气候变化和人类活动影响下的北大河流域径流变化分析

基于北大河流域周边台站的气象水文数据,综合运用趋势分析、Mann-Kendall突变检测和Hurst指数(R/S分析法)等方法,从气候变化和人类活动两个方面分析了流域径流的变化趋势及原因,重点探讨了冰川变化对河川径流的影响。结果表明:1950s-2015年,北大河流域整体上呈现增温增湿的变化趋势,其中升温趋势显著,而降水增加不明显。气候变化在山区和平原区特点不同,山区增温增湿的幅度明显高于平原区。气温和降水年际变化序列都具有持续性,未来气温将持续快速上升,降水将微弱增加。径流的年际变化呈现不显著的减少趋势,减少率为0. 11×10~8m~3/10a,且未出现明显的突变点。流域内人类活动对径流的影响极小,气候变化是引起径流变化的主要原因。在1980s-1990s,山区降水的阶段性减少以及冰川处于相对稳定状态造成河流径流的持续减少,并在1990s后期达到最少;2000年以来,持续增温造成冰川融水急剧增加成为近期径流增加的主要原因,气候转型引起的降水增加也在一定程度上加剧径流增加。     

祁连山区气候变化与流域径流特征研究

用气候学、水文学及统计学方法,分析了国家级祁连山森林生态站长期定位监测数据,气温、降水对流域径流的影响关系,据此研究了该流域水热条件下流域径流,分析得出试验流域多年平均降水量为354.3mm,年平均气温为1.6℃,年平均出山径流为118.2mm,径流系数为0.33;随着季节温度的升高,径流量呈增加之势,反之亦然;随季节降水量的增加,径流量同时也呈增加的趋势。研究表明了温度、降水与流域出山径流量密切相关,为不同季节气候变化对流域径流的影响提供科学依据。     

托木尔峰青冰滩72号冰川流域同位素特征及径流分割研究

利用2010年8月在托木尔峰青冰滩72号冰川流域采集的不同水体样品,分析了典型冰川流域的氢氧同位素变化特征,并进行了初步的径流分割研究.结果表明,青冰滩72号冰川流域河水、冰川融水、降水中δ18O和δD含量存在显著差异;根据河水、冰川融水和降水中δ18O和δD比值关系,得出托木尔峰青冰滩72号冰川流域河水由冰川融水和降水组成;在夏季洪水期,进一步通过二元分割模型计算得出,冰川融水所占比率为74.8％,降水所占比率为25.2％,冰川融水是托木尔峰青冰滩72号冰川流域径流的主要补给来源.     

1961-2010年白龙江上游水文气象要素变化规律分析

以1961-2010年白龙江流域月均温、月降水和上游武都水文站月径流资料为基础,采用Mann-Kendall法、R/S分析法和Morlet小波分析法,研究了白龙江上游水文气象要素的变化特征,并采用多元线性回归分析法探讨了气候变化和人类活动对径流变化的影响.结果表明:近50年来白龙江上游气温显著上升,降水微弱减少,径流显著减少.在未来一段时段内气温仍将持续上升,降水微弱增加,径流持续减少.气温、降水、径流具有多时间尺度特性,年均温、年降水和年径流有6-7年、12-13年、20年准周期.1961-1990年径流变化主要受气候变化影响,人类活动影响较小.1991-2010年径流变化受气候变化和人类活动的综合影响,两者作用相当.     

西北干旱区近50年气候变化对出山径流的影响分析——以黑河流域为例

对黑河上游山区1956—2004a祁连站气温与降水数据、莺落峡水文站出山径流进行各季年均值变化分析、基于MathCAD对气温和降水分别与出山径流的关系进行相关分析,发现近50a黑河流域气温与降水的变化没有显著的相关性,降水变化与径流的变化表现出正相关,而气温与径流则没有相关性。近50a降水各季变化没有一致性,却出现一定的规律,即春季持平,夏秋下降,而冬季增加。相对于降水而言,气温变化则表现出各季之间的一致性趋势,即近10a表现出明显的增温趋势,而且增温幅度相似,都在2℃左右。另外对气温与降水对出山径流的影响做了量化,降水与径流的相关系数为0.557,而气温与径流的相关系数只有0.045左右;根据影响径流的气候因子所占权重,集成气候(无量纲)变化曲线,显示出与径流变化的一致性,即气候变化对径流变化有明显的影响;依据本文分析和总结,预计今后10—20a气温、降水都将有升高或增加趋势,届时出山径流将相应增加。     

