基于青藏高原冰芯记录的长江源区径流重建

邵 骏，欧阳硕，郭 卫，卜 慧，韩 勇

(1.长江水利委员会水文局，武汉 430010； 2.长江水利委员会 河湖保护与建安中心，武汉 430010)

1 研究背景

长江源区地处青藏高原腹地，被誉为“中华水塔”“亚洲水塔”，是我国重要的生态安全屏障、战略资源储备基地[1]。在全球气候变化背景下，长江源区水资源发生了很大的变化，具体表现在冰川融化、降水变化以及湿地面积变化[2]。研究长江源区水资源变化对于气候变化条件下长江源区径流响应及流域的水资源管理与保护有着重要意义。然而，由于地处高海拔寒旱地区，长江源区气象站点稀少，水文站点设立时间有限，因此研究过去时间段水资源变化缺乏观测资料，为认识水资源历史变化规律带来了一定的困难。

在众多反映气候环境变化的指标中，冰芯稳定同位素指标(δ18O和δD)是冰芯记录研究中必不可少的参数，是恢复过去气候变化有效的途径之一[3]。现有研究表明，降水中的稳定同位素是降水形成时水汽凝结高度气温的函数，两极和中高纬度地区的降水以锋面雨系统为主，水汽凝结高度气温与近地表气温密切相关，因此降水中δ18O或δD也就成为研究地表气温变化的指标[3]。冰芯积累量是冰川上降水量的直接记录，而且高分辨率冰芯记录保证了降水记录的连续性，提供了一种恢复降水量变化的有效手段[4-6]。从青藏高原钻取的冰芯同位素和积累量可用来重建温度和降水变化，是很好的气候环境记录，弥补了高海拔地区水文气象资料缺乏的不足。姚檀栋等[7]根据青藏高原4支记录超过1 000 a的冰芯10 a平均值变化，研究了青藏高原最近1 000 a来的气温变化；利用古里雅冰芯记录分析了近2 000 a来青藏高原的气候变化[8-10]，并恢复了该地区过去400 a来降水变化特征，分析了与周边地区降水变化的关系[4]；利用普若岗日冰芯研究了过去100 a来δ18O记录变化所反映的地区气温变化[5]。康世昌等[11]利用各拉丹东冰芯分析了δ18O记录与夏季气温之间的关系，恢复了近70 a来各拉丹东地区夏季气温的变化历史。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达索普冰芯、宁金岗桑冰芯δ18O记录作为温度代用指标，研究了过去100 a青藏高原气温变化情况。张拥军等[13]恢复了各拉丹东冰芯近70 a降水中的δ18O记录，重建了该地区70 a来的春季和夏季气温，并研究了冰芯年积累量变化与大气环流的关系[14]。

现有研究多集中在冰芯同位素和积累量与降水和气温之间的关系上，尚未有研究分析冰芯记录与径流变化之间的关系。本文采用长江源区沱沱河水文站实测流量数据与青藏高原5根冰芯同位素和冰芯净积累量，研究长江源区径流和青藏高原冰芯记录的变化规律及两者之间的相互关系，在此基础上重建沱沱河水文站1900年以来径流系列并分析其变化特征，旨在揭示全球变暖背景下长江源区径流变化特征及由气候变化引起的水文效应。

2 研究区域和研究数据

研究区域沱沱河流域(33°22′N—35°12′N，89°48′E—92°54′E)位于青藏高原腹地，是长江的正源，发源于青藏高原唐古拉山脉中段各拉丹冬雪山群姜根迪如峰西南侧，全长346 km，流域面积17 600 km2。本次研究径流资料采用沱沱河水文站1960—2019年实测流量数据，数据来源于青海省水文水资源勘测局。沱沱河水文站以上的气象资料由于受实测站点限制，采用沱沱河气象站的数据，数据来源于国家气象科学数据中心。本次研究选取取自青藏高原不同地点的5根冰芯资料，分别是宁金岗桑冰芯、作求普冰芯、唐古拉冰芯、木孜塔格冰芯和扩扩色勒冰芯，冰芯取样点位置及资料信息见图1和表1，数据来源于国家青藏高原科学数据中心[15]。

