天山玛纳斯河冬季径流对暖冬和冻土退化的响应

天山高山地区大范围为冻土区,冻土的存在对水文过程有极大的影响.20世纪90年代以来,玛纳斯河流域气温10 a升高了0.54℃,以冬季升温为主,降水量没有增加趋势.应用1957—2004年近48 a的气候和水文月资料,研究了具有多年冻土的高海拔河流的冻土和水文响应.检测到12月至翌年2月气温升高0.8~0.9℃时冬季径流量响应显著,冬季径流在12至翌年2月份增加了14%~26%,其中1月份增加26%.遥相关分析表明,10~11月的水量增大也可导致冬季河流水量增多,1.5~3.0 m的活动层的深度和温度变化导致了这些响应.冻土区的冬季径流水文响应比气温更快、更显著.但冻土和积雪观测的不足使冬季水文变化具有不确定性.     

冻土退化对海拉尔河流域水文过程的影响

利用海拉尔河流域内气象站点1974—2006年冻土冻结深度资料和水文站点1974—2008年的径流资料,通过建立冻结深度和径流的关系,研究了区域近30年来冻土变化对径流变化的影响。结果表明:近30年来,海拉尔、坝后和红花尔基水文站1~3月份径流量有13%~20%的增长,牙克石水文站径流量增长不显著。退水曲线由陡峭趋于平滑,冬季2月份径流量与秋季11月份径流量比值呈增大趋势,同期流域冻土的最大冻结深度减小了50 cm左右。这表明海拉尔河流域冬季退水过程有减缓趋势且冻土的退化是导致退水变慢的主要原因。冻土退化的这一水文效应主要是由于:① 随着冻土年内隔水效应减弱,流域内有更多的地表水入渗变成地下水,造成流域地下水储水量加大,导致冬季径流增加; ② 随着春夏季冻土平均厚度的减薄,流域地下水库库容增加,地下水枯季径流补给能力增强,导致流域退水时间延迟;③ 冻土对气候变暖的响应是一个缓慢的过程,因此冻土退化对径流过程的影响也是一个渐变过程。     

塔里木河源区托什干河流域积雪动态及融雪径流模拟与预估

利用已被广泛使用的MODIS积雪数据, 获得了塔里木河源区之一的托什干河流域积雪变化信息. 结果表明: 流域积雪覆盖率时空差异显著, 在积雪丰富的年份, 1月积雪覆盖率可达90%以上, 但在积雪少的年份, 则只有50%; 2000年以来流域积雪呈现微弱增加的趋势, 积雪变化趋势呈现明显的时空差异. 相对于其他季节, 流域冬季积雪增加更为明显; 与其他高度带相比, 作为主要积雪覆盖区的海拔3 000~4 000 m高度带积雪的增加趋势也更为明显. 以流域所在的气象格网数据和积雪覆盖率变化曲线作为输入数据, 应用融雪径流模型(SRM)模拟了流域春季融雪径流过程, 率定了模型主要参数, 获得了较好的结果. 以CMIP5的3种RCP情景为驱动数据, 应用模型预估了流域2021-2050年的融雪径流状况, 结果显示 4月之前径流变化不明显, 之后径流峰值增大显著, 不同气候情景对径流的影响不明显.     

