天山山区降雪率变化及对河川径流影响分析

Global warming directly affects the regional water cycle and water system stability, alters the supply patterns and hydrologic processes of streamflow, and intensifies water resources uncertainty. Tienshan Mountains, with the status of "water tower in Central Asia", has important role of the natural environment and oasis development in the arid region of Central Asia. It is becoming the hot spots in the earth system sciences research. On the context of global warming, the variability of precipitation increases, causing a higher fraction of precipitation falling as snow in the Tienshan Mountains. A shift from snow towards rain dominated regime is currently assumed not only influence the accumulation and ablation of glaciers, but also influence the mean streamflow and water resources significantly. Due to the sparse hydrometeorological station network in the cold highland mountains, there is critical shortage in hydrological and meteorological data. Based on the characteristics of the unique water cycle and a strong sensitivity to climate change in the Tienshan Mountains, this project intends to increase the automatic rain gauges to getting high-resolution precipitation (rainfall and snowfall) data. Combined the multi-source data analysis and assimilation technology, this project obtains a high-precision precipitation database, analyses the change trend, spatial differentiation characteristics of snowfall fraction, clarifies the influence mechanism of snowfall fraction change and its response to climate change, and reveals the sensitivity of streamflow to snowfall fraction change. This understanding will then lay a scientific basis for the water resources management in Central Asia and silk road economic belt construction.

气候变暖直接影响区域水循环变化和水系统稳定性，引起河川径流补给方式和水文过程改变，加大水资源不确定性。天山被誉为“中亚水塔”，对中亚干旱区自然环境和绿洲生存发展具有重要影响，是当今地球系统科学研究的热点地区。在全球变暖背景下，天山山区降水的变异性加大，降雪率改变。而山区降雪率的改变不仅影响冰川的积累、消融过程，而且显著影响山区水文过程和水资源变化。本项研究针对该区观测资料稀缺、水循环过程复杂及水资源对气候变化极度敏感的特点，拟通过加密降水观测获得高精度的单点降水（雨/雪）数据，结合多源数据分析方法和同化技术，开展高精度的降雪、降水量观测和资料校正；辨析天山山区降雪率变化趋势、空间分异特征；阐明降雪率变化时空差异产生的根源、机理及对气候变化的响应关系；解析降雪率变化对山区产汇流变化的影响程度以及河川径流对降雪率变化的敏感性。研究成果对科学管理水资源、服务于国家丝绸之路经济带建设具有重要意义。

天山被誉为“中亚水塔”，对中亚干旱区自然环境和绿洲生存发展具有重要影响，是当今地球系统科学研究的热点地区。在全球变化背景下，中亚天山地区出现了温度急剧升高、且高位波动态势，导致一系列水量平衡要素变化，降水变异性增大、水资源有效性降低。降雪率（指降雪占总降水的比例）的变化受降水量和降雪量的共同影响，而山区降雪率的改变不仅影响冰川的积累、消融过程，而且显著影响山区水文过程和水资源变化。本项研究通过加密降水观测获得高精度的单点降水（雨/雪）数据，结合多源数据分析方法，开展高精度的降雪、降水量资料校正，采用阈值温度法辨析天山山区降雪率变化趋势，发现中亚天山降雪率可以分为两个阶段变化，在1990年代中期之前以0.6%/十年的速度上升，随后以-0.7%/十年的速度下降，降雪率下降趋势较大的地区位于东天山中部、北部和西部最西的南坡。降雪率下降主要发生在中低海拔地区（1500～3500m），在海拔较高（超过3500米）时，由于温度始终低于冰点，降雪率比值降低的幅度很小，甚至增加。冷季和暖季的降雪量和降雨量比例变化发现冷季降水量减少，尤其表现为降雪量减少，而暖季降水量增加且以降雨起主导作用。气温升高引起降水形式由降雪向降雨转变。同时，由于气温升高而饱和蒸气压增加促进蒸发和升华，从而一定程度上影响降雪率的变化。基于NEX-GDDP的多模型的集合结果，预测了未来气候变化下中亚天山的降雪（降雪量，降雪天数以及降雪率）变化，发现未来随着温度升高，尤其是冬季温度的增加，在RCP4.5和RCP8.5排放情景下会导致降雪量和降雪天数的持续减少，降雪量减少超过50%的区域主要集中在东天山。基于Budyko水平衡框架解析了降雪率变化对河川径流的影响，发现降雪率下降可能导致融雪情势和产汇流过程改变、河川径流量减少，同时，影响雪/冰川补给河流的春季径流时间，并导致夏季的水资源短缺。研究成果对科学管理水资源、服务于国家“丝绸之路经济带”建设具有重要意义。