图1 研究采用的冰芯取样点与沱沱河水文站、沱沱河气象站地理位置分布Fig.1 Ice core sampling points and Tuotuo River hydrological station and meteorological station

表1 冰芯取样点地理位置及资料信息

3 研究结果与分析

3.1 沱沱河站径流年际变化

(1)采用滑动平均法与Mann-Kendall非参数检验研究沱沱河站径流的年际变化规律。沱沱河水文站年径流量滑动平均曲线和Mann-Kendall曲线如图2所示。从图2中易见，沱沱河水文站年径流量呈现显著增加的趋势，尤其是在进入2000年以后，径流的增加态势尤为明显，并且与沱沱河站降水量增加趋势保持一致。Mann-Kendall曲线在2002年出现交叉，表明沱沱河水文站径流在2002年前后发生突变增加。采用Mann-Kendall检验对沱沱河水文站年径流变化趋势进行检验，ZMK=3.19，通过了置信度为99%的显著性检验，表明年径流呈现显著的上升趋势。本研究与现有研究结论基本一致[16-20]。

图2 沱沱河水文站年径流量滑动平均曲线和Mann-Kendall曲线Fig.2 Moving average curve and Mann-Kendall curve of annual runoff and annual base flow at Tuotuo River hydrological station

(2)进一步分析沱沱河水文站年径流与气象因素之间的关系。选取降水、气温、水面蒸发3个气象因素，讨论其与年径流之间的相关性。从图3中易见，沱沱河年降水量、年均气温呈现上升趋势，水面蒸发呈现下降趋势。从降水和气温的Mann-Kendall曲线可以看出，两者均在2001年前后发生突变，尤其是气温变化ZMK=6.02，通过了置信度为99%的显著性检验，表明气温呈现显著的上升趋势。水面蒸发反映了蒸发能力，从水面蒸发观测资料来看，1960年以来沱沱河气象站蒸发能力呈现不显著的下降趋势。

图3 沱沱河气象站年降水量、年均气温和水面蒸发变化过程线和Mann-Kendall曲线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相关分析统计沱沱河水文站年径流与气象因素之间的相关系数，结果见表2。从表2中可知，沱沱河水文站年径流与年降水之间的关系最为紧密，相关系数为0.669，其次为气温，相关系数为0.525，两者都通过了置信度为99%的显著性检验。径流与水面蒸发呈负相关关系，这与水文规律相符，从多年平均角度来看，降水是径流的重要补给来源，而蒸发是主要消耗项[16]。由此可知，对于长江源区沱沱河流域，影响径流的主要气象因素是降水，其次为气温，与已有研究结论基本一致[16，18-19，21-23]。

表2 沱沱河水文站年径流量与降水、蒸发、气温间的相关系数

现有研究表明，青藏高原河川径流在最近十几年的变化趋势主要受降水影响，其次是冰雪融水[24]，部分区域径流变化与蒸散发和土壤储水量变化也有一定关系[25]。一般而言，青藏高原北部、东部和东南部地区，河川径流主要受降水主导；而在中部和西部地区，河川径流受冰川融水或受地下水补给为主，或亦受两者共同主导[26-27]。

降水变化对长江源区径流有直接影响。青藏高原受到西风和季风两大环流系统影响，5—9月份暖湿季节的降水可占全年降水量的80%以上[28]，因此暖湿季节的降水主导了径流的年际变化[21]。根据罗玉等[18-19]的研究成果，夏季降水量对沱沱河流域同期夏季流量有明显的影响，当夏季降水量偏多时，流域流量偏多，反之亦然。多雨年期间，影响沱沱河流域的水汽主要来源于季风携带的孟加拉湾水汽以及中纬度偏西风的水汽输送，在两支水汽共同作用下，沱沱河流域上空水汽输送较多；而少雨期季风携带的偏南的水汽较弱，水汽输送较小[19]。