新疆克里雅河径流量变化的气候响应

基于1957—2013年克里雅河源流区兰干水文站径流、气温、降水观测数据,运用小波分析、M-K突变等方法,以时间序列进行非线性、多尺度响应分析。结果表明:(1)克里雅河径流量和气温呈非线性显著上升,降水量和蒸发量略有上升。(2)在年际尺度上,源流区径流存在8 a周期,气温、降水存在12 a周期;在年代际尺度上,径流存在22 a周期,气温、降水、蒸发量存在28 a周期,同时蒸发量还存有22 a周期。(3)在年际尺度上,径流与降水成正相关,而与气温、蒸发量成负相关;在年代际尺度上,径流与气温相关性更高,受气温影响更显著。(4)在周期振荡上,气温与蒸发量具有一致性;在对气候变化响应上,径流对气温、降水、蒸发变化呈交错滞后响应,该模式对克里雅河径流有削丰补枯的调节作用。(5)与乌鲁木齐河相比,克里雅河径流较乌鲁木齐河在突变时间上存在近10 a滞后,20世纪90年代克里雅河流域气温的异常偏低是引起突变滞后的主要原因。     

黑河流域近期气候变化对水资源的影响分析

利用典型气象站近50a的气温、降水资料,分析了黑河流域的气候变化特征。在近50a当中,黑河流域的气候发生了显著的变化:主要表现在气温的升高和降雨量的增加。升温率远远大于同期北半球的平均升温率,尤其是近几年来增温幅度之大是几十年来所罕见的;降水量的增加虽然没有气温增加那么明显,但总的趋势是增加的。在此基础上,进一步分析了黑河流域气候变化对区域水文水资源的影响,并根据气候变化的特点对气候要素与径流量变化进行了相关性分析,得出降水与径流的相关系数为0.393,气温与径流的相关系数为0.146,所以降水和气温与径流都呈现出正相关关系。最后得出结论:在过去50a里径流的总体趋势在波动中缓慢增大,未来10a径流仍将继续缓慢增大。     

近60a黄河流域地表径流变化特征及其与气候变化的关系

利用气温、降水量和NCEP/NCAR地表径流资料,运用线性趋势系数、相关系数和不规则区域网格化方法,研究了近60a来黄河流域地表径流的变化及其与气候因素的相关关系。结果表明:1951-2010年整个黄河流域均为升温趋势,北部升温幅度高于南部;降水量正趋势主要位于黄河源区,中、下游地区为负趋势;地表径流变化在黄河源区(处于青藏高原)和河套北部(阴山南麓)呈现为增加趋势,其余广大的地区呈现为减少趋势;从不同年代的地表径流来看,不论是黄河源区还是广大的中、下游地区,上世纪60年代的径流量均是最高的,而二十一世纪10年代径流量是最低的;从整个流域来看,径流量与气温和降水均有较好的相关性。在黄河源区以外的流域内,降水与径流的关系好于气温,而在黄河源区则相反,不同区域差异的原因有待进一步研究。     

1957-2009年祁连山老虎沟流域冰川变化遥感研究

利用1:50000地形图,4期Landsat TM遥感影像及2009年RTK冰川边界测量结果,获得了1957-2009年间老虎沟冰川流域的面积变化特征,结合气候变化背景资料,探讨了冰川面积变化对气候变化的响应。结果表明:目视解译是老虎沟流域冰川变化遥感研究的最优方法;1957-2009年间老虎沟冰川面积共减少了11.59%,以1994-1999年间的缩减最为显著,1999-2009年间的变化次之,1957-1994年变化最小。冰川缩减率与气温增加值成正比,与冰川规模成反比。该结果为进一步丰富冰川变化及水资源研究奠定了基础,具有重要的科研价值和社会意义。     