天山南坡黄水沟与清水河寒区流域极端水文事件对气候变化的响应

冰川、积雪和冻土变化产生的水文效应对下游水资源供给具有重要影响,近几十年来新疆区域洪水呈显著加重趋势,尤其是南疆区域洪水明显加剧. 以天山南坡黄水沟与清水河寒区流域为研究区域,通过分析水文站极端水文事件,结合流域上游山区巴伦台气象站资料,研究了高寒山地流域在气候变化背景下极端水文过程出现时间、年最大和最小径流的响应特征. 结果表明：1986年是水文过程的突变点,从1986年开始随着降水、气温的增加,河流径流量呈增加趋势;最大年径流出现时间从6月中下旬推迟到7月下旬;最大径流和最小径流与年径流量呈正相关关系,最大径流与夏季降水关系密切,而最小年径流与冬春季的气温关系密切. 随着1986年以来的气温升高,冻土退化产生的水文效应使冬季径流增加明显,也使年最小径流明显增大;1986年以来降水变化决定着年径流量增加,使年最大径流集中出现在夏季且量级增大. 总体来讲,20世纪80年代中期以后山区河流年极端洪峰量增大,洪水量增多,年际间变化幅度明显增大,从而对下游造成更严重的灾害. 因此,加强气候变化对寒区流域水资源和洪水灾害的影响评估,使科学技术在减灾方面发挥主导作用.     

近50年大凌河流域径流变化特征分析

以大凌河流域3个水文站的径流资料和15个雨量站的降水资料为基础,利用多指标、多方法分析了近50年大凌河流域径流的年内和年际变化特征。结果表明:大凌河流域径流年内分配不均匀,主要集中在7、8月份;径流年际变化大。近50年来,大凌河流域年径流量呈显著减少趋势,流域径流量在1981年出现明显的减少突变,自然因素和人类活动特别是大量水利工程的修建是造成径流变化的重要因素。     

长江源区1956-2000年径流量变化分析

利用Mann-Kendall趋势检验法对长江源区直门达水文站的资料进行分析,揭示长江源区年径流量在1956-2000年间呈微弱的减少趋势。结合流域气象资料分析,该时段流域内升温明显,最大可能蒸发量呈增加趋势,降水也呈微弱减少趋势。径流变化与降水变化基本一致,降雨-径流关系没有发生明显变化,表明1980-2000年降水量减少是该时段径流量减少的直接原因,温度升高有利于融冰融雪和降水形式的变化,但由于融冰融雪占径流补给的比率相对较小,该时段温度升高导致融冰融雪的增加不足以抵消降水量的减少对径流的影响。径流量季节变化分析,揭示长江源区春季径流呈增加的趋势,这可能与融雪过程提前以及融雪量增加有关。     

20世纪下半叶以来阿克苏河山前绿洲带气候、径流变化特征及其人类活动影响

利用1961-2000年气温、降水资料和20世纪50年代初/中期建站到2005年逐月实测径流资料,分析了20世纪下半期以来阿克苏河山口到塔里木河汇合区的气候与径流变化特征,同时分析了人类活动对区域气候及径流变化的影响.研究表明:研究区存在升温变化的趋势,尤其是冬季升温明显,40 a来增温率为0.13 ℃·(10a)-1,流域内降水增加趋势明显.阿克苏河两大支流合计年径流量20世纪90年代较50年代增加46.7%.受人类活动和绿洲效应等影响, 区域内温度变化不尽相同,阿克苏市夏季气温升高速率为0.20 ℃·(10a)-1,但阿拉尔夏季气温却以-0.27 ℃·(10a)-1速率呈下降趋势.耕地面积、灌溉引水增加等人类活动改变了径流的年内分配,使得阿克苏河补给塔里木河的水量明显减少,50a来阿拉尔水文站年径流量持续减少,径流量减少达15.9 %.     

近50年来中国六大流域径流年内分配变化趋势

基于1950年以来的全国六大流域19个重点控制水文站实测月径流量观测资料,以1980年为界,分析各站实测径流量年内分配不均匀系数、集中度以及集中期的变化;采用Mann-Kendall非参数统计检验方法,诊断了各月径流量的变化趋势。结果表明,自1980年以来,全国六大流域的月径流发生了时空变化,除海河的石匣里、响水堡站和黄河花园口站年内径流不均匀性和相对集中度较小以外,其它站的年内径流不均匀性和相对集中度较大,以松辽流域为最大;此外,南方流域各站冬春季(12~3月)的径流均呈现增加的趋势,5月份呈现减少的趋势,7月份呈现增加的趋势;北方流域各站冬春季(1~5月)径流呈现减少的趋势,以海河流域各站、松辽的铁岭、黄河利津站和淮河的吴家渡站减少趋势最为严重。     

