黄河源冻土区生态水文过程对气候变化的响应

Understanding the influence of permafrost degradation on the eco-hydrological processes is a great challenge in hydrological research in cold regions. On the other hand, assessment and prediction of eco-hydrological responses to climate change in permafrost regions of the Yellow River is urgently required for the Yellow River basin management in order to achieve sustainable utilization of the water resources and sustainable development of the ecology. Taking the changes in runoff in the Yellow River headwaters as the starting point, this research project uses a comprehensive methods combining field experiment, data analysis and numerical simulation, and carries out in-depth studies on two key scientific issues: (1) the interaction of soil freeze-thaw processes and eco-hydrological processes, and (2) influence of permafrost changes on the runoff yield mechanism. By revealing the responses of seasonal frozen soil and permafrost to climate change in the Yellow River source region, it aims to understand the mutual interaction between the permafrost change and eco-hydrological processes, and explains the effect of permafrost changes on the runoff yield mechanism. A distributed eco-hydrological model will be developed for the permafrost region, and will be used to assess and predict the eco-hydrological change and its impact on the river runoff in the source regions of the Yellow River under climate change.

正确评估和科学预测黄河源冻土区生态水文过程对气候变化的响应是面向水资源可持续利用和生态可持续发展的黄河流域管理的迫切需求。同时，如何认识冻土退化对生态水文过程的影响也是寒区水文学研究面临的巨大挑战。本项目以黄河源区河川径流变化这一现象为切入点，采取野外观测、数据分析和数值模拟等综合研究手段，针对土壤冻融过程与生态水文过程的相互作用机理和冻土变化对流域产汇流机制的影响两个关键科学问题开展深入研究。通过揭示黄河源区季节冻土和多年冻土对气候变化的响应，辨识冻土变化与生态水文过程的互馈机制，阐释冻土变化对流域产汇流机制的影响；建立分布式冻土-生态-水文耦合模型，评估和预测气候变化下黄河源区冻土退化导致生态水文变化及其对河川径流的影响，为黄河流域的水资源适应性利用和生态保护提供科学依据。

本项目针对气候变化下黄河源区冻土水文变化开展了现场观测、机理分析和数值模拟等研究，取得以下主要研究成果：（1）揭示了过去60年间（1960~2019）黄河源区季节性冻土和多年冻土变化的时空特征及其对气候变化的响应规律，基于IPCC第六次评估报告CMIP6典型排放路径下全球气候模式模拟的未来气候情景，预估了未来50年（2021~2070）黄河源区冻土的时空变化趋势。（2）基于数据分析和数值模拟，揭示了土壤水动态对冻融过程的影响；基于遥感反演分析，揭示了黄河源区植被生长季开始时间变化趋势及其空间差异；结合分布式冻土水文模拟，分析了不同气候区冻土退化对植被根区土壤含水量的影响，揭示了植被叶面积指数与冻土退化的关系。（3）构建了黄河源区分布式冻土-生态-水文过程耦合模型，基于实测水文气象数据并结合分布式冻土-生态-水文模拟，分析了黄河源区过去60年的降水-径流关系、径流成分及径流情势等的时间变化规律及其空间变化特征，从而揭示了黄河源区冻土变化对流域产汇流机制和径流情势的影响。（4）模拟了过去60年黄河源区水循环变化过程，分析了水循环要素时空变异特征，揭示了黄河源区历史径流变化的原因。根据CMIP6未来气候情景，预估了未来50年黄河源区水循环和河川径流的变化趋势。（5）将本项目研究拓展到全青藏高原，建立了完全由卫星遥感驱动的、水热过程完整耦合的土壤冻融过程模型GBEHM-RS，模拟和分析了青藏高原在最近15年间的冻土时空变化。构建了模拟青藏高原冻土变量的机器学习模型，估算了青藏高原冻土碳储量及其空间分布，结合未来青藏高原冻土未来变化情况，评估了未来气候情景下青藏高原冻土碳的释放风险，并分析其对区域碳收支的潜在影响。