黑河中游张掖地区近48a气候变化及径流的响应

将现代气候统计诊断与预测技术和地理信息系统(GIS)的地学统计方法中的Kriging插值结合,分析了位于黑河中游张掖地区6个气象站的近48a的气温和降水的时空变化,并且空间显示了各季节的气温和降水变化。结果表明:张掖地区6站的年均气温在3.97-8.04℃之间,变暖最快的是山丹站气温倾向率为0.47℃/10a,变暖最缓慢的是高台站气温倾向率为0.19℃/10a。年均气温最低出现在1956年,为2.5℃,最高值出现在1998年,为9.06℃;降水地域分布不均衡,地区降水差值可达200mm以上。夏季张掖地区的降水变化范围为67.11-193.30mm,冬季降水是4.69-10.48mm,表明降水季节分配不均,且冬、夏降水变化幅度大;张掖地区气温在1991年开始发生突变,气温增加趋势明显。西支流地区和整个张掖地区气温突变时间一致,东支流气温突变是在1993年和整个张掖地区相比推迟了2年。整个张掖地区包括西支流和东支流在降水的时间的变化上没有发生突变。张掖地区年水变化周期现象明显,第一主周期为15年第二主周期为7年,但年均气温变化周期现象不明显;平原地区气温不是影响径流最根本的决定因素,但对河流径流的影响是正向的。降水和径流虽然在时间上拟合,径流总体的变化趋势在减少,但径流的降幅比降水要大。     

中亚高山冰川表面高程变化时序重建

中亚高山冰川区地形复杂，站点观测和传统实地测量范围十分有限。卫星激光测高技术可实现大范围冰川表面高程变化监测。以2003—2009年ICESat激光测高数据为数据源，参考2000年的SRTM高程数据，建立冰川区点云去噪及其精度优化算法和多尺度冰川区表面高程时空变化分析模型，并分析了2003—2009年间中亚山区整体与各分区冰川表面高程时序变化。结果表明：中亚高山冰川区的冰川表面平均高程整体呈下降趋势，表现出明显的区域差异。其中，2003—2009年中亚冰川表面高程总体下降了9.59±1.89 m;Ⅰ区（即西藏和青海南部）的冰川表面高程下降了6.51±2.9 m;Ⅱ区（即新疆、青海北部和甘肃部分地区）下降了7.87±5.03 m;Ⅲ区（即中国境外，中亚地区的部分国家）下降了9.81±5.1 m，且监测到2004—2005年冰川表面高程上升。本研究方法对冰川区点云类高程脚点监测具有一定的通用性，但对基准DEM的依赖度较高。     

近40a来南阿尔泰山区现代冰川变化及其对气候变化的响应

以1972,1989,2000,2011四个不同时段的遥感影像资料为基础,通过计算机自动提取结合人工解译获得研究区各时段冰川信息。参考世界冰川编目(WGI)分别对分布在中国、俄罗斯和哈萨克斯坦境内的冰川进行编目及属性更新,完成南阿尔泰山蒙古境内冰川编目。对不同时段冰川信息进行对比,并结合气温、降水等气候资料对其变化特征进行分析。结果表明:(1)1972-2011a,南阿尔泰山区冰川总面积从633.91km2减少至329.03km2,退缩面积304.88km2,占1972a冰川总面积的48.1%;(2)不同面积等级冰川数量与面积变化呈反相关关系,小冰川对气候的响应更为敏感;(3)研究区各坡向冰川均在退缩,其中南向、东北向、东向、北向退缩较快,西向、西南向、东南向、西北向相对缓慢;(4)1972-2008a研究区增温显著,降水以1987a为界先增后波动中稳定,二者的水热组合是区内冰川退缩的主要原因。     

Spatial variability between glacier mass balance and environmental factors in the High Mountain Asia

