气候变化下塔吉克斯坦雪旱风险及其对河川径流的调控机制

《Regional Sustainability》：Risks of snow drought and impacts on streamflow in Tajikistan

本研究针对中亚“水塔”塔吉克斯坦在气候变化下面临的雪旱风险，系统评估了1950–2023年间雪旱的时空格局及其水文效应。研究基于ERA5-Land再分析数据和实测水文资料，将雪旱划分为暖雪旱、干雪旱和暖干复合雪旱三种类型，揭示了雪旱发生频率（51.70%年份）与海拔、降雪分数的密切关系，并量化了雪旱导致暖季径流减少5.00%–18.00%的负面影响，为中亚高山区水资源适应性管理提供了科学依据。

　　

在全球气候变化加剧的背景下，高山地区的冰雪资源如同天然的“固体水库”，对维系区域水循环、生态平衡和社会经济发展具有举足轻重的作用。塔吉克斯坦，这个坐落在帕米尔高原和天山山脉的国度，被誉为中亚的“水塔”，其丰富的冰川和季节性积雪是阿姆河、锡尔河等主要河流的发源地，滋养着下游广袤的农田和数百万人口。然而，这片至关重要的冰冻圈正变得日益脆弱。观测表明，塔吉克斯坦的变暖速率已超过全球平均水平，导致积雪减少、雪线上升、融雪提前，这使得依赖冰雪融水补给的河流水文情势不确定性增加，区域水资源安全面临严峻挑战。在诸多水文气候风险中，一种被称为“雪旱”的现象日益凸显——它并非指完全没有雪，而是指冬季积雪积累显著不足或积雪过早消融，从而影响春季和夏季的水资源供应。与传统的气象干旱或农业干旱不同，雪旱直接冲击雪依赖型流域的季节性水资源可用性。尽管在北美西部和阿尔卑斯山等地区，雪旱研究已取得较多进展，但对中亚高山区，特别是塔吉克斯坦的系统研究仍十分匮乏。该地区复杂的地形、巨大的海拔高差以及显著的气候垂直带性，使得积雪的积累、分布和消融过程具有高度的时空异质性。为了厘清塔吉克斯坦雪旱的特征、驱动机制及其对河川径流的影响，一项发表在《Regional Sustainability》上的研究应运而生。

研究人员综合利用多源数据，包括欧洲中期天气预报中心的第五代陆地再分析数据（ERA5-Land）和全球径流数据中心（GRDC）的水文站观测数据，对塔吉克斯坦1950年至2023年的雪旱进行了系统评估。关键技术方法包括：基于降水异常和降雪分数（ snowfall fraction，降雪量占总降水量的比例）异常相对于气候平均值的偏离，来识别和分类雪旱事件；使用最大雪水当量（SWE_max）来量化雪旱的严重程度；通过Mann-Kendall非参数检验分析雪旱频率和严重程度的时间趋势；并选取五个代表性水文站（如Takfon、Dagana-Ata等）的径流数据，对比分析雪旱年份与正常年份的径流差异，以评估雪旱的水文影响。

3.1. 最大雪水当量（SWE_max）的时空分布特征

研究发现，塔吉克斯坦的SWE_max空间分布与海拔高度密切相关，呈现明显的垂直地带性。低海拔地区（0–1000米）的SWE_max仅为29.90毫米，而高海拔地区（4000–5000米）则高达827.80毫米，相差近30倍。瓦赫什盆地（Vakhsh Basin）的SWE_max最大值达到1478.40毫米。在过去70年间，塔吉克斯坦的SWE_max整体呈不显著的下降趋势（-0.16毫米/年），但变化趋势存在海拔差异：4000米以下区域SWE_max显著减少，尤其在1000-2000米海拔带减少最明显（-0.49毫米/年）；而5000米以上区域则呈现显著增加趋势（1.61毫米/年）。泽拉夫尚盆地（Zeravshan Basin）的SWE_max下降幅度最大（-0.40毫米/年），而瓦赫什盆地则略有增加（0.09毫米/年）。

