劉虎，王磊

（1.中國科學(xué)院青藏高原研究所，北京 100101；2.中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100049）

0 引言

冰川是巨大的淡水資源寶庫，全球77.2%的淡水資源儲(chǔ)存在冰川中。其中，盡管中低緯度的山地冰川的冰儲(chǔ)量僅占0.6%，但其對氣候變化十分敏感，且山地冰川分布區(qū)的下游流域大多是人口密集的地區(qū)，因此其對于下游鄰近地區(qū)的水資源具有重要意義。特別是在干旱區(qū)流域，冰川融水是流域徑流量的重要組成部分，冰川徑流能夠起到削峰填谷、穩(wěn)定水源的作用，因此冰川又被稱為固態(tài)水庫［1-4］。20世紀(jì)60年代以來，全球氣溫上升，導(dǎo)致冰川普遍退縮，由此產(chǎn)生的冰川融水引起海平面上升，有研究表明，近二十年間（2000—2019年），全球冰川融水速率為（267±16）Gt·a-1，這些融水相當(dāng)于海平面上升量的21%±3%，且冰川融水貢獻(xiàn)在未來將會(huì)持續(xù)增加［5］。而在中低緯度的山地冰川的融化導(dǎo)致下游流域徑流總量及組分發(fā)生劇烈變化，對下游地區(qū)的經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展產(chǎn)生重大影響，因此近年來冰川徑流的研究受到科學(xué)界的廣泛關(guān)注［4-10］。

青藏高原及周邊高海拔地區(qū)山峰林立，分布有喜馬拉雅山、喀喇昆侖山和昆侖山等眾多山脈，是中低緯度山地冰川最為發(fā)育的地區(qū)，同時(shí)覆蓋有大面積的積雪和凍土，因此該地區(qū)被稱為地球的“第三極”［11-12］。該地區(qū)的冰川所產(chǎn)生的融水哺育了長江、黃河、雅魯藏布江等在內(nèi)的多條大江大河，緩解了下游大約8億亞洲人民的用水壓力，同時(shí)為下游印度-恒河平原最大的農(nóng)業(yè)灌溉區(qū)提供水源，因此第三極地區(qū)又被稱為“亞洲水塔”，對下游地區(qū)的生態(tài)環(huán)境和經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展具有重要意義［13-18］。在全球變暖的大背景下，第三極地區(qū)作為對氣候變化最為敏感的地區(qū)之一，其升溫幅度更大，近50年來第三極地區(qū)的變暖速率是全球同期平均的升溫率的2倍［19-20］。在溫升的驅(qū)動(dòng)下，第三極地區(qū)的冰凍圈發(fā)生劇烈變化，主要表現(xiàn)為凍土退化、冰川積雪加速融化［21-22］。至2000年，相比于20世紀(jì)80年代，青藏高原地區(qū)的冰川面積減少了20%，而近20年冰川消融的速率在進(jìn)一步加劇，但是冰川的變化存在顯著的空間差異［23］。冰川加速融化產(chǎn)生的大量融水，使得第三極地區(qū)的水資源發(fā)生劇烈變化，20世紀(jì)90年代以來，長江、怒江和雅魯藏布江等多條河流源區(qū)徑流呈現(xiàn)不同程度的上升趨勢［24］。

盡管不同氣候模式對于未來氣候變化的預(yù)估結(jié)果存在較大差異，但是對于未來全球氣溫將持續(xù)上升這一結(jié)論達(dá)成共識(shí)，政府間氣候變化專門委員會(huì)（IPCC）最新的第六次評(píng)估報(bào)告指出，由人類活動(dòng)所導(dǎo)致的全球溫升在未來將進(jìn)一步加?。?5］，因此在可預(yù)見的未來，第三極地區(qū)的冰川將持續(xù)退縮，冰川徑流的變化將導(dǎo)致下游地區(qū)的河川徑流組成進(jìn)一步發(fā)生變化［26-27］，同時(shí)溫度上升將導(dǎo)致冰川不穩(wěn)定性增加，再加上未來極端氣溫和極端降水事件的發(fā)生頻率增加，使得第三極地區(qū)由冰川變化引起的災(zāi)害（洪水、冰崩、冰湖潰決等）發(fā)生將更為頻繁，對下游地區(qū)的經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展以及居民的生命財(cái)產(chǎn)安全造成巨大威脅［28-30］。因此，為了解目前科學(xué)界關(guān)于第三極地區(qū)冰川徑流的研究現(xiàn)狀，本文將從冰川徑流的計(jì)算方法、第三極地區(qū)冰川徑流的歷史變化及其對總徑流的貢獻(xiàn)以及冰川徑流的未來發(fā)展趨勢這三個(gè)方面進(jìn)行綜述，旨在了解目前第三極地區(qū)冰川徑流的研究進(jìn)展及存在的不足，進(jìn)而為后續(xù)第三極地區(qū)冰川徑流的研究提供重要參考。

