印度河上游冰川对气候变化的动力和水文响应
文献类型：学位论文
| 作者 | Muhammad Mannan Afzal |
| 答辩日期 | 2023-06 |
| 文献子类 | 学术型学位 |
| 授予单位 | 中国科学院大学 |
| 授予地点 | 中国科学院地理科学与资源研究所 |
| 导师 | 罗毅 |
| 关键词 | 气候变化 冰川动力 OGGM模型 冰川维度 冰川径流 |
| 学位名称 | 博士 |
| 学位专业 | 自然地理学 |
| 英文摘要 | 亚洲高山地区是冰川化最严重和最脆弱的山区。下游干旱地区依赖高山地区冰川融水，因为可以通过增加地表径流来调节旱季水文。气候变化下冰川的剧烈变化显著影响河流水文和形态，这使它们成为了气候变化的热点。上印度河盆地 是亚洲高山地区里高度冰川化的子流域之一，分布在中国、印度、阿富汗和巴基斯坦境内。上印度河盆地是地球上唯一横跨兴都库什山脉、喀喇昆仑山脉和喜马拉雅山脉的山区。根据 RGI 的资料, 上印度河盆地冰川总面积为 19327.7 km2，冰川面积比为 11.14%，总冰储量为 1790.85 km3，支持了塔贝拉水利枢纽出口年总输出流量的 25.8-67.3 %。但由于地形复杂、冰川化区域偏远、代表性数据稀缺等原因，该地区冰川及冰川径流路径的报道信息非常有限。 随着气候变暖，冰川面积和体积预计将急剧减少，据推测这主要是对气候变化的反应。另外，冰川水文将受到干扰，因为释放的冰川融水将在短期内提供更多的水，如果冰川融化殆尽，融水的输送将会减少甚至停止。代表径流的变化不仅取决于气候变化，因为各个冰川的实际表现会根据冰川的尺寸而有所不同。冰川的尺寸是多样化的，导致冰川对气候变化的响应也是不同的，例如质量积累和消融、冰川体积和面积的相对变化以及冰川水文过程。再加上气候因素的时空异质性，这些多样性在研究冰川变化对水文的影响时变得更加复杂。这引起了人们对冰川健康和淡水供应的严重担忧。因而有必要对气候变化下的冰川动态和水文响应进行定量后报和预测评估，以便为该地区水资源可持续管理的水资源管理、基础设施规划和环境政策决策提供信息。 本研究旨在检查冰川对气候变化的静态（质量平衡）和动态（面积/体积/长度）响应，然后考虑这些变化在尺寸效应的条件下如何影响冰川水文。遥感观测可以很容易地揭示质量平衡和冰川范围随时间的变化，但在冰川对气候变化的响应机制分析中仍然缺乏说服力，因为冰川大小和累积质量平衡会导致冰川的动态响应会有一定延迟。此外，目前的遥感方法不足以在研究个体冰川对水文的作用时研究单个冰川。 数值建模是唯一可以在大的时间和空间维度上评估这些反应的工具。尽管如此，长期质量平衡记录和冰川初始状态对于校准和理解冰川响应同步性至关重要。不幸的是，上印度河盆地中很少有质量平衡和冰川的相关数据。然而，目前的模型可以在一定程度上揭示冰川的积累和消融状态。但这些模型无法准确描述个体对气候变化的反应动态特征。此外，由于受限于冰川区域的计量数据和地形因素，这些数值模型在计算冰川或区域范围的质量平衡时具有很大的难度和不确定性。 上印度河盆地的冰川融水是径流的主要贡献者，但这一贡献在不同报告中差异很大。同样，这些模拟结果缺乏质量平衡的物理校准，并且它们可能由于被迫使用一般土地使用地图而无法代表每条冰川。此外，冰川水文模型校准是基于在盆地出口处观测到的流量。因此，模拟的径流成分及其贡献可能不能代表流量产生处的物理特性，这对冰川融水的贡献结果施加了很大的不确定性。 本研究提出的方法主要集中在不同维度的冰川如何响应过去和未来的气候变化，以及它们对冰川径流和峰值时间的影响。为此，我们根据尺寸对子流域冰川进行了分类。该研究通过两个实验进行。第一个实验对罕萨河流域进行了研究，通过根据冰川末端海拔和面积将冰川分为Z1-Z6六类，Z1代表最低端冰川，Z6 代表最高端海拔冰川。而在第二个实验中，所有八个子流域都根据冰川面积分类进行了研究。每个子流域的冰川被分为六类，即 S1、S2、S3...S6（S1：面积最小的冰川，S2：面积最大的冰川），这样就形成了 48（6*8）个类别，每个类别代表不同的大小、不同的小气候和不同的地理环境。 我们使用OGGM 模型用于探索冰川动力和水文响应。该模型结合使用经验和物理质量平衡以及冰厚度反演模块的组合来模拟冰川变化，这些模块建立在模块化架构之上，允许灵活和定制以适应不同的研究问题和应用。 