3.2. 雪旱频率特征

研究期内，塔吉克斯坦有51.70%的年份发生了雪旱事件。在所有雪旱年份中，暖干复合雪旱（warm&dry snow drought）占比最高（21.90%），其次是干雪旱（dry snow drought，16.40%）和暖雪旱（warm snow drought，13.30%）。雪旱高发区主要集中在低海拔地区，如塔吉克斯坦的北部和西南部，频率超过60.00%。趋势分析表明，暖干复合雪旱的受影响面积比例呈显著增加趋势（0.12%/年），而干雪旱的受影响面积比例则显著减少（-0.12%/年），预示着未来暖干复合雪旱可能成为主导类型。

3.3. 雪旱严重程度特征

雪旱的严重程度同样表现出对海拔的依赖性，高严重程度区域主要位于低海拔地区。在严重程度排序上，暖干复合雪旱最为严重，其次是干雪旱，暖雪旱的严重程度相对最低。锡尔达利亚盆地（Syr Darya Basin）的整体雪旱严重程度最高，而卡菲尔尼甘盆地（Kafirnigan Basin）的严重程度最低，这与后者海拔较高有关。雪旱严重程度在过去70年也呈现增加趋势。

3.4. 雪旱与降雪分数的关系

雪旱的频率和严重程度与降雪分数存在显著的空间相关性。总体雪旱频率和严重程度与降雪分数呈负相关。但具体类型表现不同：暖雪旱的频率与降雪分数呈负相关（每单位降雪分数增加，频率平均减少0.20），而干雪旱的频率与降雪分数呈正相关（每单位增加，频率平均增加0.07）。这意味着暖雪旱更易发生在低降雪分数流域，而干雪旱更易发生在高降雪分数流域。所有类型雪旱的严重程度均与降雪分数呈负相关。

3.5. SWE_max对降水和温度的敏感性

SWE_max对冷季（10月至次年3月）温度和降水的响应受降雪分数影响。在低降雪分数区域（小于0.60），正温度异常和负降水异常是引发雪旱的主要因素，SWE_max对温度变化更敏感。在高降雪分数区域（大于0.60），负温度和负降水异常是雪旱的主要驱动因素，SWE_max对降水变化更敏感。这反映了低温条件下降水相态（雪或雨）对温度变化的敏感性差异。

3.6. 雪旱对径流的影响

雪旱事件对径流的影响表现出空间异质性和季节性差异。总体而言，雪旱年份倾向于使部分站点冷季径流增加27.00%–40.00%，而使暖季（4月至9月）径流减少5.00%–18.00%。在冷季，暖雪旱对径流的增加效应通常强于其他类型。在暖季，Dagana-Ata、Chinor和Garm等站点在暖雪旱年份径流减少最为显著。Mouth站则较为特殊，所有类型的雪旱均导致其径流减少。这种复杂的响应模式凸显了雪旱水文影响的区域特异性。

该研究结论明确指出，塔吉克斯坦的雪旱在气候变暖背景下正变得更为频繁、严重，且以暖相关过程为主导。其发生频率、严重程度和类型分布具有显著的海拔依赖性和降雪分数依赖性。低降雪分数流域面临更高的暖雪旱风险，而高降雪分数流域则对干雪旱更为敏感。这些变化直接影响了河川径流的季节分配，导致暖季水资源供应减少，加剧了干旱季节的水压力，对于高度依赖夏季融水进行农业灌溉和水力发电的塔吉克斯坦乃至整个中亚地区构成了严峻挑战。研究揭示的雪旱传播机制及其水文后果，为在该地区制定适应气候变化的可持续水资源管理策略，如调整灌溉计划、优化水库调度以及加强跨境水资源分配合作，提供了关键的科学依据。随着观测到的变暖趋势和降水减少趋势持续，暖干复合雪旱的风险预计将进一步增加，凸显了在该水资源敏感区域加强气候适应能力的紧迫性。