1 冰川徑流的研究方法

由于冰川的存在需要極端低溫條件，因此第三極山地冰川均位于高海拔低溫區(qū)，地形復(fù)雜，氣候條件惡劣，人為很難到達(dá)，使得冰川覆蓋區(qū)的實(shí)測資料十分有限，給冰川徑流的研究帶來很大的困難。然而，隨著全球變暖背景下冰川變化給下游水資源造成的巨大影響，科學(xué)界對于冰川徑流研究的關(guān)注日益加強(qiáng)，另外，隨著近些年遙感測量技術(shù)的發(fā)展以及計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)的提高，使得冰川徑流的計(jì)算成為可能。目前已經(jīng)有許多學(xué)者開發(fā)了多種不同方法對冰川徑流進(jìn)行了相關(guān)研究。這些方法總結(jié)來看大致可分為五種類型：①直接觀測法；②遙感觀測法；③水量平衡法；④水化學(xué)示蹤法；⑤冰川水文模型法［29，31-32］。

1.1 直接觀測法和遙感觀測法

研究冰川徑流最直接的方法便是在冰川末端布設(shè)水文觀測點(diǎn)，實(shí)際測量冰川融水產(chǎn)生的徑流量，該方法簡單直接，且最能真實(shí)反映冰川融水對于徑流的貢獻(xiàn)量［33-34］。我國對于冰川徑流的實(shí)地觀測研究開展了大量工作，以中國科學(xué)院西北生態(tài)環(huán)境資源研究院及中國科學(xué)院青藏高原研究所為代表的研究團(tuán)隊(duì)長期在第三極地區(qū)的多條冰川末端布設(shè)站點(diǎn)，監(jiān)測冰川徑流的變化，積累了大量可靠的實(shí)測資料，為更好地進(jìn)行第三極地區(qū)冰川變化的相關(guān)研究提供了重要的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)［35-36］。

然而，盡管直接觀測法進(jìn)行冰川徑流研究簡單有效，但是這種實(shí)地布設(shè)站點(diǎn)的方法僅能適用于少數(shù)的冰川小流域，同時(shí)該方法耗時(shí)費(fèi)力，因此很難進(jìn)行大尺度的冰川徑流研究。近年來，隨著衛(wèi)星遙感技術(shù)的不斷發(fā)展，對于這些高海拔地區(qū)的冰川面積和厚度變化的遙感觀測成為可能，大量學(xué)者利用遙感觀測資料定量計(jì)算了第三極地區(qū)乃至全球尺度下的冰川變化，并預(yù)估冰川融水對于下游徑流的貢獻(xiàn)量［37-39］，但是該方法計(jì)算的冰川徑流是冰川的儲(chǔ)量變化量，不能直接計(jì)算得到冰川融化的產(chǎn)流量。

1.2 水量平衡法

因?yàn)槭艿接^測條件等的制約，直接觀測冰川徑流的方法困難較大，因此有學(xué)者提出了利用水量平衡公式間接計(jì)算冰川徑流的方法。該方法的主要思想是，冰川徑流是流域水循環(huán)的重要組成部分，基于水量平衡原理，可通過分別計(jì)算得到在水循環(huán)中除冰川徑流外的其他分量（降水、蒸發(fā)、水儲(chǔ)量變化等）的值，進(jìn)而利用水量平衡公式間接求得冰川徑流量（式1）。

式中：Qg為冰川區(qū)的融冰產(chǎn)流量；Qt為冰川流域出水口的總產(chǎn)流量；P為冰川流域總降水量；E為冰川流域總蒸發(fā)量；ΔG為冰川流域土壤和地下水儲(chǔ)量變化量。

水量平衡法原理簡單，計(jì)算量較小，因此得到國內(nèi)外學(xué)者的廣泛應(yīng)用［40-43］。然而，由于水量平衡公式中的其他分量在冰川覆蓋區(qū)的觀測同樣缺乏，導(dǎo)致計(jì)算得到的冰川徑流不確定性較大，在大部分流域的適用性較差。

1.3 水化學(xué)示蹤法

由于不同來源的徑流在匯合前其所流經(jīng)的路徑不同，因此其水環(huán)境中往往進(jìn)行不同的生物和化學(xué)過程，導(dǎo)致不同水源的徑流通常具有不同的水化學(xué)特征，因而很多學(xué)者將這一特性應(yīng)用到流域冰川徑流的計(jì)算中，即通過使用水中的穩(wěn)定同位素作為示蹤劑，定量分析其在不同斷面的徑流中的含量，進(jìn)而分離出融水的水化學(xué)特征，并利用端元混合模型估計(jì)冰川融水對于徑流的貢獻(xiàn)量［44-48］。但是該方法是基于一系列假設(shè)的前提下進(jìn)行計(jì)算的，其中最基本的假設(shè)即認(rèn)為不同水源的同位素示蹤劑含量差異明顯，同時(shí)假設(shè)示蹤劑在隨著水流的流動(dòng)過程中其水化學(xué)特征不發(fā)生改變，然而現(xiàn)實(shí)情況通常更加復(fù)雜，很難滿足這些假設(shè)，因此給冰川徑流的計(jì)算帶來很大困難［31］。

