2. 中国科学院青藏高原地球科学卓越创新中心 北京 100101;
3. 兰州大学 兰州 730000
2. CAS Center for Excellence in Tibetan Plateau Earth Sciences, Beijing 100101, China;
3. Lanzhou University, Lanzhou 730000, China
青藏高原及周边地区, 平均海拔超过4 000 m, 具有南极、北极之外最大的冰储量[1], 其湖泊面积约占我国湖泊总面积的一半, 是长江、黄河、雅鲁藏布江等亚洲10多条主要河流发源地, 因此, 有"亚洲水塔"之称[2](图 1)。"亚洲水塔"储存了大量的淡水资源, 对"第三极"地区人类的生存和社会稳定及发展都有重要影响[3]。
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| 图 1 “亚洲水塔”的特征 |
冰川、冻土、积雪、湖泊、河流等是"亚洲水塔"的重要组成部分, 其中冰川面积约1× 105 km2, 多年冻土面积约1.3 × 106 km2, 常年积雪面积约3× 105 km2, 湖泊面积约5× 104 km2 ①。"亚洲水塔"也是亚洲10多条大江大河的源头。不同组分间保持动态平衡, 以维持"亚洲水塔"水循环。
① 数据源自第二次青藏高原综合科学考察研究队尚未发表的科考报告。
2 近50年"亚洲水塔"的变化过去50年来, 人类经历了前所未有的全球变暖。以青藏高原为核心的"第三极"地区更是全球变暖最强烈的地区。在全球每10年升温0.17℃的背景下, 这一地区每10年升温幅度高达0.3℃-0.4℃, 其升温幅度是同期全球其他地区平均值的2倍[4]。在快速升温的背景下, "亚洲水塔"正在发生剧烈变化[5], 呈现整体失衡特征, 主要表现为冰川加速退缩、湖泊显著扩张、冰川径流增加, 水循环加强。
2.1 冰川退缩导致"亚洲水塔"的固态水储量减少近50年来, "亚洲水塔"的冰川整体上处于亏损状态, 冰川储量减少约20%, 面积减少约18%[6]。冰川变化存在空间和时间差异。
在空间上, 喜马拉雅山及藏东南地区冰川末端和面积后退幅度最大, 向高原内部逐渐降低, 西昆仑、喀喇昆仑及帕米尔地区有一定数量的冰川处于稳定或前进; 冰川物质平衡出现同样的空间变化差异, 物质亏损幅度呈现从喜马拉雅山向高原腹地减小的格局[7]。第二次青藏高原综合科学考察研究发现, 自1976年以来, 藏东南冰川退缩幅度平均达每年40 m, 有的冰川退缩甚至超过每年60 m; 唐古拉中东段、念青唐古拉西段、喜马拉雅冰川末端退缩速率相当, 平均约为每年20-30 m; 向西至各拉丹冬地区约为每年17 m, 普若岗日冰原则减小为每年4 m左右; 至喀喇昆仑、西昆仑冰川末端变化不明显。面积变化上, 藏东南减小幅度最大, 超过25%, 个别小型冰川甚至达50%以上; 唐古拉中东段、念青唐古拉西段、喜马拉雅冰川总体减少20%左右; 向西至各拉丹冬地区约为8.8%, 普若岗日冰原则减小约为5.0%;至喀喇昆仑、西昆仑仅为1.4%-4.0%①。
在时间上, 20世纪90年代冰川状态发生了变化, 出现重要的转折。在此之前冰川长度、面积及物质平衡持续减小; 在此之后, "第三极"西北部西风带冰川出现稳定甚至前进, 物质平衡由负转正, 出现了"喀喇昆仑异常", 而东部和南部季风区冰川退缩幅度进一步加大[8]。
2.2 湖泊扩张是"亚洲水塔"液态水储量增加的标志"亚洲水塔"湖泊数量众多, 面积大于1 km2的湖泊有1 000多个。这些湖泊主要为内流湖, 约占湖泊总面积的90%, 多分布在海拔4 000-5 000 m的范围。第二次青藏高原综合科学考察研究发现, "亚洲水塔"湖泊数量明显增多, 80%以上的湖泊在扩张。面积大于1 km2的湖泊数量和总面积从20世纪70年代的1 081个和4× 104 km2扩张到2010年的1 236个和4.74× 104 km2[9]。青藏高原中部江湖源的色林错、纳木错、巴木错、蓬错、达如错和兹格塘错等6个湖泊, 1976-2010年面积扩张了20.2%, 尤其1999年以后表现出显著的加速扩张; 其中, 受冰川融水补给的色林错、纳木错和蓬错湖泊水位在1999-2010年分别上涨约1.0 m、0.7 m和1.1 m, 较非冰川补给湖泊上涨更明显。色林错1972-2017年面积增加了710.5 km2, 水储量增加24.9 Gt, 在2010年面积超过纳木错成为西藏最大的湖泊, 2017年色林错面积达到了2 396 km2。
