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中图分类号：P343.6文献标识码：A文章编号：1000—3037（2008）01—0001—08
1 引言
冰川大约占世界淡水资源总量的3／4，等同于全球60年的降水，在世界许多地区，冰川对周围低地水资源数量有着重要贡献。冰川对气候变化反应十分灵敏，全球升温引发的冰川快速退缩不仅影响依靠融水补给淡水的人们的生活，而且还是影响海平面上升的重要因素，其贡献仅次于热膨胀。因此，国内外开展了广泛的研究，本文旨在对这些成果予以总结，以促进国内在这方面研究的深入开展。
2 国际研究进展
国外的研究起步较早，涉及面较广，研究比较细致和系统，取得了诸多有益的成果。
2.1 冰川水资源特性研究
冰川水资源对水文循环有着重要的作用，人类对淡水需求的日益增长促进了对冰川径流特性的研究。冰川作为固态水库冬季积累而夏季释放，尤其在干旱年份，融水对于维持河流水量稳定起着非常积极的作用，这对于人类和野生动植物意义重大。冰川水文与常规水文存在明显的不同，其原因是冰川通过不同时间尺度的雪和冰水资源储备改变了径流的水量、水文时刻和变化性[1]，流域内冰川的“健康”和大小以及冰川盖度对水文情势有着重要影响[2]。此外，冰川径流还与厄尔尼诺、拉尼娜、北极涛动等大规模天气事件存在着遥相关[3～5]。
2.2 冰川径流估算与模拟
融水径流预测涉及水供应、水利设施管理、洪水预报等有效水资源管理的很多方面[6]，具有重要的科学和实践意义，对于我们理解冰川水文过程和机制做出了很大贡献[7]。从水资源角度可将冰川水文模型归纳为随机性模型、概念性模型和基于物理机制的模型。
随机性模型大量发展于20世纪六七十年代，它将冰川径流直接与气象变量使用回归方法联系起来，变量随流域而调整。早期Norwegian冰川流域的研究发现，流量通常可以用空气温度、降水和风速[8] 等变量解释。温度经常被用于随机模拟，原因在于长波、短波辐射和敏感的热湍流都与之相关[9]。虽有时空变化方面的不足，鉴于温度变量数据容易获取，Hock[10] 曾依据度日因子对其进行过改进。随机性模型缺少概念基础和通用性，参量基于观测数据，故不能应用于未来气候变化下的径流预测。
概念模型一般由代表已知自然过程的数字序列构成，但是由于通常对流域自然过程分异性的认识有限，而以输入数据的空间平均（插值）代替其空间变化[7]。概念模型包括线性概念水库和回归分析模型两类。线性水库模型因冰川不同的储存变量可以分为单、双和三水库模型，水库间的关系可以是一个流入另外一个[11] 或者是相互平行的关系[12]。错误的物理原因有时却可以实现准确预报，原因在于降雪和融水因子中一个被低估，而另一个被高估[13]。线性回归分析模型通过解析水文回归曲线而探讨线性水库（一个或多个）的变化特征及在融水径流中的作用，从而提供概念水文模拟的输入变量[7]，其结果还存在着很多不确定性。伴随着计算机功能的强大，概念模型发展很快，并开始与气候变化模式嵌套使用[14]。
模拟冰川水文的物理机制非常复杂，这不仅涉及在融化温度下液体状态的水通过固体状态的冰，而且还涉及冰川系统很强的时空变化性。故基于物理机制的模型发展缓慢，目前仍处于初级阶段。最初，基于物理机制的模型被用于反演冰川水文的观测现象。Rothlisberger[15]和Shreve[16] 分别提出了冰川内管流和潜流的简单数字模型。Arnold等[17] 提出了第一个完全基于物理机制的冰川模型，包括表面能量平衡模型、汇流模型和冰下模型。之后，Flowers和Clarke[18，19] 又将地下水系统纳入模型。能量平衡模型虽然相对准确[6]，但在模拟湍流和消融时空变化方面存在很大的不确定性，仍需做进一步的研究。
