貴州省臺蘭河流域平均冰雪物質平衡分析

青藏高原水資源是中國西部干旱地區重要的水資源，穩定了河流和水文的變化。夏季氣溫的上升也是河流和洪水的主要原因。冰川是一個地勢平坦的水庫。氣候變化對河流資源的產生和洪水的發生起著重要作用。冷川變化、冰川水資源變化以及岡里木河的管理和供水安全是必要和緊迫的。塔里木盆地內部和流域內有145285條現代河流，面積23.628.98km2，冰儲量2869.4333.42hm。每年大壩建設150.108m3，約占流域總面積的40%。該地區的河流資產組成中占有重要地位。1流域內長度、形貌及降水特征臺蘭河流域位于天山最高峰托木爾峰(海拔7435.3m)南坡,河流最終注入塔里木盆地.以臺蘭河水文站控制的流域面積1324km2,流域最高點為托木爾峰,最低點為臺蘭水文站(海拔1550m).臺蘭河流域共發育現代冰川115條,冰川總面積431km2,冰川儲量73.132km3,平均雪線海拔4290m.流域內長度超過10km的冰川有4條,總面積達307.7km2,占流域冰川總面積的71.2%,流域內最大冰川為瓊臺蘭冰川,長度為21.4km,冰川面積達165.4km2.流域內冰川末端最低海拔3080m,最高海拔5800m,冰川覆蓋度32.6%.根據氣象觀測和1977—1978年的科學考察,本區山區的降水主要來自大西洋和北冰洋的暖濕氣流補給,6～8月的降水量占全年的50%左右,而5～9月占70%左右,因此,冰川的補給主要發生在暖季.流域山區的降水量與其北側天山的昭蘇站和天山內部的巴音布魯克站比較接近,其月季變化趨勢也比較一致.近40a來本區氣溫呈升溫的變化趨勢,天山山區平均氣溫在4個10a中升高了0.6℃.各季的氣溫變化也呈現出波動特征,夏、秋、冬三季均呈明顯的上升趨勢,其中秋季上升幅度最大,為1.1℃,冬、夏兩季上升幅度同為0.7℃,春季變化不大.秋冬升溫使得冰川冷儲減少,冰溫升高,夏季很短的升溫都會使冰川大量消融.夏季急劇的升溫可能引起冰川洪水的發生,產生嚴重的災害.2主要結果的驗證在流域尺度范圍內,冰川物質平衡變化具有相似的時空變化特征.在研究中國冰川水文和氣候的分布特征時,我們發現在西部的高山、高原地區,流域范圍內的降水和徑流的分布等值與其所占面積之間都呈負指數關系.有冰川分布的流域中,冰川覆蓋區是流域內降水量、徑流量和徑流系數分布的最大區域.從統計力學和最大熵原理出發,依據以上的降水和徑流分布特征,推導出了一組以水文、氣象觀測數據計算流域冰川平均物質平衡的公式.依據這些公式,應用有多年觀測的水文站記錄的徑流和降水資料,就可以恢復流域冰川平均物質平衡各分量的逐年值序列.在臺蘭河流域的冰川物質平衡計算中,應用了臺蘭水文站的徑流資料,對于高山冰川區的降水計算(積累量)采用了天山巴音布魯克站的降水量變化趨勢.通過計算獲得流域的水文和冰川多年平均特征值(表1),并依據降水和徑流的年變化,恢復了流域逐年平均冰川物質平衡變化序列(圖1).對計算的流域平均冰川物質平衡的結果精度,以1977—1978年中國科學院天山托木爾峰登上科學考察隊的冰川水文觀測結果進行驗證.據蘇珍等1977/1978年度的觀測計算,1978年臺蘭冰川的平均總消融深為1361mm,平均總積累量為1200mm,而我們的計算結果為平均總消融深1529mm,平均總積累量1173mm.對比觀測和計算結果,計算的積累量少了2.3%,觀測的總消融深如果考慮10%的蒸發消耗,實際應當為1497mm,則計算的消融量結果偏多2.1%.以上驗證結果精度還是相當高的,計算結果是可信的.3臺蘭河流域冰流速及冰流速臺蘭河流域冰川融水占臺蘭站控制流量比率達65.3%,冰川融水的變化對流域的水資源量影響是非常明顯的.臺蘭河流域1957—2000年的年平均徑流量為7.512×108m3,徑流量在1982年后急劇增加,1999年的徑流量比1981年增加了3.5×108m3,即增加了58%(圖2).根據敏感性分析,臺蘭河流域冰川物質平衡變化100mm,可引起流域平均徑流深變化30mm或徑流量變化0.23×108m3.44a累計冰川物質平衡-12.6m,相當于額外補給河流徑流量54.5×108m3;44a來由于氣溫升高引起的冰川凈消融-287.15m·a-1,相當于每年額外補給河流1.24×108m3,占河流年徑流量的15%.1957—1986年平均冰川消融對河流的額外凈補給量占河流年徑流量的13%,而1987—2000年達23%(表2).