High Mountain Asia (HMA) region contains the world's highest peaks and the largest concentration of glaciers except for the polar regions, making it sensitive to global climate change. In the context of global warming, most glaciers in the HMA show various degrees of negative mass balance, while some show positive or near-neutral balance. Many studies have reported that spatial heterogeneity in glacier mass balance is strongly related to a combination of climate parameters. However, this spatial heterogeneity may vary according to the dynamic patterns of climate change at regional or continental scale. The reasons for this may be related to non-climatic factors. To understand the mechanisms by which spatial heterogeneity forms, it is necessary to establish the relationships between glacier mass balance and environmental factors related to topography and morphology. In this study, climate, topography, morphology, and other environmental factors are investigated. Geodetector and linear regression analysis were used to explore the driving factors of spatial variability of glacier mass balance in the HMA by using elevation change data during 2000-2016. The results show that the coverage of supraglacial debris is an essential factor affecting the spatial heterogeneity of glacier mass balance, followed by climatic factors and topographic factors, especially the median elevation and slope in the HMA. There are some differences among mountain regions and the explanatory power of climatic factors on the spatial differentiation of glacier mass balance in each mountain region is weak, indicating that climatic background of each mountain region is similar. Therefore, under similar climatic backgrounds, the median elevation and slope are most correlated with glacier mass balance. The interaction of various factors is enhanced, but no unified interaction factor plays a primary role. Topographic and morphological factors also control the spatial heterogeneity of glacier mass balance by influencing its sensitivity to climate change. In conclusion, geodetector method provides an objective framework for revealing the factors controlling glacier mass balance.     

Five decades of glacier changes in the Hulugou Basin of central Qilian Mountains,Northwest China

The Heihe River Basin is the second largest inland river basin in the arid regions of Northwest China. Glaciers provide a large proportion of water resources for human production and living. Studies of glacier changes and their impact on water resources in the arid lands are of vital importance. A joint expedition was carried out in 2010 for investigating glaciers in the Hulugou Basin, which is located in the upper reaches of Heihe River. Therefore, glacier changes in the Hulugou Basin of central Qilian Mountains during the past 50 years were analyzed in this study by comparing topographic maps, satellite images, digital elevation models and field observation data from different periods. Results showed that the total area of the 6 glaciers in the Hulugou Basin decreased by 0.590±0.005 km2 during the period 1956–2011, corresponding to a loss of 40.7% over the total area in 1956. The average area reduction rate of the 6 glaciers is 0.011 km2/a. During the past five decades, the glacier shrinkage was accelerated. The changes in glacier ice surface elevation ranged from –15 to 3 m with an average thinning of 10±8 m or an annual decrease of 0.23±0.18 m(0.20±0.15 m/a water equivalent) for the period 1956–2000. The area of Shiyi Glacier in the Hulugou Basin decreased from 0.64 km2 in 1956 to 0.53 km2 in 2011 with a reduction rate of 17.2%. The Shiyi Glacier had been divided into two separated glaciers because of severe melting. Comparative analysis showed that glacier shrinkage in the Hulugou Basin is more serious than that in the other regions of Qilian Mountains.     

1973-2010年布喀塔格峰冰川波动对气候变化的响应

通过遥感图像处理技术和目视解译方法提取1973-2010年位于昆仑山中段的布喀塔格峰冰川界限,用GIS分析近37a冰川面积变化,并系统地研究其对气候变化的响应情况。结果表明:1973-2010年布喀塔格峰冰帽表现先扩大(1973-1976年)后退缩(1976-2010年)趋势,总面积缩小了5.42%,每年退缩0.14%。分析1960-2010年研究区的气候变化特征,发现布喀塔格峰冰帽退缩的关键因素是气候变暖,年降水量的增加不能够抵消由夏季温度剧烈上升导致的冰川消融率,并且地形条件、地理位置以及冰川规模都是影响冰川波动的重要因素。     

近40年东帕米尔高原冰川变化及其对气候的响应

以1972年、2000年和2011年Landsat Mss/TM/ETM+遥感影像处理和目视解译结果为依据,分析了东帕米尔高原1972～2011年冰川变化情况。结果表明:1972～2011年研究区冰川面积、储量减少了103.97km2和8.04km3,分别占1972年冰川总面积、储量的5.79%和6.69%。但冰川退缩具有不等速性,1972～2000年面积、储量年退缩百分比分别为0.182%和0.212%,而2000～2011年仅为0.045%和0.048%。对流域内两个气象站气候资料的分析表明:1972～2000年冰川快速退缩与1970～1980年气温偏高而降水偏少有关,2000～2011年冰川退缩趋缓与80年代以后相对低温和湿润气候相关。     

