去100 a來共出現(xiàn)1910年左右、1920年左右、1950年左右、1970年代4個冷期，各冷期之間對應(yīng)出現(xiàn)4次暖期，并且變冷的程度越來越弱而變暖的程度越來越強。本文重建的長江源區(qū)徑流也基本上反映出上述演變規(guī)律，由此從側(cè)面印證了重建徑流的大致變化趨勢與合理性。

4 結(jié)論與展望

本文利用沱沱河水文站和氣象站實測水文氣象資料分析了沱沱河徑流變化趨勢及與氣候影響因素之間的關(guān)系。根據(jù)青藏高原5根冰芯資料，研究了沱沱河徑流與冰芯δ18O記錄與冰芯積累量之間的關(guān)聯(lián)性，在此基礎(chǔ)上重建了沱沱河1900年以來的流量系列。通過上述研究得到以下結(jié)論：

(1)沱沱河水文站年徑流量呈現(xiàn)顯著增加的趨勢，尤其是在進入2000年以后，徑流的增加態(tài)勢尤為明顯。在影響徑流的主要氣象因素中，降水變化對長江源區(qū)徑流有直接影響，而氣溫對徑流的影響主要體現(xiàn)在冰川融雪補給徑流。通過分析長江源區(qū)冰川變化情況，長江源區(qū)氣溫急劇上升導致的冰川和積雪融水增多是長江源區(qū)流量急劇增加的重要原因。

(2)分析青藏高原寧金崗桑冰芯、作求普冰芯、唐古拉冰芯、木孜塔格冰芯和擴擴色勒冰芯共5根冰芯δ18O記錄與冰芯積累量后可知，不同冰芯記錄反映出較強的區(qū)域差異性，青藏高原南北區(qū)域氣候變化存在的系統(tǒng)差異對冰芯記錄有著直接影響。

(3)沱沱河水文站年徑流與寧金崗桑冰芯δ18O記錄存在顯著正相關(guān)關(guān)系，其主要原因在于寧金崗桑冰川位于青藏高原南部，其夏季降水主要受南亞季風帶來的水汽影響，與沱沱河地區(qū)夏季水汽具有更好的同源性。

(4)通過寧金崗桑冰芯δ18O記錄恢復了沱沱河水文站1900—1960年的10 a滑動平均徑流系列。對重建系列分析后可知，長江源區(qū)沱沱河水文站年徑流自1900年以來，經(jīng)歷了1910年代、1950年代、1990年代3次豐枯轉(zhuǎn)換過程，其時間點與青藏高原發(fā)生的3次氣候突變大致吻合。

需要說明的是，氣候與徑流變化之間的關(guān)系是十分復雜的，要回答兩者之間的作用機制還需要做深入細致的研究。本文從數(shù)理統(tǒng)計角度初步分析了長江源區(qū)徑流變化的影響因素及其與青藏高原冰芯記錄之間的關(guān)系，重建了沱沱河徑流系列，其基礎(chǔ)是建立在δ18O記錄與徑流之間的統(tǒng)計學規(guī)律上。而冰芯凈積累量作為降水的直接記錄，反而與徑流的關(guān)聯(lián)性不大，說明長江源區(qū)降水受南亞季風影響的同時，受高原自身水汽來源的影響也較大，從而導致局部降水區(qū)域性差異較大，不能完全反映流域面上的降水情況。在全球氣候變暖的背景下，青藏高原氣溫上升幅度是同期全球平均值的2倍。一方面氣溫升高導致冰雪提前消融、冰川強烈退縮，從而直接影響河川徑流，另一方面氣溫升高導致青藏高原熱低壓和夏季風的加強，強化了孟加拉灣和阿拉伯海水汽向青藏高原輸送，導致青藏高原降水增加，也間接地影響河川徑流，由此導致青藏高原地表水循環(huán)格局發(fā)生重大變化。青藏高原冰川、凍土、濕地、湖泊、氣溫、降水和徑流的急劇變化，嚴重影響了青藏高原作為“亞洲水塔”對水資源的調(diào)蓄作用，對社會經(jīng)濟發(fā)展和人類生存環(huán)境造成了重大影響。今后還需要進一步對青藏高原整體和區(qū)域水循環(huán)的機制以及不同相態(tài)水體間的轉(zhuǎn)化和響應(yīng)機理進行深入研究，并提出對策措施，最大限度減少氣候變化帶來的負面影響。