OGGM被参数化用于模拟，模型性能分两步进行评估：大地质量平衡用于评估子流域和区域维度的模拟质量平衡，RGI-面积和ITMIX-体积数据用于检查冰川动态模块输出。基于冰川面积维度关系进行模型演化，并将模拟冰川径流与文献中冰川贡献（％）数据进行比较，以确保参数化模型的适用性。本论文使用 CRU-TS 进行后报 (1960–2019) ，使用GCMs 进行预测 (2020–2100) 。采用耦合模型比对项目 (CMIP6) 第六阶段的13个全球气候模型 (GCMs)及其四个SSPs 情景。 实验1：模拟罕萨物质平衡与基于文献的结果非常吻合。此外，冰川面积/体积的分类验证结果也与报告的冰川面积/体积一致（面积 Pearson r = 0.923- 0.999，体积 Pearson r = 0.897-0.998）。1960-2019 年度 MB 记录的估计结果显示，罕萨子流域的平均物质平衡为-0.09±0.21 m.w.e.a-1（累计：-5.29m），自2000 年代以来加速（平均：-0.16±0.20 m.w.e.a-1).类间累计物质平衡从-4.55 m（Z1）到-5.92 m（Z3）不等，说明中类（Z3、Z4）冰川物质平衡负值较大。月度 GR 显示高海拔冰川（Z4-Z6）仅在夏季对径流有贡献，这表明这些冰川对夏季温度的敏感性。然而，这些群体每年每单位冰川面积的GR几乎保持不变。气候变化情景(SSPs)下的未来评估表明，终端海拔高的小冰川（Z5、Z6）将损失高达 90% 的体积、面积和长度，而大冰川（Z1、Z2）仅损失约10%。就强度而言，Z4 损失最高（40.6 km3/558.6 km2/869.3 km2），Z6 最低（0.2 km3/10.8 km2/93 km）。 总体而言，2019/2020年，罕萨预计体积损失为128.01 km3 (38.1%)，面积损失为1266.01 km2 (31.61%)，长度损失为 2067.9 km (58.94%)。预测的冰川径流变化表明，盆地峰值将在 2060 年左右出现。同时，小型冰川的峰值已经在过去（Z6）或将在不久的将来（Z5）出现，而大型冰川（Z1-Z3）的峰值将会在2100年底出现。研究结果表明流域峰值径流是由末端海拔为 4221-4870（Z4 级）的冰川介导的。 实验 2：子流域和区域评估表明，模拟的物质平衡与报告吻合较好。此外，基于文献的面积/体积和模拟结果之间的相关性突出表现了在子流域规模的出色表现（面积R2=0.602–0.984，体积R2=0.673–0.984）。体积-面积比例经验常数和GR贡献的结果也与文献吻合良好，增强了模拟结果的针对性。分析表明，物质平衡的变化与冰川面积无关，因为相同大小的冰川随机分布在子流域中。然而，不同子流域之间的物质平衡变化差异显着。近60年来上印度河盆地的平均物质平衡为 -0.16±0.15 m w.e.a-1；2001-2018 出现了物质平衡的加速变化。 物质平衡对于罕萨河流域(-0.02±0.05 m w.e.a-1)、阿斯托尔河流域(-0.05±0.23 m w.e.a-1)、吉尔吉特河流域(-0.05±0.27 m w.e.a-1)和希格尔河流域(-0.05±0.19 m w.e.a-1)，而在希约克河流域(-0.12±0.08 m w.e.a-1)、印度河上游流域(-0.22±0.14 m w.e.a-1)、欣库河流域(-0.30±0.19 m w.e.a-1)和 赞斯卡河流域(-0.49±0.12 m w.e.a-1) 中观察到显著损失。仅在 1961-1980年，赞斯卡河流域的累计损失为 -10.50 m w.e.a-1， 喜马拉雅山脉 (-0.26±0.16 m w.e.a-1) 的区域质量损失最高，喀喇昆仑山脉的质量损失最低 (-0.06±0.17 m w.e.a-1) ，但兴都库什山脉的质量损失为 -0.15±0.20 m w.e.a-1. 上印度河盆地过去的动态变化，在冰川面积/体积/长度的类（S1-S6）之间的相对变化表现出不同程度的区别。在罕萨河流域，1960年至2019年期间，所有类别的体积百分比变化（96.66-100.96%）彼此非常相似，而在其他子流域，小型冰川与大型冰川之间存在显着差异。欣库河流域、希约克河流域、印度河上游和赞斯卡河流域的差异最大。小冰川(S2) 体积趋势与子流域趋势完全匹配。