近40年来念青唐古拉山东段则普乡地区冰川与气候变化研究

基于1970年冰川编目数据、1999年和2011年ETM+数据,利用决策树分类和目视解译方法提取了念青唐古拉山东段则普乡地区则普冰川、则普北冰川和央别贡冰川边界,并结合丁青和波密站的气温、降水量资料分析研究区冰川变化原因.结果表明:1970-2011年冰川总体呈退缩状态,冰川面积共减少81.51km2,各冰川在1970-1999年退缩速率均大于1999-2011年,冰川退缩具有减缓趋势;温度升高是近40a来冰川退缩的主导因素,而1990-2001年降水增加是冰川减缓退缩的主要原因.冰川相对变化率随冰川规模增大而减小,即小规模冰川对气候变化响应更为敏感.依据气象资料,对研究区未来十几年冰川变化情况作初步预测,认为研究区冰川将呈加速退缩趋势.     

The role of glacial gravel in community development of vascular plants on the glacier forelands of the Third Pole

On a deglaciated terrain, glacial gravel is the primary component of the natural habitat for vascular plant colonization and succession. Knowledge regarding the role of glacial gravel in vascular plant growth, however, remains limited. In this study, an unmanned aerial vehicle (UAV) was used to investigate plant family composition, species richness, fractional vegetation cover (FVC), and gravel cover (GC) along elevational gradients on the three glacier forelands (Kekesayi, Jiangmanjiaer, and Koxkar Baxi) of the Third Pole (including the eastern Pamir Plateau and western Tianshan Mountains) in China. We then analyzed the spatial characteristics of vascular plants followed by exploring the effect of glacial gravel on vascular plants. Findings indicated that FVC on these glacier forelands generally decreased as the elevation increased or distance from the current glacier terminus decreased. The shady slope (Kekesayi) was more vegetated in comparison to the sunny slope (Jiangmanjiaer) at the glacier basin scale, and the warm and humid deglaciated terrain (Koxkar Baxi) had the highest FVC at the regional scale. Plant family composition and species richness on the glacier forelands decreased with rising elevation, with the exception of those on the Jiangmanjiaer glacier foreland. The relationships between FVC and GC presented negative correlations; particularly, they exhibited variations in power functions on the Kekesayi and Jiangmanjiaer glacier forelands of the eastern Pamir Plateau and a linear function on the Koxkar Baxi glacier foreland of the western Tianshan Mountains. Glacial gravel was found to be conducive to vegetation colonization and development in the early succession stage up until vascular plants adapted to the cold and arid climatic condition, whereas it is unfavorable to the expansion of vascular plants in the later succession stage. These findings suggested that the spatial difference of plant characteristics had close connections with regional climatic and topographic conditions, as well as glacial gravel distribution. In addition, we concluded that aerial photographs can be an asset for studying the functions of micro-environment in vegetation colonization as well as succession on the glacier forelands.     

近23年来北天山冰川面积变化对气候的响应

利用1989、1998、2011年的Landsat TM、ETM+遥感影像为数据源,运用比值阈值法(b3/b5)结合目视解译方法,提取了北天山3个时段的冰川边界,并在地理信息系统技术支持下分析了该区域冰川的变化情况。研究表明:北天山整体变化幅度较大,冰川表现为萎缩的趋势,近23年来冰川面积减小了14.93%。分析认为,较大的变化率是由于研究区面积<1km2的冰川数量占总数的比重较大(近80%)造成的。同时分析了北天山冰川空间结构特征,<0.5km2面积的冰川对气候变化最为敏感,消融率最高,1～5km2面积的冰川对消融总量贡献比例最大。依据分形理论对未来冰川变化进行初步预测,分析认为研究区冰川的消融率仍保持比较高的状态。