气温对径流的影响主要体现在冰川融雪补给径流。气温对冰川区积雪面积的变化影响很大，积雪面积变化和气温呈现高度负相关[29]。长江源区各拉丹冬冰川作用区，属沱沱河流域的冰川面积为389.09 km2，冰储量为42.146 5 km3，冰川融水是沱沱河的主要补给源[30]，补给率约33.7%[22]。全球变暖导致长江源区冰川面积总体处于退缩状态，2009年冰川总面积在1977年基础上缩减了126.33 km2，总面积减少了11.8%[31]，其中沱沱河2009年冰川面积较1970年减少20.83%[32]。位于唐古拉山西部沱沱河源头各拉丹冬地区的岗加曲巴冰川，2012年较1969年整体缩退了3 660 m、缩退速度85 m/a，姜古迪如北支冰川整体缩退了750 m、缩退速度17 m/a，姜古迪如南支冰川整体缩退了1 500 m、缩退速度35 m/a[33]。因此，长江源区气温急剧上升导致的冰川和积雪融水增多是长江源区流量急剧增加的重要原因[34]。

3.2 青藏高原冰芯记录与沱沱河站径流的关系

在前文分析沱沱河水文站径流变化趋势及影响因素的基础上，进一步分析青藏高原冰芯记录与沱沱河站径流之间的关系。图4为研究采用的宁金岗桑冰芯、作求普冰芯、唐古拉冰芯、木孜塔格冰芯和扩扩色勒冰芯δ18O记录与冰芯积累量(水当量)过程线及10 a滑动平均曲线。由于不同冰芯所在地理位置及海拔高程不同，因此δ18O记录与冰芯积累量反映出很强的区域差异性。

图4 研究采用的冰芯δ18O记录与冰芯积累量(水当量)过程线及10 a滑动平均曲线Fig.4 Hydrographs and 10-year moving average curves of ice core δ18O records and ice core accumulation

从δ18O记录来看，宁金岗桑冰芯和作求普冰芯均反映出20世纪80年代以来气温上升的趋势，扩扩色勒冰芯也有上升趋势，但在20世纪90年代末期达到峰值后出现下降趋势，唐古拉冰芯和木孜塔格冰芯则变化不大。由于冰芯采样时间均在2010年前后，因此冰芯δ18O记录未能完全反映2010年以后青藏高原气温突变上升的态势。从冰芯积累量来看，宁金岗桑冰芯、作求普冰芯和唐古拉冰芯积累量在20世纪90年代以后呈现下降态势，而木孜塔格冰芯和扩扩色勒冰芯则呈现上升的趋势，尤其以扩扩色勒冰芯上升趋势最为明显。

本研究选择的5根冰芯地跨青藏高原南北、东西，由于不同区域气候条件差异较大，可将其分为南、北、西3组，即宁金岗桑冰芯和作求普冰芯代表青藏高原南部地区，唐古拉冰芯和木孜塔格冰芯代表青藏高原北部地区，扩扩色勒冰芯代表青藏高原西部地区。表3和表4分别为不同冰芯之间δ18O记录与冰芯积累量(水当量)的相关系数，其中作求普冰芯与木孜塔格冰芯、扩扩色勒冰芯之间的δ18O记录存在较高的相关性，分别通过了置信度为99%、95%的显著性检验，其余冰芯之间δ18O记录的相关性较低，宁金岗桑冰芯与大多数冰芯间的δ18O记录存在负相关关系。从冰芯净积累量(水当量)之间的相关关系来看，所有冰芯之间的净积累量(水当量)之间相关系数均不高。从以上分析可知，青藏高原降水中的δ18O记录和净积累量存在较大的地区差异。现有研究表明，青藏高原南北区域气候存在系统差异。高原南部主要受印度季风的影响，高原北部则在受夏季印度季风影响的同时，冬季还比南部更多地受到西风带的影响。青藏高原西部夏季主要受印度洋和阿拉伯海水汽的影响，高原东部夏季则会受到太平洋水汽的影响[5]。本次分析的不同冰芯间的相关性也再次证实了这一点。

表3 不同冰芯δ18O记录之间的相关系数

表4 不同冰芯净积累量(水当量)之间的相关系数

研究发现，青藏高原冰芯中的δ18O记录与气温存在显著的正相关关系，可作为气温代用指标[3，12]，而冰芯中的积累量本身就是冰川降水量的直接记录[4-6]。3.1节研究结果表明长江源区径流对降水和气温的响应较为明显，2000年以后长江源区径流发生显著性增加趋势，因此选取1960—1999年沱沱河水文站年径流，建立其与冰芯δ18O记录和积累量之间的相关关系，如表5所示。为消除两者之间的量级差，对数据进行归一化处理。