1.4 冰川水文模型法

水文模型是基于水量平衡、能量平衡等理論，通過一系列數(shù)學(xué)嵌套公式描述水流在水循環(huán)各個(gè)過程中的時(shí)空變化，并通過計(jì)算機(jī)代碼實(shí)現(xiàn)計(jì)算的系統(tǒng)方法。早在19世紀(jì)80年代，有學(xué)者便在冰川變化的研究中發(fā)現(xiàn)了冰川消融與溫度之間存在著高度的相關(guān)關(guān)系，并首次將此關(guān)系應(yīng)用于高山區(qū)冰川徑流的研究中［49］。經(jīng)過近幾十年的發(fā)展，國內(nèi)外學(xué)者開發(fā)了大量的冰川消融模型并將其耦合至水文模型中，廣泛應(yīng)用于全球各大冰川流域，取得了大量成果。目前按照模型的冰川消融算法的不同，冰川水文模型主要可分為兩大類：溫度指數(shù)模型和基于能量平衡的冰川消融模型［31-32，49-52］。

由于冰川的消融主要受到能量變化的驅(qū)動(dòng)，而氣溫是表征能量變化最簡單直接的變量，因此溫度指數(shù)模型的主要思想是認(rèn)為冰川消融量與氣溫之間存在相關(guān)關(guān)系，可通過氣溫的時(shí)空變化來再現(xiàn)冰川的消融過程。溫度指數(shù)模型機(jī)理簡單，計(jì)算方便，且主要輸入的氣溫?cái)?shù)據(jù)相對降水等其他氣象數(shù)據(jù)更易獲取，因此得到廣泛應(yīng)用［49］。然而，由于該方法對冰川的內(nèi)在過程進(jìn)行了很大程度的簡化，模擬效果對于關(guān)鍵參數(shù)度日因子的依賴性較強(qiáng)，同時(shí)溫度指數(shù)模型只能計(jì)算冰川表面的消融量，無法表征冰川能量的傳輸過程，以及冰川反照率、密度等重要屬性的變化。而基于能量平衡建立的冰川水文模型能夠很好地描述冰川水文的內(nèi)在過程，該方法的主要思想是通過計(jì)算冰川與大氣之間的能量收支情況得到冰川表面剩余的熱通量，進(jìn)而利用能量與冰川融化量之間的物理聯(lián)系計(jì)算得到冰川融化量，該方法物理機(jī)制更為完善，理論上模擬結(jié)果更加準(zhǔn)確，但是其計(jì)算復(fù)雜且對輸入數(shù)據(jù)的精度要求較高。

冰川的消融算法是冰川水文模型中計(jì)算冰川徑流最核心的部分，但是冰川水文模型的其他模塊也對冰川徑流計(jì)算的準(zhǔn)確性產(chǎn)生影響。由于熱量和重力等的作用，冰川的分布和面積將隨著時(shí)間不斷發(fā)生變化，導(dǎo)致冰川的消融量發(fā)生改變，因此模型中對于這一過程的刻畫同樣關(guān)鍵，而由于冰川數(shù)據(jù)的缺乏以及冰川動(dòng)態(tài)變化過程的復(fù)雜性，目前大多數(shù)水文模型使用的是較為簡單的體積和面積之間的相關(guān)關(guān)系公式（V-A公式）來刻畫冰川分布和面積隨時(shí)間變化的過程［53-56］，部分模型在模擬過程中不考慮冰川面積變化，采用靜態(tài)的冰川分布方案［57］。盡管存在物理機(jī)制更為完善的冰川動(dòng)力學(xué)模型算法，但是目前僅在空間尺度較小的流域進(jìn)行適用性研究，無法推廣至大尺度流域的冰川徑流研究［58］。此外，由于冰川徑流發(fā)源于上游的高山區(qū)，對于下游出山口徑流的補(bǔ)給存在滯后性，因此水文模型中的匯流模塊的準(zhǔn)確性也將影響流域冰川徑流的計(jì)算精度。

除了以上介紹的五種常見的研究方法外，還存在基于不同徑流組分在年內(nèi)的分布特征差異進(jìn)行組分分離的流量過程線分割法［59］以及基于冰川系統(tǒng)，結(jié)合冰川平衡線高度、冰川徑流變化與冰川面積的關(guān)系等重要理論開發(fā)的冰川系統(tǒng)學(xué)模型［60］估算冰川徑流的方法等其他一些方法。而在目前存在的這些方法中，冰川水文模型法因其能夠系統(tǒng)地定量描述冰川的消融及產(chǎn)匯流過程，同時(shí)進(jìn)行未來預(yù)估，因此該方法已經(jīng)成為目前科學(xué)界進(jìn)行冰川徑流研究中使用最為廣泛的方法。由于不同學(xué)者對于冰川水文各個(gè)過程的刻畫方式不同，開發(fā)出了大量不同類型的冰川水文模型，表1簡單總結(jié)了目前存在的主要冰川水文模型及其應(yīng)用案例。由表1可以看出，目前使用的冰川水文模型大多以溫度指數(shù)模型為主，盡管有基于能量平衡的模型存在，但是這些模型大多只在一些冰川小流域得到驗(yàn)證。同時(shí)冰川水文模型對影響冰川消融的其他因素考慮得并不完全，例如目前存在的基于能量平衡建立的冰川水文模型對于冰川動(dòng)力學(xué)過程的刻畫較為簡單，同時(shí)沒有考慮冰川表磧覆蓋物對于能量傳輸?shù)挠绊懸约叭祟惢顒?dòng)引起的黑碳沉積物的影響，因此未來的冰川水文模型需從這些方面進(jìn)一步完善，進(jìn)而更好地適用于不同地區(qū)的冰川徑流模擬。

