气候变暖下西北干旱区降水形式的改变及其对径流的影响

Runoff in the arid regions of Northwest China is primarily fed by snow and ice melt, and extremely sensitive to climate change. In a warmer world, more precipitation falls as rain rather than as snow, decreases the amount of snow fraction, and causes shifts in regional precipitation phase. A shift from a snow- towards a rain-dominated regime is assumed to affect sreamflow. However, how these changes in precipitation phase impact on streamflow, and how to decipher the degree of impact is, still, unclear. Based on long term observed hydrometerological data and through the case study from arid regions of Northwest China, this study aimed at: 1) to analyze changes, trends, and possible reasons in the shifting of precipitation phase over the last more than 60 years, and assess the impacts of global warming on the changes in precipitation type in the arid Northwest China; 2) based on the sound physical and mathematical facts of Budyko framework, and by further combining the water balance equation and concept of elasticity, to enhance the water-energy balance estimation of Budyko framework with the time series snow fraction as a climatic variable, and present an enhanced calculation method; 3) using the enhanced method, estimate the impact of changes in precipitation phase on streamflow throughout the continuous watersheds of Northwest China. The results of this study can clarify the underlying fact of changes in precipitation types in the arid regions of Northwest China, and quantify the estimation of changes in water availability caused by changes in precipitation phase.

西北干旱区径流补给来源单一，均来自山区降水和冰雪融水，而这部分水资源对全球气候变化的响应十分敏感。气候变暖下，部分降雪转变为降雨、降雪率下降，导致降水形式的改变，对以冰雪融水为主要径流来源地区产生重要影响。然而，在降水量不变甚至有所增加或减少的情势下，降水形式的改变会如何影响径流？如何定量辨识降水形式改变对径流产生的影响？这属于亟待解决的问题。本研究以西北干旱区为典型区：1）基于序列气象资料，分析近60多年降水形式演变特征、趋势及原因，评价气候变暖对西北干旱区降水形式改变的影响；2）基于Budyko假设的物理和数学意义，与水量平衡方程和弹性系数相结合，以时间序列降雪率作为驱动变量，改进基于Budyko假设的流域水热耦合平衡计算，提出改进的算法；3）利用改进算法估算降水形式改变对西北干旱区河川径流产生的影响；预期研究成果对明确气候变暖下西北干旱区径流动态及降水形式变化关系具有理论与现实意义。

西北干旱区径流补给来源单一，均来自山区降水和冰雪融水，而这部分水资源对全球气候变化十分敏感。气候变暖下部分降雪转变为降雨，导致降水形式和降雪率的改变，对以冰雪融水为主要径流来源地区产生重要影响。本项目以西北干旱区降水形式的改变及其对冰雪覆盖流域水热条件和径流量的影响作为主要内容，分析西北干旱区近60多年降水形式的演变特征、趋势及其驱动力，估算典型流域降雪率和冰川消融深度，并把它们与陆面蒸散发估算Budyko方程和水量平衡方程相结合，构建适用于冰雪覆盖流域的Budyko水热耦合平衡模型，量化降水形式变化对径流的影响。结果表明，尽管气温在不断升高，西北干旱区近60多年降雪量却呈显著上升趋势，尤其是冬季降雪量；与此同时，降雨量也显著增多，造成在大部分地区降雪率不显著波动，只有部分高山区降雪率显著下降以及北疆部分区域降雪率显著增大。在大尺度上，与水汽输送有关的大气环流以及它们的强弱变化和相互作用控制西北干旱区降雨量和降雪量的时空分布，进而影响降雪率和降水形式的改变。西北干旱区降水形式从降雪到降雨的转变主要发生在春季，而且与气温升高密切相关，尤其是0 ℃以下气温的上升和0 ℃以下气温日数的减少是导致春季降雪率下降的主要因素之一。降雪率变化对西北干旱区径流的影响具一定的复杂性。Budyko水热耦合平衡框架下引入降雪率和冰川消融深度、重建流域水量和热量，可进一步量化降雪率和冰川消融变化对径流的影响。在长期视角下，若降雨等其它补给来源不增加或保持不变，降雪率的下降将引起冰雪覆盖流域径流量的减少。然而近60多年来，西北干旱区绝大部分典型流域径流在不同程度上呈增加趋势，这与降水量增多及气温升高下冰川消融的加快相关性显著，但与降雪率变化相关性不显著。目前，针对冰雪覆盖流域改进的Budyko 水热耦合平衡模型在天山6个典型流域得以应用，并初步获得了较好结果。尽管如此，该结果很难代表整个西北地区，需要在更多流域应用后总结更全面的科学的结论。