在空间分布上, 内流区湖泊水位明显升高, 而在雅鲁藏布江流域, 湖泊水位以下降为主。目前, 青藏高原湖泊水量每年增加约8 Gt, 其中冰川、冻土融化的贡献达26%左右[10]。在有些地区, 冰川消融是湖泊扩张和水量增加的主导因素。例如, 纳木错水量变化的定量分析表明, 冰川融水对湖泊补给增量的贡献率为52.9%。
2.3 河流径流显著增大"亚洲水塔"的河流径流量变化对下游的水资源和水环境产生显著影响。以雅鲁藏布江、印度河和叶尔羌河上游流域为例, 冰川融水是叶尔羌河和印度河上游以及雅鲁藏布江流域的重要水资源。在我国西北内陆干旱区, 冰川融水占出山径流的25%- 29%, 而在塔里木河则占40%左右。冰川融水对黄河、澜沧江、长江、怒江、雅鲁藏布江和印度河源区年径流的贡献分别为0.5%、2.8%、7.8%、8.3%、15%和45.6%。
第二次青藏高原综合科学考察研究发现, 20世纪70年代以来河流径流量呈现不同程度地增加。根据长江源沱沱河流域冰川径流的估算结果, 沱沱河流域年平均冰川融水量为3.8× 107 m3, 在2010年, 冰川融水径流达到最大值, 比1960-2000年的融水径流平均值增加了120.89%。沱沱河流域冰川融水径流呈增加的趋势, 这与流域河道的年径流和湿季径流变化趋势基本一致; 冰川融水对河道湿季径流的补给率也呈增加趋势, 平均补给率为12.21%, 最大补给率为27.12%。1970-2013年, 雅鲁藏布江、印度河上游年径流量呈增加趋势, 冰川融水对径流的补给是径流量增长的主要因素[11]。
3 "亚洲水塔"变化的影响"亚洲水塔"近50年来不断向失衡方向发展, 主要特征是固态水储量减小。随着冰川的持续亏损, 冰川储量逐步减少, 冰川融水径流最终将减少甚至消失, 未来可用水资源减少[12], 水资源短缺潜在风险加剧。在未来气候变化情景下, 2046-2065年的日平均流量与2000-2007年日平均流量对比, 印度河上游径流将减少8.4%, 恒河上游径流将减少17.6%, 雅鲁藏布江径流将减少19.6%, 长江上游河流径流将减少5.2%[2]。
"亚洲水塔"变化导致冰崩和冰湖溃决等灾害发生频率增加。2016年7月17日和9月21日, 西藏阿里地区的阿汝53号冰川和50号冰川发生冰崩, 造成9名当地居民死亡、数百头牲畜被埋和优质草场毁坏[13]。2018年10月16日, 雅鲁藏布江中下游米林县派镇加拉村下游7 km处色东普沟发生冰崩, 冰崩及其携带的冰碛物导致雅鲁藏布江断流、水位上涨, 形成冰崩堰塞湖; 10月29日, 该地再次发生冰崩堵江事件。冰崩堰塞湖对上、下游派镇、墨脱县沿岸居民及交通线路构成巨大破坏, 且存在继续发生堵江风险。这是青藏高原从未有过的自然灾害现象, 严重威胁"亚洲水塔"的命运。1981年7月10日, 西藏聂拉木县樟藏布次仁玛错冰湖溃决, 洪水造成波曲河50多公里沿河两岸松散物质大量坍塌和滑坡, 诱发冰湖溃决泥石流, 导致樟藏布沟口的原707号大桥、波曲河友谊桥及附近建筑物全部被毁; 还使得尼泊尔境内的逊科西水电站部分被毁, 尼泊尔境内人员死亡达200多人[14]。2013年7月5日, 西藏嘉黎县然则日阿错冰湖溃决, 造成了人员失踪和房屋、桥梁、道路被毁, 直接经济损失按当时价值计算高达2.7亿元[15]。研究表明, 喜马拉雅地区面积大于0.0081 km2的冰湖数量, 从1990年的4 549个增加到2015年的4 950个, 冰湖面积增大了约14%[16]。在我国境内的青藏高原, 有210个冰湖威胁到人类定居点, 其中具有极高危险性的冰湖有30个, 集中分布在喜马拉雅山中段的吉隆县、聂拉木县和定日县[17]。未来几十年, 青藏高原冰湖溃决风险将增加。
"亚洲水塔"变化可以通过大气圈和水圈产生广域效应, 进而和南极、北极变化协同联动, 影响全球气候变化和水循环。①在全球变暖过程中, "亚洲水塔"通过改变海陆热力差异影响区域大气环流, 重新调制亚洲季风和西风的协同作用机制, 从而改变东亚和南亚降水时空分布。② "亚洲水塔"变化通过水圈作用过程产生的广域效应和南极、北极一样, 会加速冰川消融和外流河流径流增加, 对全球海平面变化产生影响, 进而通过对海平面的调整对我国沿海地区产生严重影响。因此, "亚洲水塔"与南极、北两极之间在某种程度上存在着的联动变化, 会共同影响全球变化。