表1 主要冰川水文模型及其應(yīng)用案例總結(jié)Table 1 Summary of main glacio-hydrological models and their applications

2 第三極地區(qū)冰川徑流的歷史變化

在全球變暖的背景下，自20世紀(jì)90年代以來，第三極地區(qū)的冰川發(fā)生巨大變化。其中，冰川面積和冰川物質(zhì)平衡變化是衡量冰川變化最重要的指標(biāo)，但是在第三極的冰川覆蓋區(qū)，地勢險(xiǎn)峻，氣候條件復(fù)雜，使得冰川相關(guān)指標(biāo)的實(shí)測資料難以獲?。?］。近年來，隨著冰川觀測代表站的廣泛布設(shè)，以及遙感測量技術(shù)的不斷發(fā)展，二者的結(jié)合使得區(qū)域分析冰川面積及物質(zhì)平衡的變化成為可能，取得許多關(guān)鍵性的成果。盡管不同研究對于第三極地區(qū)的冰川變化研究結(jié)果存在差異，但是對于第三極地區(qū)過去幾十年來冰川的整體變化趨勢基本達(dá)成共識(shí)，即第三極地區(qū)冰川整體呈現(xiàn)面積減小、物質(zhì)虧損的趨勢，但是不同地區(qū)的冰川變化幅度存在較大的空間差異，主要表現(xiàn)為青藏高原東南部、阿爾泰山和天山東部地區(qū)冰川面積大幅度減小、物質(zhì)虧損量大，而位于昆侖山西部、帕米爾高原和喀喇昆侖地區(qū)的冰川變化較小，部分地區(qū)冰川甚至存在物質(zhì)正累積，即“喀喇昆侖異常”現(xiàn)象［4，23，36，38，78-85］。冰川變化的空間差異使得第三極地區(qū)不同流域的冰川徑流也呈現(xiàn)出不同的變化特征。

流域冰川徑流受到流域冰儲(chǔ)量和氣候條件的共同影響。第三極地區(qū)同時(shí)受到西風(fēng)和季風(fēng)兩大環(huán)流系統(tǒng)影響，在不同環(huán)流控制區(qū)的氣候條件不同，使得不同區(qū)域的冰川以及其所產(chǎn)生的冰川徑流對于氣候變化的響應(yīng)不同。按照第三極地區(qū)不同冰川流域所處的氣候區(qū)，主要可分為三大類（圖1）：①西風(fēng)控制區(qū)流域（塔里木河、疏勒河、黑河、阿姆河、錫爾河、伊犁河和印度河），這些河流主要分布在西部和北部的干旱半干旱區(qū)，徑流主要靠冰雪融水補(bǔ)給；②南部季風(fēng)控制區(qū)流域（雅魯藏布江、恒河、湄公河和薩爾溫江），這些河流的徑流主要靠5—10月份的降水補(bǔ)給；③西風(fēng)-季風(fēng)過渡區(qū)的流域（長江和黃河源區(qū)），河流的徑流主要靠夏季降水補(bǔ)給［18，20，86-87］。

圖1 第三極地區(qū)冰川及主要大河流域分布概況Fig.1 Distribution of glaciers and major river basins on the Third Pole

印度河上游流域是第三極地區(qū)冰川覆蓋面積最廣的流域，同時(shí)該流域位于西風(fēng)控制的干旱半干旱區(qū)，流域降水量在年內(nèi)分布較為平均，在流域內(nèi)帕米爾高原和喀喇昆侖西部的高海拔地區(qū)，超過三分之二的降水出現(xiàn)在冬季［88］，因此印度河的降水形式主要以降雪為主，而夏季降雨較少，年徑流主要受冰雪徑流主導(dǎo)，Lutz等［89］的研究結(jié)果表明，印度河上游流域的冰雪徑流對于總徑流的貢獻(xiàn)超過60%，其中冰川徑流占比為40.6%，且在研究時(shí)段內(nèi)冰川徑流呈現(xiàn)上升趨勢。同樣位于西風(fēng)控制區(qū)的塔里木河流域冰川面積僅次于印度河流域，因此該流域的冰川徑流對總徑流的貢獻(xiàn)同樣顯著，Gao等［90］在塔里木河的模擬結(jié)果表明，冰川徑流對于總徑流的貢獻(xiàn)為41.5%，在1961—2006年間，不同子流域冰川徑流均呈現(xiàn)一致的上升趨勢，且冰川徑流對總徑流的貢獻(xiàn)占比在不斷增加，特別是自20世紀(jì)90年代以來，有85.7%的總徑流增加來自于冰川徑流的增加。位于咸海流域上游的阿姆河和錫爾河流域由于其冰川覆蓋面積較小，流域年徑流主要受融雪徑流主導(dǎo)，Armstrong等［91］的模擬結(jié)果表明，在研究時(shí)段2001—2014年間，阿姆河和錫爾河流域的融雪徑流的貢獻(xiàn)分別為69%和74%，而冰川徑流的貢獻(xiàn)分別為8%和2%。黑河是我國西北河西走廊內(nèi)流河系中最大的河流，Wu等［92］在黑河上游的模擬結(jié)果表明，在1960—2010年間，黑河上游的總徑流及冰川徑流均呈現(xiàn)上升趨勢，而降水的增加是驅(qū)動(dòng)總徑流增加的主要因素，冰川徑流對總徑流的貢獻(xiàn)為8.9%；李洪源等［93］對于河西走廊第二大內(nèi)流河疏勒河上游的徑流組分分析結(jié)果表明，近45年來，冰川徑流和總徑流均呈現(xiàn)上升趨勢，且冰川融水的增加對總徑流的增加的貢獻(xiàn)達(dá)到48%，冰川徑流是流域年徑流量的第二大補(bǔ)給源，貢獻(xiàn)為30.5%。