表5 沱沱河水文站年径流与不同冰芯δ18O记录和冰芯积累量(水当量)相关系数

从表5可见，沱沱河水文站年径流与宁金岗桑冰芯δ18O记录存在显著正相关关系，并通过置信度为99%的显著性检验，与作求普冰芯δ18O记录存在显著负相关关系，与唐古拉冰芯之间也存在一定的相关关系，与木孜塔格冰芯冰芯和扩扩色勒冰芯间基本无相关性。径流与冰芯积累量(水当量)以作求普冰芯相关性最高，宁金岗桑冰芯次之，扩扩色勒冰芯再次，与唐古拉冰芯和木孜塔格冰芯基本无相关性。

根据青藏高原已有的冰芯记录研究成果来看，青藏高原南部和北部降水的控制机制有所不同，高原南部冰芯的积累量变化与北部的变化趋势恰好相反[14]。从地理位置上来看，宁金岗桑冰川和作求普冰川均位于青藏高原南部，其夏季降水主要为南亚季风带来的水汽所致[14]。已有研究表明，青藏高原南部冰川区夏季受南亚季风影响，其δ18O记录的年平均值与青藏高原北部的夏季降水存在正相关[36]。在夏季季风期，青藏高原南部的水汽大部分都来自印度洋。同时，源自印度洋的气团途径印度次大陆向北输送，也可把水汽输送到海拔较高的地区[37]。长江源区处在南亚季风影响的北缘，其夏季降水量主要为南亚夏季风带来的水汽所致[14]。康世昌等[11]通过对比沱沱河源头的各拉丹冬冰芯δ18O记录与周边气象站实测降水数据后发现，各拉丹冬冰芯δ18O记录与南部区域具有更好的相关性，说明各拉丹冬和其南部地区夏季水汽具有更好的同源性。长江源区沱沱河径流与青藏高原南部的冰芯δ18O记录的显著相关性也证实了此结论，即两者夏季水汽来源具有一定的同源性。

3.3 基于冰芯记录的沱沱河站径流重建

沱沱河水文站年径流与宁金岗桑冰芯δ18O记录相关性最高，由此可通过宁金岗桑冰芯δ18O记录恢复沱沱河1960年以前的径流。

气温对青藏高原径流的影响机制较为复杂，根据3.1节结论，气温主要通过影响冰川融雪从而间接影响河川径流，而冰芯δ18O记录作为气温的代用指标，其与径流之间的直接联系并不明显。但是在年代际尺度上，气温的变化基本上可以反映区域气候变化的趋势性规律。

康世昌等[11]研究发现5 a滑动平均值与气象台站气温相关性较好，姚檀栋等[4-5]研究表明青藏高原冰芯δ18O记录在10 a尺度以上能反映青藏高原气温变化。经分析，沱沱河水文站1960—1999年平均流量的10 a 滑动平均(相当于低通滤波器)与宁金岗桑冰芯冰芯δ18O记录10 a滑动平均的相关系数达到0.895(图5)，建立两者之间的回归方程为

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滑动平均；δ18O10 a表示δ18O记录的10 a滑动平均。

图5 沱沱河水文站年均流量与宁金岗桑冰芯δ18O记录的10 a滑动平均相关关系Fig.5 Relation between the annual average runoff in Tuotuo River and the 10-year moving average of Ningjingangsang ice core δ18O record

从沱沱河水文站1960—1999年重建的10 a滑动平均系列与实测值对比(图6(a))可以看出，两个系列具有较好的相似性。恢复沱沱河水文站1900—1960年流量的10 a滑动平均系列成果见图6(b)。

图6 沱沱河水文站重建流量10 a滑动平均与实测流量对比和恢复的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