目前，随机性模型、基于物理机制的模型各因不足而应用较少，概念模型占据模型估测的主导地位，应用很广，但尚需进一步发展不同水流路径的过程模拟以提高精确度。
2.3 冰川变化对海平面上升的影响
山地冰川对海平面变化的影响越来越受关注。山地冰川虽仅占全球冰储量的3％，但由于位处比极地冰盖更为温暖的气候环境，规模较小，对升温的响应更为敏感，在当前气候状态下退缩很快，对于海平面上升具有重要的贡献。据最近IPCC第一小组[20] 的估计，1960～1990年期间，它们的总体物质平衡为－120±50Gt／年，相应地对海平面上升的贡献约为0.33±0.14mm／年；1990～2004年时段则分别增大为－230±66Gt／年，0.63±0.18mm／年。
极地冰盖对海平面变化的影响。南极冰盖和格陵兰冰盖占全球冰储量的97％，如全部融化，可使全球海平面上升约70m。极地地区范围较大且环境恶劣，对其物质平衡的估算十分困难，卫星和航空飞机，雷达和激光测高目前在监测方面起着主导作用。东南极洲是地球上最大的固体冰库，1992年以来的勘测结果认为其下属的Dronning Maud Land和Wilkes Land降雪收入明显增加，其总体物质平衡年度变化在－1～67 Gf／年之间，这在一定程度上减弱了海平面上升的幅度[21，22]。西南极洲的冰川融化可以使海平面上升5m多，它因冰架底部融化、冰山的脱离与加速的入海冰流而使物质损失[21]。贯穿20世纪90年代的多次观测表明，西南极大陆年度损失范围在47～59Gt／年之间，2002年开始加速为107～136Gt／年。格陵兰冰盖如果完全融化，可以使海平面上升7m[23]，其内部较高部分源于降雪而积累有所增加，但较低部分通过表层融化、冰山崩解和浮冰舌底部消融损失[22，23]。90年代，格陵兰冰盖的物质损失大致为50Gt／年，近期卫星干涉度量表明1996～2005年，物质损失增加至102Gt／年，气象观测和重力勘测也支持物质加速损失[22]。总体而言，20世纪极地冰盖对海平面上升的影响可以忽略，当前影响大致为0.35mm／年[22]。
综合山地冰川与极地冰盖的影响，近期陆地冰体对海平面上升的贡献约为0.98±0.18mm／年。而冰川的加速消融态势在未来是否会持续，抑或是速度更加变大，值得人们关注。
2.4 气候变化对冰川水资源的影响研究
冰川径流是一系列大气和陆地过程跨时空尺度的综合作用反应，气候变化与山地冰川几何形态变化对于冰川水文有重要影响。径流短期内（年际）的增减，取决于气候变化的幅度和时刻，尤其是空气温度和降雨；而长期（10年际）的冰川几何形态变化将扮演日趋重要的角色[24]，即便保持高的消融速率，形态变化将最终限制融水的产量[25]，径流先增后减。
冰川波动过程主要由温度和降水的变化所引起，但温度每上升1K，需要降水增加25％来弥补损失[26]，温度在气候变化过程中对冰川物质平衡起主导作用。温度升高还可以使降水中的雨雪比例变化及冰川表面融雪过程增强，从而降低反照率并暴露更多的冰而促进消融。冰川的规模决定冰川对气候变化的敏感性，小冰川较大冰川的响应更为灵敏[27]。此外，冰川位于不同的气候区，气候变化及响应均有差异。为提高模拟冰川变化的准确度，Oerlemans[28] 较早采用考虑冰川的区域差异、规模差异、温度和降水变化等方面的方法。