而位于南部季風(fēng)控制區(qū)的河流，受到印度季風(fēng)的影響，其降水量主要集中在夏季，降水形式以降雨為主，因此該區(qū)域的河流徑流量主要受降雨徑流補(bǔ)給，冰川徑流的貢獻(xiàn)較小。Lutz等［89］對于季風(fēng)控制區(qū)的四條大河上游流域的系統(tǒng)研究表明，四個(gè)流域的冰川徑流在模擬時(shí)段內(nèi)均呈現(xiàn)上升趨勢；而盡管在雅魯藏布江和恒河地區(qū)的冰川的分布面積較大，但由于其豐富的夏季降水，導(dǎo)致冰川融水的貢獻(xiàn)被稀釋，降雨徑流對于流域年徑流的貢獻(xiàn)量均超過50%，冰川徑流的貢獻(xiàn)量分別為15.9%和11.5%，薩爾溫江的冰川融水貢獻(xiàn)量為8.3%，而在冰川面積覆蓋比最低的湄公河流域，冰川徑流對總徑流的貢獻(xiàn)僅為0.9%。

長江源區(qū)和黃河源區(qū)流域位于西風(fēng)和季風(fēng)的過渡區(qū)，由于季風(fēng)在夏季帶來的豐富的水汽，導(dǎo)致長江和黃河源區(qū)流域的徑流同南部季風(fēng)控制區(qū)的流域類似，流域年徑流均受降雨徑流主導(dǎo)，而冰川在兩個(gè)流域的覆蓋面積較小，因此冰川融水對于徑流的貢獻(xiàn)有限。Zhang等［94］在長江和黃河源區(qū)的模擬結(jié)果指出，在1961—2009年間，長江和黃河源區(qū)流域的降雨徑流對總徑流的貢獻(xiàn)均超過70%，冰川徑流在長江和黃河源區(qū)的貢獻(xiàn)量分別為6.5%和0.8%。但是與20世紀(jì)90年代之前時(shí)期相比，長江源區(qū)流域的冰川徑流對于總徑流的貢獻(xiàn)占比在增大［95］。