昌马河流域气候变化与水文特性的关系研究

根据昌马堡水文站53年来定点观测的水文系列监测资料,分析以昌马河为代表的西北内陆河小流域内降水、蒸发、径流及泥沙的年际变化规律和地域分布的特点,揭示了气候变化和水文特性的关系。结果表明:受气温变化的影响,河川径流量呈现出显著的增加趋势。其中降水变化的趋势与径流增多的趋势并不完全一致,气温变化与径流的变化相关性较好。年增幅最大的是基流,达到1.92%;其次是非汛期径流量,年增幅达到1.87%;汛期径流年增幅最小,只有1.23%。证明祁连山区气温的升高加剧了终年积雪的消融、冰川溶化和冻土水的析出,增加了河川径流量。     

天山南坡高冰川覆盖率的木扎提河流域水文过程对气候变化的响应

木扎提河是天山南坡冰川面积覆盖率最大（48.2%）的河流， 流域径流过程对气候变化极为敏感， 为了合理管理和规划水资源， 确保水资源的可持续利用， 亟需定量评估气候变化对该流域水文过程的影响。以VIC-CAS分布式水文模型为计算平台， 利用实测的径流和两次冰川编目间的冰川面积变化数据开展了模型的多目标参数化校正和验证， 有效提高了模拟结果的“真实性”， 然后通过数值模拟结果结合观测数据定量解析了流域径流的组成、 变化特征及对气候变化的响应机理。结果表明： 木扎提河总径流集中在暖季（5 - 9月）， 占全年总径流量的77.9%， 冰川径流、 融雪径流和降雨径流分别占总径流量的66.6%、 26.4%和7.0%。1971 - 2010年木扎提河流域气温和降水呈显著增加趋势， 由于降水的增加， 降雨和融雪径流均呈增加趋势， 但冰川径流呈现明显减少趋势， 导致总径流呈现下降趋势。在RCP4.5情景下， 未来该流域气温呈现明显升高趋势， 降水表现为微弱下降趋势； 气候变暖后， 更多降水以降雨形式发生， 未来降雨径流将明显增加， 降雪和融雪径流已于20世纪90年代达到峰值， 随后明显减少； 冰川面积将持续萎缩， 冰川径流于21世纪10年代达到拐点， 随后明显减少， 导致河道总径流量也将明显减少。     

中国冻土地下水研究现状与进展综述

冻土地下水系统不仅在寒区水文循环中扮演着重要的角色,同时也在寒区水文过程和地表过程及其科学研究中起到了集蓄、融冻和泄流等至关重要的作用。近几十年随着全球气候变暖及人类活动（寒区工程量）的增加,冻土退化趋势显著,这一过程改变了寒区的水文地质条件,导致地下水动态特征发生显著变化,从而引起一系列的生态环境变化。近些年,诸多学者通过构建水热耦合模型来研究冻土地下水的运动机理、分布状况和季节动态,促进了寒区地下水理论知识的发展,推动了寒区水文地质知识体系的进步。本文主要针对目前我国多年冻土区地下水的研究现状进行了分析、整理、归纳,为进一步研究气候变化下地下水系统的发展与演变,以及对生态环境的影响提供参考依据。     

Evolution of the freeze-thaw cycles in the source region of the Yellow River under the influence of climate change and its hydrological effects