伴随近百年来的气温升高，全球冰川普遍退缩。阿尔卑斯山1850～1975年冰川面积缩小了35％，而到2000年，这一比例增至50％，1985～2000年的面积退缩率约为1850～1975年的5倍和1975～2000年的1.7倍[29]，退缩呈明显加快态势。这可能诱发超过历史时期变化范围的景观格局、坡度稳定性、水循环、河流泥沙量和自然灾害变化[29]。南美冰川面积已由1950～1980年的2700～2800km[2]消减至20世纪末的不足2500km[2][30]。安第斯山的冰川退缩已对区域饮用水供应及灌溉、发电等造成了威胁[31]，还可能形成河流洪水和冰湖溃决，引发灾害[32]。基于海气耦合模式估测的气候条件、气候预测结果对冰川物质平衡的影响、物质平衡序列对冰川表面积演化的模拟结果[33] 表明，至2050年北半球冰川储量将平均减少50％。近期，Zemp等[29] 的工作又开始采用遥感、数字地形和数字模拟技术，其预测结果为夏季升温3℃，可使阿尔卑斯山现存的冰川面积减少80％，而升温5℃，则该地区的冰川消失；降水变化±20％，对所估计的将会保存下来的冰川面积的影响不足2％，总体前景堪忧。
部分学者还开展了冰川径流对气候变化的响应研究。Kaser等[34] 基于41年的降水和径流季节平均资料反演了冰川对径流的作用，认为冰川对径流的影响随覆盖率的升高而增大；在干旱年份，冰川对径流的影响更大；如持续近10年的物质损失速度，冰川将强烈退缩乃至消失，在干旱年份的补给作用将比以前减弱，水资源管理长期上不能再依赖这种情形。Rees和Collins[35] 研究了喜马拉雅地区东西部冰川河流对气候变暖响应的区域差异，指出该地区冰川河流对气候变化的响应总体趋势一致，但东部径流峰值出现晚，而且消失过程较长。
3 国内冰川变化对水资源的影响研究进展
我国西部冰川是我国及诸多周边地区河流重要的补给水源，近几十年来西部冰川持续退缩[36]，这将对周边地区水资源的时空分布、社会经济发展及生态环境演化产生重要的影响，已成为众所瞩目的焦点[37，38]。国内相关研究成果可以概括为以下4个部分。
3.1 冰川变化对径流影响的时间变化特征
冰川变化形成的径流不是一成不变的，而是具有时间变化规律的。冰川退缩可分成3个阶段[39，40]，融水相应不同。当冰川退缩处于第一和第二阶段时，冰川消融面积呈增加与稳定状态，此时的冰川融水量也相应为增加和稳定；当冰川退缩处于第三阶段，由于消融面积逐渐减少，冰川融水量也将开始逐渐减少。冰川径流的变化是气候条件和冰川面积变化共同作用的结果，径流在升温初期的增加量以及峰值出现时间取决于升温的速度[41] 和冰川规模大小[42]，升温越快，峰值越大，降值出现时间越早；冰川越小，气温升高引起的冰川径流变化越大，冰川径流的峰值大、退缩也快。冰川规模对于融水变化的不同影响源于冰川越小，自反馈冷效应越低，从而冰川随气温升高面积减少的比例越大，而大冰川则相反[40]。
3.2 冰川变化对径流影响的空间变化特征
冰川波动的空间分布特征决定于气候状况的空间分异性[39]，不同气候区域气温与降水量差别很大，导致冰川的物理性质（温度、流速、成冰过程等）有很大出入，由此严重影响融水量及其今后的变化趋势[43]。刘潮海等[37] 依据物质平衡水平、物质平衡变化幅度、冰川作用能和冰川面积变化率等活动性指标将西北干旱区的冰川分为较活动的冰川区（Ⅰ）、较少活动的冰川区（Ⅱ）、最少活动的冰川区（Ⅲ）。Ⅰ区冰川径流可能在下世纪初达到临界状态；Ⅲ则可能出现在下世纪中后期。最近谢自楚等[44] 则依据零平衡线处的年总消融量、冰川中值面积及冰川作用差、冰川规模为指标将冰川划分为敏感与稳定两大类冰川系统，敏感型区径流高峰出现时间早而径流增率小，稳定型区则反之。该研究考虑的因素更为全面，并且以系统的观点看待流域冰川变化，更为合理。
3.3 冰川补给河流对气候变化的响应