表2總結(jié)了目前關(guān)于第三極地區(qū)冰川徑流的代表性研究案例，由表2可以看出，對于同一流域，不同學(xué)者的研究結(jié)果相差較大，而造成這些差異的原因主要有以下四個(gè)方面：①研究方法不同，不同方法的原理存在差異，因此其系統(tǒng)誤差的來源不同，導(dǎo)致結(jié)果存在差異，例如在印度河，對于同一個(gè)出水口控制的流域，Boral和Sen［48］采用同位素示蹤法計(jì)算得到的冰川徑流對于總徑流的貢獻(xiàn)大于Lutz等［89］利用溫度指數(shù)模型SPHY計(jì)算得到的結(jié)果；②對于冰川徑流的定義不同，部分溫度指數(shù)模型無法區(qū)分冰川區(qū)融雪徑流和冰川冰融化的徑流，將冰川區(qū)的冰雪融水徑流或者冰川區(qū)總徑流（包括降雨徑流）定義為冰川徑流，導(dǎo)致其計(jì)算結(jié)果遠(yuǎn)大于將冰川冰產(chǎn)流量定義為冰川徑流的研究；③輸入的氣象數(shù)據(jù)的差異，由于第三極地區(qū)高海拔氣象站的稀缺，導(dǎo)致對該地區(qū)的降水量估算仍存在很大不確定性，不同數(shù)據(jù)源的降水?dāng)?shù)值相差甚遠(yuǎn)，Lutz等［89］和Khanal等［26］的研究均基于SPHY模型進(jìn)行計(jì)算，但是對于冰川徑流占比的計(jì)算結(jié)果相差很大，特別是在印度河流域，前者的結(jié)果（40.6%）數(shù)值遠(yuǎn)大于后者（5.1%），而其中用于輸入的降水?dāng)?shù)據(jù)的差異是主要原因，Khanal等［26］（842 mm）的研究中流域的年降水量是Lutz等［89］（346 mm）的兩倍多，豐富的降水稀釋了冰川徑流的貢獻(xiàn)，導(dǎo)致冰川徑流的占比結(jié)果遠(yuǎn)小于Lutz等［89］的研究；④冰川數(shù)據(jù)的差異，目前，對于第三極地區(qū)冰川的分布和冰儲(chǔ)量等信息仍存在爭議，不同數(shù)據(jù)源的結(jié)果不同，此外，冰川表面的表磧覆蓋對冰川的融化也具有重要影響，但是目前關(guān)于第三極地區(qū)冰川表磧覆蓋的分布數(shù)據(jù)十分缺乏，且大多數(shù)研究并未考慮該因素，導(dǎo)致研究結(jié)果不確定性較大。這些差異使得目前關(guān)于第三極地區(qū)不同流域冰川徑流對于總徑流的貢獻(xiàn)仍存在爭議，而要想獲得更加準(zhǔn)確的研究結(jié)果，除了完善模型機(jī)理、提高研究數(shù)據(jù)精度外，還需要利用多源觀測數(shù)據(jù)，對于模擬結(jié)果進(jìn)行多方面驗(yàn)證，例如：在傳統(tǒng)的對于出山口徑流的準(zhǔn)確性驗(yàn)證的基礎(chǔ)上，利用遙感陸面溫度和積雪，以及冰川物質(zhì)平衡觀測等開展冰凍圈水文過程驗(yàn)證，進(jìn)而提高模型結(jié)果的可信度和準(zhǔn)確性。

表2 第三極地區(qū)不同流域冰川徑流研究總結(jié)。Table 2 Summary of the researches of glacier runoff in different basins on the Third Pole

續(xù)表2

盡管在第三極地區(qū)不同的研究結(jié)果存在較大差異，但是第三極地區(qū)不同流域的冰川徑流的整體變化趨勢基本一致，即自20世紀(jì)以來，特別是20世紀(jì)90年代以來，由于第三極地區(qū)氣溫逐漸升高，該地區(qū)冰川普遍退縮，導(dǎo)致該地區(qū)的冰川徑流量呈現(xiàn)上升趨勢，而冰川徑流對總徑流的貢獻(xiàn)由流域的氣候特點(diǎn)以及流域內(nèi)冰川分布情況決定，從總體上看，位于西風(fēng)控制區(qū)的流域冰川徑流對于總徑流的貢獻(xiàn)大于季風(fēng)控制區(qū)流域。

3 第三極地區(qū)冰川徑流的未來發(fā)展趨勢

IPCC第六次評(píng)估報(bào)告指出，全球變暖的趨勢已不可逆轉(zhuǎn)，即使基于低排放情景下進(jìn)行氣候預(yù)估，未來全球氣溫也將持續(xù)上升，這將加劇第三極地區(qū)山地冰川的退縮趨勢［25］。有學(xué)者指出，即使在滿足《巴黎協(xié)定》條件下，即把全球溫升控制在工業(yè)革命前水平以上的1.5℃，基于最低排放情景下（RCP2.6）進(jìn)行預(yù)估，在本世紀(jì)末第三極地區(qū)的冰川仍將減少36%±7%，如果在其他更高濃度排放的情景下，冰川虧損量將更大［22］。隨著冰川退縮，大量融水從冰川這一固態(tài)淡水水庫中釋放出來，將補(bǔ)給徑流導(dǎo)致徑流量升高，可是冰儲(chǔ)量也會(huì)隨之減少，當(dāng)冰儲(chǔ)量減少至某一水平，導(dǎo)致冰川的融化量不足以支撐徑流進(jìn)一步上升時(shí)，即達(dá)到拐點(diǎn)，之后冰川徑流便會(huì)下降［104-105］。

近年來，許多學(xué)者在第三極地區(qū)對于冰川的未來變化開展了定量研究，這些研究均是基于冰川水文模型的方法，通過輸入氣候模式預(yù)估的各氣象要素結(jié)果進(jìn)行冰川徑流的未來分析。流域的冰川徑流未來如何發(fā)展由流域冰儲(chǔ)量和未來氣候變化情況共同決定。依據(jù)冰川學(xué)理論，冰儲(chǔ)量越大的冰川對于氣候變化的響應(yīng)越慢，因此在同等的氣候條件下，第三極地區(qū)冰川覆蓋越多的流域冰川徑流峰值出現(xiàn)的時(shí)間應(yīng)該越晚，而部分冰川覆蓋面積小的流域冰川徑流峰值已經(jīng)過去［105-108］。