As an important water source and ecological barrier in the Yellow River Basin, the source region of the Yellow River (above the Huangheyan Hydrologic Station) presents a remarkable permafrost degradation trend due to climate change. Therefore, scientific understanding the effects of permafrost degradation on runoff variations is of great significance for the water resource and ecological protection in the Yellow River Basin. In this paper, we studied the mechanism and extent of the effect of degrading permafrost on surface flow in the source region of the Yellow River based on the monitoring data of temperature and moisture content of permafrost in 2013–2019 and the runoff data in 1960–2019. The following results have been found. From 2013 to 2019, the geotemperature of the monitoring sections at depths of 0–2.4 m increased by 0.16°C/a on average. With an increase in the thawing depth of the permafrost, the underground water storage space also increased, and the depth of water level above the frozen layer at the monitoring points decreased from above 1.2 m to 1.2–2 m. 64.7% of the average multiyear groundwater was recharged by runoff, in which meltwater from the permafrost accounted for 10.3%. Compared to 1960-1965, the runoff depth in the surface thawing period (from May to October) and the freezing period (from November to April) decreased by 1.5 mm and 1.2 mm, respectively during 1992–1997, accounting for 4.2% and 3.4% of the average annual runoff depth, respectively. Most specifically, the decrease in the runoff depth was primarily reflected in the decreased runoff from August to December. The permafrost degradation affects the runoff within a year by changing the runoff generation, concentration characteristics and the melt water quantity from permafrost, decreasing the runoff at the later stage of the permafrost thawing. However, the permafrost degradation has limited impacts on annual runoff and does not dominate the runoff changes in the source region of the Yellow River in the longterm.     

北极海冰对黄河上游汛期水量丰枯的影响分析

从北半球的冷源出发,以半球尺度来考虑北极海冰对黄河上游水量丰枯的影响,通过对北极海冰与黄河上游汛期水量的统计分析揭示其相关关系,并探讨北极海冰通过影响大气环流进而影响黄河上游水量的物理机制.     

青藏铁路隧道浅埋多年冻土区冻融特征分析

本文根据一个寒季末的地温观测资料，分析了昆仑山隧道的一个多年冻土沟谷地形的地温特征。采用数值模拟技术，模拟该沟谷地形地温变化情况，认为该区沟谷的冻融特征不同于非沟谷地形，其融化深度远大于该区的冻土上限，从而得出该冲沟存在一个未被冻结的通道；隧道工程对周边地温产生较大影响；最大冻结深度约10,受气温影响的最大融化深度不超过4m,本研究为再认识多年冻土区沟谷地形的冻融特征提供了一条途径。     

基于LSTM的青藏高原冻土区典型小流域径流模拟及预测

冻土覆盖率高的小流域的径流形成受温度因素控制明显,普通水文模型不适用,而常规冻土水文模型因需要较多的气象观测要素而难以应用。考虑冻土流域产流机制,利用青藏高原腹地风火山小流域2017—2018年逐日降水、气温、径流观测数据,以降水、气温为输入,径流为输出,基于长短期记忆神经网络（LSTM）建立了适用于小流域尺度的冻土水文模型,并利用2019年观测数据进行验证。模型得益于LSTM特殊的细胞状态和门结构能够学习、反映活动层冻融过程和土壤含水量变化,具有一定的冻土水文学意义,能很好地模拟冻土区径流过程。模型训练期R²、NSE均为0.93,RMSE为0.63 m³·s^-1,验证期R²、NSE分别为0.81、0.77,RMSE为0.69 m³·s^-1。同时,为了验证模型可靠性,将模型应用于邻近的沱沱河流域,模型训练期（1990—2009年）R²、NSE均为0.73,验证期（2010—2019年）R²、NSE分别为0.66、0.64,模拟结果较好。考虑到未来气候变化,通过模型对风火山流域径流进行了预测：降水每增加10%,年径流增加约12%;气温每升高0.5 ℃,年径流增加约1%;春季融化期、秋季冻结期径流增幅明显,而由于蒸发加剧、活动层加深,径流在8月出现了减少。模型经训练后依靠降水、气温作为输入能较好地模拟、预测青藏高原冻土区小流域径流,为缺少土壤温度、水分等观测数据的冻土小流域径流研究提供了一种简单有效并具有一定物理意义的方法。     