4 第二次青藏科考和"丝路环境"专项在"亚洲水塔"变化与影响研究方面取得阶段性进展"亚洲水塔"冰川、积雪、冻土、湖泊和河流等关键过程的变化是水体多相态转换与作用的过程, 是一个多圈层相互作用的地球系统科学前沿问题。"亚洲水塔"变化的灾害风险不但给我国社会经济发展带来严峻挑战, 也对"一带一路"地区众多国家水资源规划管理和可持续发展带来环境风险, 事关人类命运共同体建设。这些挑战和风险的应对, 需要多学科综合科学考察研究来解决。
为了研究"亚洲水塔"的变化与影响, 并提出科学应对方案, 中国科学院率先部署了"泛第三极环境变化与绿色丝绸之路建设"战略性先导科技专项(A类)(以下简称"丝路环境专项") [18]。通过"第三极环境(TPE)"国际计划, 丝路环境专项联合了国内外相关领域的知名科学家, 通过综合集成观测和模拟, 对"亚洲水塔"的变化和影响进行过程和机制研究, 并以此为基础, 提出应对方案, 服务于"亚洲水塔"和"一带一路"地区的水安全战略和水资源管理。世界气象组织(WMO)、联合国教科文组织(UNESCO)、联合国环境署(UNEP)等国际组织已将第二次青藏高原综合科学考察研究队提出的"亚洲水塔"观测-模拟集成研究计划纳入其行动计划。
在丝路环境专项的支持下, 第二次青藏高原综合科学考察研究队将传统的地学观测与高新技术结合, 目前已经在"亚洲水塔"动态变化方面取得了国际青藏高原地球系统科学研究最新引领性成果, 研究成果发表在Nature、Science、Bulletin of American Meteorological Society和Nature Geoscience等期刊上。研究成果系统分析了印度季风与西风影响下的"亚洲水塔"动态变化现状, 分析了新型冰崩灾害的成因, 从地球系统科学理念提出了系统的"亚洲水塔"变化三维观测方案等[19]。部分成果入选2018年"中国科学院面向世界科技前沿14项标志性重大成果"。特别是, 通过高新技术与前沿科学问题的融合, 2019年5月, 第二次青藏高原综合科学考察研究队利用浮空艇平台实现了7 003 m高空水汽传输垂直变化过程观测, 创下浮空器原位垂直科学观测的世界纪录[20]。2019年1月25日和5月23日, 中央电视台《新闻联播》节目两次对此项科考工作进行专题报道, 在社会各界产生了广泛影响。
"亚洲水塔"科考成果融合于国家和区域水资源水安全战略。第二次青藏高原综合科学考察研究队承担了中共中央政治局常委、国务院总理李克强关于中国冰川变化批示的重大任务, 于2019年5月完成《关于我国冰川变化影响及对策的报告》《加强中国冰川变化监测的总体方案》等报告。在2018年8月28日, 在中共中央政治局常委、全国政协主席汪洋主持召开的中央推动区域协调发展战略调研汇报会上, "亚洲水塔"科考成果为"加强青藏高原生态文明建设积极应对气候变化"建议提供科技支撑。针对雅鲁藏布江的堵江灾害, 第二次青藏高原综合科学考察研究队队长姚檀栋第一时间赶往现场, 和西藏自治区主席齐扎拉一起现场勘查; 确定堵江成因为冰崩, 并协调多方研究力量, 快速完成《雅鲁藏布江大拐弯冰崩堵江事件科学评估报告》, 为西藏自治区的后期减灾行动提出了可实施的科学方案。中国科学院院长白春礼对该报告作出重要批示。在此基础上, 第二次青藏高原综合科学考察研究队正在加快建设雅鲁藏布江冰崩堵江灾害监测预警体系。
今后, 第二次青藏高原综合科学考察研究队将以阐明"亚洲水塔"各关键过程的变化特征、揭示近50年来"亚洲水塔"变化的过程与机理和预估未来不同气候变化情景下"亚洲水塔"的变化趋势为基础, 开展"亚洲水塔"变化对青藏高原及周边地区水循环与水生态的影响研究, 进行"亚洲水塔"水-生态系统-人类社会系统的链式响应评估, 拓展三极("第三极"、南极、北极)气候与环境变化及其影响的全球尺度联动研究和全球生态环境保护研究, 同时要体现第二次青藏高原综合科学考察研究水平"用得上、有影响、留得下"的定位, 建设自动化监测预警平台和示范, 提升区域防灾减灾能力。
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