然而目前對于第三極地區(qū)未來冰川徑流的預(yù)估仍存在很大的不確定性，主要表現(xiàn)在使用的冰川模型本身以及用于驅(qū)動(dòng)模型的未來氣象數(shù)據(jù)兩方面存在的不確定性，冰川模型本身的不確定性在1.4節(jié)中已有介紹，而未來氣象數(shù)據(jù)的不確定性主要來源于氣候情景假設(shè)和用于生成未來氣象數(shù)據(jù)所使用的氣候模式的不確定性，不同氣候模式基于不同的情景得到的未來氣候預(yù)估結(jié)果相差較遠(yuǎn)，同時(shí)將氣候模式輸出的時(shí)空分辨率低的氣象數(shù)據(jù)進(jìn)行區(qū)域降尺度的方法的不確定性也給未來氣象輸入數(shù)據(jù)帶來較大誤差。因此由于不同學(xué)者使用的冰川水文模型和輸入的未來氣象數(shù)據(jù)的不同，導(dǎo)致目前關(guān)于第三極地區(qū)不同流域的冰川徑流未來的預(yù)估結(jié)果相差很大（表3）［6，26，53，58，68，89，102，109-113］。例如，Immerzeel等［53］利用SRM模型基于IPCC第四次評(píng)估報(bào)告提出的未來氣候情景A1B SRES對第三極地區(qū)的主要五條大河（印度河、恒河、雅魯藏布江、長江和黃河）未來徑流變化進(jìn)行預(yù)估，結(jié)果表明，到本世紀(jì)中葉（2046—2065年），除黃河外，其他四條河流的徑流量將降低，相較于2000—2007年，印度河、恒河、雅魯藏布江和長江的徑流量將分別降低8.4%、17.6%、19.6%和5.2%，且冰川徑流的減少量更大，這表明在2046—2065年之前，這四條河流的冰川徑流早已到達(dá)拐點(diǎn)；而Lutz等［89］利用SPHY模型，基于IPCC第五次評(píng)估報(bào)告提出的CMIP5計(jì)劃下的氣候模式在不同排放濃度路徑下對未來氣候的預(yù)估結(jié)果，對第三極地區(qū)五個(gè)主要大河上游（印度河、恒河、雅魯藏布江、薩爾溫江和湄公河）徑流的未來變化進(jìn)行預(yù)估，卻得到與Immerzeel等完全相反的結(jié)果，該研究結(jié)果表明，到本世紀(jì)中葉（2050年），五條河流上游的總徑流量和冰川徑流均呈現(xiàn)上升趨勢，冰川徑流拐點(diǎn)還未到達(dá)。

表3 第三極地區(qū)不同流域冰川徑流的未來變化研究總結(jié)Table 3 Summary of the researches of future changes in glacier runoff in different basins on the Third Pole

續(xù)表3

目前，IPCC提出了最新的基于共享社會(huì)經(jīng)濟(jì)路徑（SSP）和強(qiáng)迫路徑（RCP）組合的情景，同時(shí)，CMIP6計(jì)劃下的新一代氣候模式較之前相比也更加先進(jìn)，特別是在模擬包括印度夏季風(fēng)在內(nèi)的一些復(fù)雜氣候系統(tǒng)特征方面顯示出明顯改進(jìn)，因此基于最新的情景，CMIP6給出的預(yù)估結(jié)果相較于之前的結(jié)果在不同時(shí)空尺度上的不確定性均有所下降［25，114-115］?；谧钚碌奈磥須夂蝾A(yù)估結(jié)果，學(xué)者對第三極地區(qū)十五條河流的上游流域的冰川徑流的未來變化進(jìn)行了系統(tǒng)預(yù)估，結(jié)果表明，不同流域冰川徑流對于氣候變化的響應(yīng)結(jié)果不同，但是總體來看，除位于西風(fēng)區(qū)的印度河上游和塔里木河西部流域外，其他流域的冰川徑流均將在本世紀(jì)中葉之前到達(dá)拐點(diǎn)，而后冰川徑流開始下降，印度河上游流域冰川徑流將在本世紀(jì)末之前到達(dá)拐點(diǎn)，而位于西風(fēng)區(qū)的塔里木河西部流域，到本世紀(jì)末，該流域的冰川徑流仍呈現(xiàn)持續(xù)增加的趨勢，另外，在季節(jié)尺度上，隨著氣候變化，積雪融化提前，將導(dǎo)致積雪徑流的峰值在年內(nèi)出現(xiàn)時(shí)間也提前，而冰川徑流的年內(nèi)分布情況變化不大［26］。

然而，盡管目前不同學(xué)者對于第三極地區(qū)不同流域的冰川徑流未來變化趨勢及拐點(diǎn)出現(xiàn)的時(shí)間存在較大爭議，但是可以肯定的是，在氣候變化的驅(qū)動(dòng)下，未來的幾十年內(nèi)，第三極地區(qū)的冰川徑流必將發(fā)生劇烈變化。從總量上看，對于部分季風(fēng)區(qū)冰儲(chǔ)量很小的流域，如長江、黃河、湄公河和薩爾溫江，冰川徑流的變化對于總徑流量的影響不大，但是對于冰儲(chǔ)量較大的流域，冰川徑流的變化將對總徑流量產(chǎn)生重大影響，未來由于冰儲(chǔ)量的減少導(dǎo)致對下游的淡水資源補(bǔ)給減少，將產(chǎn)生許多重大的水安全問題［10，15-16］，此外由于溫度升高，冰川的不穩(wěn)定性也將增加，將導(dǎo)致冰川災(zāi)害的發(fā)生更為頻繁［27-30］，對下游地區(qū)的居民生命財(cái)產(chǎn)安全造成重大威脅，因此，如何準(zhǔn)確定量地預(yù)估冰川徑流的未來變化趨勢，進(jìn)而為下游地區(qū)做好應(yīng)對措施提供可靠的科學(xué)依據(jù)，仍是目前科學(xué)界亟待解決的重大難題。

