貴州省臺蘭河流域平均冰雪物質(zhì)平衡分析

貴州省臺蘭河流域平均冰雪物質(zhì)平衡分析

青藏高原水資源是中國西部干旱地區(qū)重要的水資源，穩(wěn)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(chǎn)生和洪水的發(fā)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(nèi)部和流域內(nèi)有145285條現(xiàn)代河流，面積23.628.98km2，冰儲量2869.4333.42hm。每年大壩建設(shè)150.108m3，約占流域總面積的40%。該地區(qū)的河流資產(chǎn)組成中占有重要地位。1流域內(nèi)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(fā)育現(xiàn)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(nèi)長度超過10km的冰川有4條,總面積達(dá)307.7km2,占流域冰川總面積的71.2%,流域內(nèi)最大冰川為瓊臺蘭冰川,長度為21.4km,冰川面積達(dá)165.4km2.流域內(nèi)冰川末端最低海拔3080m,最高海拔5800m,冰川覆蓋度32.6%.根據(jù)氣象觀測和1977—1978年的科學(xué)考察,本區(qū)山區(qū)的降水主要來自大西洋和北冰洋的暖濕氣流補(bǔ)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(bǔ)給主要發(fā)生在暖季.流域山區(qū)的降水量與其北側(cè)天山的昭蘇站和天山內(nèi)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(qū)氣溫呈升溫的變化趨勢,天山山區(qū)平均氣溫在4個10a中升高了0.6℃.各季的氣溫變化也呈現(xiàn)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(fā)生,產(chǎn)生嚴(yán)重的災(zāi)害.2主要結(jié)果的驗證在流域尺度范圍內(nèi),冰川物質(zhì)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(fā)現(xiàn)在西部的高山、高原地區(qū),流域范圍內(nèi)的降水和徑流的分布等值與其所占面積之間都呈負(fù)指數(shù)關(guān)系.有冰川分布的流域中,冰川覆蓋區(qū)是流域內(nèi)降水量、徑流量和徑流系數(shù)分布的最大區(qū)域.從統(tǒng)計力學(xué)和最大熵原理出發(fā),依據(jù)以上的降水和徑流分布特征,推導(dǎo)出了一組以水文、氣象觀測數(shù)據(jù)計算流域冰川平均物質(zhì)平衡的公式.依據(jù)這些公式,應(yīng)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(fù)流域冰川平均物質(zhì)平衡各分量的逐年值序列.在臺蘭河流域的冰川物質(zhì)平衡計算中,應(yīng)用了臺蘭水文站的徑流資料,對于高山冰川區(qū)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(jù)降水和徑流的年變化,恢復(fù)了流域逐年平均冰川物質(zhì)平衡變化序列(圖1).對計算的流域平均冰川物質(zhì)平衡的結(jié)果精度,以1977—1978年中國科學(xué)院天山托木爾峰登上科學(xué)考察隊的冰川水文觀測結(jié)果進(jìn)行驗證.據(jù)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(jié)果為平均總消融深1529mm,平均總積累量1173mm.對比觀測和計算結(jié)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(fā)消耗,實際應(yīng)當(dāng)為1497mm,則計算的消融量結(jié)果偏多2.1%.以上驗證結(jié)果精度還是相當(dāng)高的,計算結(jié)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(dá)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(jù)敏感性分析,臺蘭河流域冰川物質(zhì)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(zhì)平衡-12.6m,相當(dāng)于額外補(bǔ)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(dāng)于每年額外補(bǔ)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(bǔ)給量占河流年徑流量的13%,而1987—2000年達(dá)23%(表2).根據(jù)冰川物質(zhì)平衡的敏感性分析,氣溫變化1℃,流域冰川物質(zhì)平衡變化約300mm,年徑流變化在臺蘭河可達(dá)16%.