从重建径流可以看出，长江源区沱沱河年径流自1900年以来经历了丰水(1910年代以前)→平水(1920—1940年代)→丰水(1950—1960年代)→枯水(1970—1980年代)→丰水(1990年代以后)的变化过程。不少学者研究了20世纪北半球和青藏高原的气温变化，发现高原气候在20世纪20年代初、50—60年代和80年代初发生了3次突变，其中第一次和第三次为从冷变到暖，称为“暖突变”，第二次是从暖变到冷，称为“冷突变”。汤懋苍等[35]研究认为“暖突变年”分别出现在1923年和1978年，“冷突变年”出现在1963年。德吉等[12]研究发现青藏高原过去100 a来共出现1910年左右、1920年左右、1950年左右、1970年代4个冷期，各冷期之间对应出现4次暖期，并且变冷的程度越来越弱而变暖的程度越来越强。本文重建的长江源区径流也基本上反映出上述演变规律，由此从侧面印证了重建径流的大致变化趋势与合理性。

4 结论与展望

本文利用沱沱河水文站和气象站实测水文气象资料分析了沱沱河径流变化趋势及与气候影响因素之间的关系。根据青藏高原5根冰芯资料，研究了沱沱河径流与冰芯δ18O记录与冰芯积累量之间的关联性，在此基础上重建了沱沱河1900年以来的流量系列。通过上述研究得到以下结论：

(1)沱沱河水文站年径流量呈现显著增加的趋势，尤其是在进入2000年以后，径流的增加态势尤为明显。在影响径流的主要气象因素中，降水变化对长江源区径流有直接影响，而气温对径流的影响主要体现在冰川融雪补给径流。通过分析长江源区冰川变化情况，长江源区气温急剧上升导致的冰川和积雪融水增多是长江源区流量急剧增加的重要原因。

(2)分析青藏高原宁金岗桑冰芯、作求普冰芯、唐古拉冰芯、木孜塔格冰芯和扩扩色勒冰芯共5根冰芯δ18O记录与冰芯积累量后可知，不同冰芯记录反映出较强的区域差异性，青藏高原南北区域气候变化存在的系统差异对冰芯记录有着直接影响。

(3)沱沱河水文站年径流与宁金岗桑冰芯δ18O记录存在显著正相关关系，其主要原因在于宁金岗桑冰川位于青藏高原南部，其夏季降水主要受南亚季风带来的水汽影响，与沱沱河地区夏季水汽具有更好的同源性。

(4)通过宁金岗桑冰芯δ18O记录恢复了沱沱河水文站1900—1960年的10 a滑动平均径流系列。对重建系列分析后可知，长江源区沱沱河水文站年径流自1900年以来，经历了1910年代、1950年代、1990年代3次丰枯转换过程，其时间点与青藏高原发生的3次气候突变大致吻合。

需要说明的是，气候与径流变化之间的关系是十分复杂的，要回答两者之间的作用机制还需要做深入细致的研究。本文从数理统计角度初步分析了长江源区径流变化的影响因素及其与青藏高原冰芯记录之间的关系，重建了沱沱河径流系列，其基础是建立在δ18O记录与径流之间的统计学规律上。而冰芯净积累量作为降水的直接记录，反而与径流的关联性不大，说明长江源区降水受南亚季风影响的同时，受高原自身水汽来源的影响也较大，从而导致局部降水区域性差异较大，不能完全反映流域面上的降水情况。在全球气候变暖的背景下，青藏高原气温上升幅度是同期全球平均值的2倍。一方面气温升高导致冰雪提前消融、冰川强烈退缩，从而直接影响河川径流，另一方面气温升高导致青藏高原热低压和夏季风的加强，强化了孟加拉湾和阿拉伯海水汽向青藏高原输送，导致青藏高原降水增加，也间接地影响河川径流，由此导致青藏高原地表水循环格局发生重大变化。青藏高原冰川、冻土、湿地、湖泊、气温、降水和径流的急剧变化，严重影响了青藏高原作为“亚洲水塔”对水资源的调蓄作用，对社会经济发展和人类生存环境造成了重大影响。今后还需要进一步对青藏高原整体和区域水循环的机制以及不同相态水体间的转化和响应机理进行深入研究，并提出对策措施，最大限度减少气候变化带来的负面影响。