总体结果表明，小型冰川（S1、S2、S3）比大型冰川（S4、S5、S6）收缩得更快，并且在类别之间存在线性模式。从规模上看，上印度河盆地过去损失了 153.9 km3，其中34.77 km3 和 43.02 km3（损失量的 50.55%）分别是S1和S6级的减少量。 上印度河盆地的未来动态变化，在所有子流域的六个冰川类别趋势的未来冰川动态中可以看到明显的区别。小冰川(S1)预计将从 赞斯卡河流域、欣库河流域、吉尔吉特河流域和印度河上游等子流域消失，因为它们在2100年的剩余冰川体积预计为 3.15–8.53%。对于整个上印度河盆地，中型冰川（S3、S4）的预计体积从42.33% 到85.25%不等，而大型冰（S5、S6）的预计体积为 45.38-83.75%。从子流域来看，希格尔河流域、希约克河流域和罕萨河流域冰川的收缩率最低，但赞斯卡河流域、印度河上游和欣库河流域冰川的收缩速度要快得多。百分比损失率的比较表明，喜马拉雅冰川地区比喀喇昆仑冰川退缩得更快。总体而言，到2100年，上印度河盆地大型冰川将保留90.56%的体积。长度变化结果表明，S1-S2 损失最高(6.49%–53.80%)，S3–S4 损失适中 (35.12%–85.89%)，最低损失是 S5-S6 (45.09%–94.84%)。在预估的气候条件下，兴都库什山脉和喜马拉雅山脉西部次盆地是比较脆弱的，到2100年底前将失去50%以上的冰川。2100年，上印度河盆地预估的体积将是76.94%（1143.15 km3），面积将是67.64%（12532 km2)，长度为43.09% (8049.64 km)。 冰川水文结果，毫米水量与每月降雨径流几乎相同。但融水径流（毫米）与冰川尺寸有关，尤其是在夏季。然而，基于维度的类别中月融水径流的关系取决于子流域地理特征。寒冷月份的融水贡献几乎为零，所有冰川在七月都会产生大量径流。以类别划分的融水量级(Mt)与子流域的物理条件一致。例如，子流域阿斯托尔河流域、吉尔吉特和河流域、欣库河流域、欣库河流域和赞斯卡河流域小冰川(S1) 的贡献最高，因为它们在子流域的冰川面积中占了很大比例。 冰川径流的后报和预测变化因类别而有很大差异。根据类别/子流域对气候变化的响应，不同类别从过去到未来存在相对增加、减少或相关的变化。小冰川(S1) 显示出显著的变化。欣库河流域、印度河上游和 赞斯卡河流域小冰川呈减少趋势。罕萨河流域、希格尔河流域和希约克河流域小冰川的径流增加，阿斯托尔河流域和吉尔吉特河流域显示出过去-未来冰川径流的关联趋势。中型到大型冰川(S3–S6) 在喀喇昆仑山脉子流域表现出向上移动，而其他类别的其他子流域未来径流的趋势都具有不同的方向（减少或增加）。赞斯卡河流域是唯一一个所有类别都显示未来径流减少的子流域。冰川径流峰值的发现表明，小冰川峰值预计在未来早期出现，中型冰川峰值预计在中期出现，大型冰川径流峰值可能出现在本世纪的最后几十年。 在子流域维度上，冰川径流变化表明喀喇昆仑山脉子流域径流在1960-2100年间呈持续增加趋势，西喜马拉雅山脉和兴都库什山脉子流域在未来一段时间内呈减少趋势。而上印度河盆地的所有冰川径流总量显示出增加趋势，这突出表明上印度河盆地未来的冰川径流趋势是由罕萨河流域、希格尔河流域和希约克河流域冰川调节的，并且子流域内部的中型冰川(S3–S4)控制着重要的贡献子流域冰川径流。在赞斯卡河流域和印度河上游观察到最高和最显着的减少。总体调查结果表明上印度河盆地内的水资源分配将受到影响，并建议立即采取缓解措施来应对冰川变化，并确保该地区的长期水资源安全。本研究为预测未来冰川在不同气候情景下的演化提供了有价值的见解，并对水资源管理具有一定启示意义。 |
| 语种 | 英语 |
| 页码 | 210 |
| 源URL | [http://ir.igsnrr.ac.cn/handle/311030/199886]  |
| 专题 | 地理科学与资源研究所_研究生部 |
| 推荐引用方式 GB/T 7714 | Muhammad Mannan Afzal. 印度河上游冰川对气候变化的动力和水文响应[D]. 中国科学院地理科学与资源研究所. 中国科学院大学. 2023. |
入库方式： OAI收割
来源：地理科学与资源研究所
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