這意味著,隨著新疆氣候由暖干向暖濕轉(zhuǎn)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(xù)增加.4區(qū)域氣溫、徑流和氣候變化施雅風(fēng)等對西北近年來的降水、徑流、洪水、湖泊等變化分析,發(fā)現(xiàn)1987年以來西北西部和中部地區(qū)氣候發(fā)生了由暖干向暖濕的轉(zhuǎn)型,作為天山西段的臺蘭河流域也發(fā)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(zhì)平衡結(jié)果進(jìn)行距平累計(圖3),可以發(fā)現(xiàn),1982年是一個轉(zhuǎn)折年,1957—1981年累計距平物質(zhì)平衡量達(dá)到3000mm,而1982—2000年累計距平物質(zhì)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(zhuǎn)折年,1957—1986年呈下降趨勢,1987—2000年持續(xù)上升(圖4).對臺蘭河流域東西兩側(cè)的庫車河蘭干站、昆馬力克的協(xié)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(shù)距平累計結(jié)果表明(圖5a,b),3站的氣溫在1982—1987年相繼發(fā)生了明顯的轉(zhuǎn)變,其中以蘭干站氣溫1987年轉(zhuǎn)型最為顯著(圖5a).3站的降水量變化東側(cè)的蘭干站在1987年發(fā)生明顯轉(zhuǎn)型,其后西側(cè)在1989年前后發(fā)生轉(zhuǎn)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(qū)域氣溫的明顯轉(zhuǎn)變,河流徑流量在1987年也發(fā)生了轉(zhuǎn)型.冰川物質(zhì)平衡在1982年發(fā)生轉(zhuǎn)型的原因可能是由于冰川處于較高海拔,對氣溫的反應(yīng)敏感,所以轉(zhuǎn)型的時間較早.由于本區(qū)處于西風(fēng)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(bǔ)給,所以作為影響北半球氣候變化的重要驅(qū)動因子,北大西洋濤動(NorthAtlanticOscillation,NAO)和北極濤動(ArcticOscillation,AO)對本區(qū)的遙相關(guān)聯(lián)系應(yīng)當(dāng)給予考慮.北極濤動對北半球氣候環(huán)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(qū)和中緯度地區(qū)氣壓場的變化,其標(biāo)準(zhǔn)化指數(shù)在正位相和負(fù)位相來回震蕩.人們發(fā)現(xiàn)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(xiàn)為從地面到同溫層下部的極地渦流增強(qiáng),這時北大西洋的暴風(fēng)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(fù)位相,其結(jié)果相反.北大西洋濤動波動具有類似的效應(yīng),正位相由于北大西洋的亞述爾高壓和冰島低壓活動增強(qiáng),使得歐亞大陸北部上空產(chǎn)生顯著的西風(fēng)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(fù)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(fēng)氣流也減弱,并出現(xiàn)較冷的天氣.對1956—2000年的北極濤動和北大西洋濤動指數(shù)的距平累計分析(圖6a,b),發(fā)現(xiàn)1956—1971年是持續(xù)負(fù)位相期,1972—1986年處于正負(fù)波動期,而1987—2000年基本上是持續(xù)正位相期,并且強(qiáng)度明顯增強(qiáng).這個結(jié)果和西北地區(qū)1987年開始?xì)夂蜣D(zhuǎn)型,氣溫明顯升高、降水量增強(qiáng)的結(jié)論相一致,說明西北地區(qū)氣候轉(zhuǎn)型的原因是和北大西洋向東輸送的水汽增加、西風(fēng)氣流加強(qiáng)有關(guān).1982年后臺蘭河流域冰川物質(zhì)平衡持續(xù)負(fù)平衡和北極濤動的增強(qiáng)是一致的,1987年開始的西北氣候轉(zhuǎn)型是北大西洋大氣環(huán)流結(jié)構(gòu)在1971—1986年調(diào)整后,大氣環(huán)流結(jié)構(gòu)穩(wěn)定到一個新水平上的結(jié)果.如果沒有重大氣候影響因素的改變,這一過程將會持續(xù)在一個較長時間尺度,其結(jié)果將強(qiáng)烈的影響著天山地區(qū)的冰川和河流水文變化.5冰流速及徑流水資源量恢復(fù)重建臺蘭河流域平均冰川物質(zhì)平衡各分量的逐年值序列結(jié)果顯示,1957—2000年冰川年平均物質(zhì)平衡為-287mm,累計冰川物質(zhì)平衡-12.6m;臺蘭河流域冰川融水占臺蘭站控制流量比率達(dá)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(dāng)于每年補(bǔ)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(zhì)平