新疆阿尔泰山地区积雪和冻土对气候变化的响应机理及其水文效应研究

The Altai region is located on the southern boundary of the latitude permafrost, it is hot-dry in summers and cold-snowy in winter. In recent years, the changes in climate, snow cover and frozen ground and its hydrological effects in here are very obvious. The frozen ground in Altai have been investigated only in 1980, lacking of long-term observation and systems research. This project intends to use the existing meteorological stations and the observation data of frozen ground and hydrological station data, combined with mathematical statistical analysis, observations, modeling and remote sensing technology and other means, to reveal the response mechanism of snow cover and frozen ground to climate change in basin-scale, evaluate the impact of changes in climate, snow cover and frozen ground on water resources in the future. Based on the hydrothermal process of the the active layer of the frozen ground, to analysis the response mechanism of the frozen ground to climate change; to study the response mechanism of snow cover and snow water equivalent to climate change by snow remote sensing and fixed-point observation; taking the source of the Ertix River as a typical basin, to establish the model of snow cover, frozen ground and runoff by the observation and research of the snow cover, frozen ground and hydrology; to quantitative assessment the effects of the changes in snow cover and frozen ground on water resources by stable isotope tracer technique.

阿尔泰山地区是北半球中纬度地区多年冻土的特殊地区，处于纬度多年冻土的南界区域，夏季干热少雨，冬季严寒多雪。近年来本区气候变化较为明显，积雪和冻土变化及其水文效应表现突出。中国阿尔泰山的冻土研究仅在1980年进行过考察，缺乏长期的观测和系统研究。本项目拟利用已有的气象台站及冻土观测资料和流域水文资料，结合数理统计分析、实地观测、模型模拟及遥感技术等手段，揭示流域尺度积雪和冻土对气候变化的响应机理，评价未来气候、积雪和冻土变化对流域水资源的影响。以野外观测的区域内冻土活动层水热过程为基础，分析冻土对气候变化的响应机理；利用积雪遥感和定点监测资料，研究区域内积雪面积与雪水当量等对气候变化的响应机制；以额尔齐斯河源区为典型流域，通过积雪、冻土和水文的定点监测与研究，建立流域尺度的积雪、冻土与径流变化关系模型；利用稳定同位素示踪技术研究流域径流的组成及来源，定量评估积雪、冻土变化对流域水资源的影响。

阿尔泰山地区近年来气候变化明显，积雪和冻土变化及其水文效应表现突出。利用气象台站和水文资料，结合模型及遥感手段，分析了流域积雪和冻土对气候变化的响应机理，评价了其变化对流域水资源的影响。以额尔齐斯河源区为典型流域，通过积雪、冻土和水文的定点监测研究，建立了积雪、冻土与径流变化关系模型。主要成果为：1）1961—2011年间阿尔泰山地区出现了显著增温，区域气温度增加了2.1℃，降水也有增加趋势；伴随降水增加，积雪也呈现增加，表现出更长的积雪持续期和更大的积雪深度；2）阿尔泰山季节性冻土退化显著，表现在冻土温度升高、冻结开始时间推迟和冻土融化时间提前、冻土的最大冻结深度减小以及冻土的融化方式改变等。温度是冻土变化的主要控制因素，但是积雪变化可显著影响冻土的冻融过程；其中，积雪20cm厚是积雪对下伏土壤冻结影响的界限，积雪超过20cm就有一定的保温作用；超过40cm时气温变化对下伏土壤冻结的影响保持稳定；3）额尔齐斯河源区冬季积雪主要是空心化的密实化过程. 库威站2012年冬季总升华量和凝结量分别为143.3 mm、113.9 mm，平均升华和凝结速率分别为3.7和2.9 mm/d；4）利用改进的度日因子模型进行了分布式积雪消融模拟，计算2012年春季融雪径流可达1.68×108 m³，占春季总径流量的72.1%；5）在山区，气温、降水的变化会对冰雪融水产生影响，进而影响流域水文水资源。未来30a冰川融水量随气温升高有明显的增加。在RCP4.5、A1B和B1情景下，2011-2040年冰川年平均融水量比2001-2010年分别增加0.73、0.56和0.20×108 m³；6）基于CoupModel模型，构建了阿尔泰山地区大气-积雪-冻土的一维垂向能水运移过程模型，模型能够很好地模拟阿尔泰山地区的积雪和冻土过程；7）利用稳定同位素示踪技术对2014/2015年度径流分割显示，基流占年流量的22%，降雨径流占56%，融雪径流占22%，其中，冬季主要是基流，春季和夏初主要是融雪径流，夏季和初秋季以降雨径流为主；8）在全球气候变化下，阿尔泰山地区冬季气温升高，春季积雪消融提前，春季融雪洪水提前并洪峰流量增强；由于冬、春季积雪增多，雪灾发生频率增加，春季的融雪洪水灾害危害增强. 应加强水文水资源安全对气候变化的应对措施，提高水资源安全保障，减缓气候变化的危害.