根據冰川物質平衡的敏感性分析,氣溫變化1℃,流域冰川物質平衡變化約300mm,年徑流變化在臺蘭河可達16%.這意味著,隨著新疆氣候由暖干向暖濕轉型,雖然降水量增加,但冰川對氣溫的敏感性更大,冰川消融加快,冰川融水量持續增加.4區域氣溫、徑流和氣候變化施雅風等對西北近年來的降水、徑流、洪水、湖泊等變化分析,發現1987年以來西北西部和中部地區氣候發生了由暖干向暖濕的轉型,作為天山西段的臺蘭河流域也發生了明顯的變化.對臺蘭河流域計算的1957—2000年年平均冰川物質平衡結果進行距平累計(圖3),可以發現,1982年是一個轉折年,1957—1981年累計距平物質平衡量達到3000mm,而1982—2000年累計距平物質平衡量呈下降.但臺蘭河的累計距平徑流量的變化以1987年為轉折年,1957—1986年呈下降趨勢,1987—2000年持續上升(圖4).對臺蘭河流域東西兩側的庫車河蘭干站、昆馬力克的協合拉站及托什干河的沙里桂蘭克站的氣溫和降水變化分析,降水和氣溫的模比系數距平累計結果表明(圖5a,b),3站的氣溫在1982—1987年相繼發生了明顯的轉變,其中以蘭干站氣溫1987年轉型最為顯著(圖5a).3站的降水量變化東側的蘭干站在1987年發生明顯轉型,其后西側在1989年前后發生轉型變化(圖5b).臺蘭河處于上述3站的中間,流域中冰川覆蓋度大,冰川融水在流域徑流量中占的也非常多,冰川融水對氣溫的敏感性高,隨著區域氣溫的明顯轉變,河流徑流量在1987年也發生了轉型.冰川物質平衡在1982年發生轉型的原因可能是由于冰川處于較高海拔,對氣溫的反應敏感,所以轉型的時間較早.由于本區處于西風帶的影響和控制下,降水主要來自大西洋和北冰洋的暖濕氣流補給,所以作為影響北半球氣候變化的重要驅動因子,北大西洋濤動(NorthAtlanticOscillation,NAO)和北極濤動(ArcticOscillation,AO)對本區的遙相關聯系應當給予考慮.北極濤動對北半球氣候環境具有廣泛的影響,而北大西洋濤動是北極濤動的一個方面或部分.它們的波動可以描述北極地區和中緯度地區氣壓場的變化,其標準化指數在正位相和負位相來回震蕩.人們發現AO與歐亞大陸上的地面氣溫變化具高度的耦合性,北極濤動的正極性表現為從地面到同溫層下部的極地渦流增強,這時北大西洋的暴風雨會把大量的降水帶給歐洲北部,而地中海以干旱為主;在負位相,其結果相反.北大西洋濤動波動具有類似的效應,正位相由于北大西洋的亞述爾高壓和冰島低壓活動增強,使得歐亞大陸北部上空產生顯著的西風急流,降水量大于正常水平,北半球的大部分氣溫也高于正常水平;負位相時,上述兩個氣壓中心活動減弱,引起歐亞大陸上空的西風氣流也減弱,并出現較冷的天氣.對1956—2000年的北極濤動和北大西洋濤動指數的距平累計分析(圖6a,b),發現1956—1971年是持續負位相期,1972—1986年處于正負波動期,而1987—2000年基本上是持續正位相期,并且強度明顯增強.這個結果和西北地區1987年開始氣候轉型,氣溫明顯升高、降水量增強的結論相一致,說明西北地區氣候轉型的原因是和北大西洋向東輸送的水汽增加、西風氣流加強有關.1982年后臺蘭河流域冰川物質平衡持續負平衡和北極濤動的增強是一致的,1987年開始的西北氣候轉型是北大西洋大氣環流結構在1971—1986年調整后,大氣環流結構穩定到一個新水平上的結果.如果沒有重大氣候影響因素的改變,這一過程將會持續在一個較長時間尺度,其結果將強烈的影響著天山地區的冰川和河流水文變化.5冰流速及徑流水資源量恢復重建臺蘭河流域平均冰川物質平衡各分量的逐年值序列結果顯示,1957—2000年冰川年平均物質平衡為-287mm,累計冰川物質平衡-12.6m;臺蘭河流域冰川融水占臺蘭站控制流量比率達65.3%,冰川融水的變化對流域的水資源量影響是非常明顯的.44a來由于氣溫升溫引起的冰川凈消融相當于每年補給河流1.24×108m3,占河流年徑流量的15%.1982年以后,臺蘭河流域冰川物質平