1957-2007年东北地区负积温时空演变

作为冬季寒冷程度的指标之一,负积温的变动在理论上可能与冻土发育程度有一定的关系。选用EOF分解、连续小波变换等方法对东北地区81个气象站点1957-2007年的负积温进行分析,以探究其变化的时间序列及空间分异规律,及其与冻土退化、平均温变化间的关系。结果表明,东北地区负积温呈全区一致性上升趋势,且增温率由西南向东北递增。全区经历明显的降温-增温-降温阶段,大兴安岭地区、小兴安岭北部及以北地区高温期短、振幅较大,年际变差更明显。除黑龙江北部、内蒙古东部以外,全区负积温最低、最高及突变年份一致,表现出全球气候变化下负积温变动的区域同步性。负积温增温与冻土退化及年平均温度的上升具有较良好的一致性。     

The active-layer hydrology of a peat plateau with thawing permafrost (Scotty Creek, Canada)

The southern margin of permafrost is experiencing unprecedented rates of thaw, yet the effect of this thaw on northern water resources is poorly understood. The hydrology of the active layer on a thawing peat plateau in the wetland-dominated zone of discontinuous permafrost was studied at Scotty Creek, Northwest Territories (Canada), from 2001 to 2010. Two distinct and seasonally characteristic levels of unfrozen moisture were evident in the 0.7-m active layer. Over-winter moisture migration produced a zone of high ice content near the ground surface. The runoff response of a plateau depends on which of the three distinct zones of hydraulic conductivity the water table is displaced into. The moisture and temperature of the active layer steadily rose with each year, with the largest increases close to the ground surface. Permafrost thaw reduced subsurface runoff by (1) lowering the hydraulic gradient, (2) thickening the active layer and, most importantly, (3) reducing the surface area of the plateau. By 2010, the cumulative permafrost thaw had reduced plateau runoff to 47 % of what it would have been had there been no change in hydraulic gradient, active layer thickness and plateau surface area over the decade.     

长江源区高寒生态与气候变化对河流径流过程的影响分析

近40 a来长江源区气候变化剧烈,是青藏高原增温最为显著的地区之一,高寒生态系统与冻土环境不断退化.采用多因素逐次甄别方法与半经验理论方法相结合,基于多年冻土的不同植被覆盖降水-径流观测场观测试验结果,分析了长江源区气候-植被-冻土耦合系统中各要素变化对河川径流的不同影响.结果表明:近40 a来长江源区河川径流呈持续递减趋势,年均径流量减少了15.2%,频率>20%的径流量均显著减少,而>550 m³·s^-1的稀遇洪水流量发生频率增加;气候变化与高寒草甸覆盖变化对源区径流变化的影响较大,分别占5.8%和5.5%;气候与植被覆盖变化对径流的显著影响是与冻土耦合作用的结果,但冻土环境与冰川变化对径流的贡献尚不能准确评价.高寒沼泽湿地和高寒草甸生态系统对于源区河川径流的形成与稳定起到关键作用,这两类生态系统的显著退化是驱动河川径流过程中变差增大、降水-径流系数减少以及洪水频率增加的主要原因.保护源区高寒草甸与独特的高寒湿地生态,对于维护源区水涵养功能和流域水安全意义重大.     

中国寒区水文学研究的新阶段 ——记我国杰出寒区水文学家叶柏生研究员的创新与贡献

我国杰出的寒区水文学家叶柏生研究员不幸因公殉职. 选取了叶柏生研究员若干代表性研究成果, 包括与他人的合作研究成果, 重点从冰川水文、 冻土水文和区域水文变化三方面总结了其对寒区水文学发展所做的创新与贡献. 文章列出了每项研究成果的核心内容, 并给予了简要评述. 所选成果中, 冰川水文方面研究涉及冰川对河川径流的调节作用、 冰川径流对气候变化的响应机理等; 冻土水文研究着重介绍了多年冻土变化对流域径流过程及其变化影响方面的系统性成果; 区域水文变化研究方面, 选取了降水观测误差修正、 气候变化对区域径流的影响等方面的创新成果. 这些研究成果极大地提高了我国在世界寒区水文学研究的地位, 对认识寒区水文过程及气候变化对水资源的影响具有重要科学意义.