冰川径流对气候变化的反应要比河川径流更加敏感[45]，研究不同类型冰川径流补给河流对气候变化的响应对于气候变化条件下的水资源管理与利用有着重要贡献。王宗太[39]对9条冰水河1956～1980年资料的分析表明：在冰川退缩时期，冰水比≤10％者径流量逐渐减少，≥50％则是增加，冰水比例愈大愈对气温波动敏感，反之则对降水敏感。刁平等[46]分析了1960年代至1990年代乌鲁木齐河夏季径流的丰枯量大小变化以及径流变差系数的变化，推测冰川对径流的调节能力在下降。近期，蒋艳等[47] 的研究运用小波分析对阿克苏河流域径流资料的研究表明，径流响应气候变暖的方式与径流补给来源有关。尽管目前这些研究在分析径流变化及响应方面有所加深或提高，还不能反演过去或模拟未来的变化趋势，无法提供冰川补给河流的未来水文情势。
3.4 冰川变化对径流影响预测
冰川径流变化关乎我国西部地区的水资源供应情况，径流预测具有重要的现实意义。应用的主要方法为模型法及依靠历史数据粗略估计法。模型估测主要包括水量（物质）平衡模型和冰川系统变化模型。赖祖铭[45] 等提出了一个涉及冰川区、多年冻土区以及季节冻土区的高寒山区水量（物质）平衡模型，预测结果表明未来以冰川融水补给的乌鲁木齐河径流量将逐渐减少。谢自楚等[44] 运用中国冰川系统模型预测1980年全国冰川总径流量为615.7×10[8]m[3]，在升温0.02K／年及0.03K／年情景下，2000年比1980年增大7.13％～10.8％，径流总量增至659.66×10[8]～682.24×10[8]m[3]；之后逐步增长，在2030年左右均达到了最高峰，径流增率分别为9.6％及15.0％，总径流量分别为675.15×10[8]m[3]和707.91×10[8]m[3]。2030年以后，全国冰川径流均开始从高峰缓慢回落，但直到2050年分别比初始径流量多8.6％及13.6％。该模型还可以依据升温与降水序列进行一定的修正，可以预测出中国冰川径流变化的大致情势。但正如作者所言，模型假设的初始年的物质平衡值为零只是相对值，消融量和冰川厚度的计算公式也比较陈旧，有待更新。此外，施雅风[43] 和姚檀栋等[38] 还依据有限的气候、冰川及冰川径流变化数据外推而进行粗略估计，有助于我们了解部分地区冰川水资源变化的大致情景，但主要依赖类比，对温度、降水及冰川变化的区域差异考虑不足而存在一定误差。
4 结论
国内外研究虽取得了不少成果，但目前具有长期观测资料的冰川数目较少，主要分布于欧洲，多为中小冰川，急需加大监测数量，并利用航空、遥感、激光、雷达、数值模拟等现代手段，增强全球冰川退缩的机理、过程及模拟研究。而在冰川几何形态（面积和高度）对气候变化的响应以及融水产生过程方面的研究仍存在一定的难度，气候变化的区域性及不确定性也会给未来预测带来困难。
与国外相比，国内研究起步晚，研究的深入程度与范围等方面仍然存在很大的差距。突出表现在冰川融化对水资源影响的作用过程与机理研究很少，预测模型在种类、概念框架及技术手段方面发展滞后于国外。现有研究表明，未来几十年内我国将出现融水径流高潮期，相关的河流洪水以及冰湖溃决洪水、泥石流灾害也将增多，对于灾害的分布、变化趋势以及区域受灾敏感性的分析十分重要。此外，西部冰川变化对海平面上升的影响以及对大规模天气事件的响应研究也有待进一步加强。冰川退缩对水资源供应及自然灾害的影响是西部大开发必须考虑的内容，急需推进相关研究。目前国内长期监测的冰川只有5条，加上其他手段，所监测的冰川也仅占中国冰川总条数的10％和总面积的1／4[36]。西部地区气候、冰川、径流变化的监测乏力，影响了研究的开展。今后应加强野外调查、定位观测与航空、遥感、激光、雷达、数字模拟、地理信息系统等现代技术手段相结合，多渠道地获取、分析资料，促进流域尺度气候、冰川、径流变化的分析与模拟研究。
收稿日期：2007—01—01：修订日期：2007—10—24。
基金项目：国家自然科学基金创新群体项目（批准号：40121101）；国家重点基础研究发展计划项目（2005CB422004）资助。