4 目前研究存在的不足

近年來，隨著科學(xué)界對于第三極地區(qū)冰川徑流的關(guān)注，涌現(xiàn)出大量關(guān)于第三極地區(qū)不同流域的冰川徑流研究。然而，由于該地區(qū)缺乏實(shí)測資料，同時(shí)冰川水文的內(nèi)在過程十分復(fù)雜，導(dǎo)致目前關(guān)于第三極地區(qū)冰川徑流的研究結(jié)果仍存在不確定性，總結(jié)來說主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

（1）對于冰川水文過程內(nèi)在機(jī)理認(rèn)識(shí)不足，目前在該區(qū)域研究使用的冰川水文模型大多為溫度指數(shù)模型，即使存在一些基于能量平衡過程的冰川水文模型模擬研究，但是這些模型對于冰川融化的內(nèi)在過程仍存在很大程度的簡化，如對于冰川動(dòng)力學(xué)過程的刻畫較為簡單，同時(shí)未考慮冰川能量的內(nèi)在傳遞、表磧覆蓋物以及黑碳的影響等。

（2）被用于研究的冰川數(shù)據(jù)存在很大的不確定性，不同數(shù)據(jù)集的冰川數(shù)據(jù)差異較大。

（3）模型輸入的氣象數(shù)據(jù)同樣存在很大的不確定性，由于缺乏實(shí)測，對于該區(qū)域的氣象數(shù)據(jù)特別是高山區(qū)降水?dāng)?shù)據(jù)的估算仍存在不足，對于未來的氣象要素的預(yù)估都是基于歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行校正，因此不確定性更大。

目前研究存在的這些問題使得第三極地區(qū)冰川徑流的變化和其對總徑流的貢獻(xiàn)，以及未來發(fā)展趨勢的研究結(jié)果存在一定的不確定性，為下游地區(qū)的水資源利用與管理帶來挑戰(zhàn)。

5 結(jié)論

在全球變暖的背景下，第三極地區(qū)的山地冰川普遍退縮，冰川融水釋放導(dǎo)致下游地區(qū)的河川徑流組分發(fā)生劇烈變化，對下游地區(qū)的經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展產(chǎn)生重大影響，因此受到科學(xué)界的廣泛關(guān)注。隨著近些年來的發(fā)展，針對第三極地區(qū)特殊的地理環(huán)境和復(fù)雜的氣候條件，學(xué)者開發(fā)了多種不同方法來解決有關(guān)冰川徑流的科學(xué)問題，這些方法被應(yīng)用于第三極地區(qū)的不同流域，取得了大量成果，總結(jié)來看可分為以下幾點(diǎn)：

（1）關(guān)于冰川徑流的研究方法主要可分為五種：直接觀測法、遙感觀測法、水量平衡法、水化學(xué)示蹤法和冰川水文模型法，其中冰川水文模型法又可分為溫度指數(shù)模型法和基于能量平衡模型法，該方法因其系統(tǒng)性且可進(jìn)行定量預(yù)估，目前使用最為廣泛。

（2）自20世紀(jì)90年代以來，第三極地區(qū)冰川徑流普遍呈現(xiàn)上升趨勢，但是其對于總徑流的貢獻(xiàn)同時(shí)受氣候條件和流域冰儲(chǔ)量的影響，存在顯著的空間差異，總體來看，位于西風(fēng)控制區(qū)的流域冰川徑流對于總徑流的貢獻(xiàn)普遍大于季風(fēng)控制區(qū)的流域。

（3）對于第三極地區(qū)冰川徑流的未來預(yù)估方面，不同研究由于使用的未來氣候預(yù)估結(jié)果不同，導(dǎo)致結(jié)論存在很大不確定性，但是基于目前最新的氣候預(yù)估結(jié)果對于第三極地區(qū)冰川徑流的未來變化研究表明，除部分冰儲(chǔ)量大的西風(fēng)區(qū)河流（塔里木河、印度河）外，第三極地區(qū)大多數(shù)流域冰川徑流將在本世紀(jì)中葉前達(dá)到峰值。

然而，目前對于第三極地區(qū)的冰川徑流研究中，仍存在使用的模型物理機(jī)制簡化以及由于觀測不足導(dǎo)致的研究數(shù)據(jù)的不確定性較大等問題，因此未來在第三極地區(qū)開展更廣泛的實(shí)地觀測和更高精度的遙感監(jiān)測，同時(shí)開發(fā)出物理機(jī)制更為完善的冰川水文模型是未來冰川水文研究的發(fā)展方向。