北极地区河流流量变化模式：基于VIC模型的多流域分析

《Journal of Hydrology》：Shifting streamflow regimes in the arctic: a multi-basin analysis using the VIC model

　　

赵敏|白学志|潘顺祺

中国南京，河海大学海洋学院，210024

摘要

北极径流在调节全球淡水平衡中起着关键作用，但其长期变化及其控制机制仍不为人所充分理解。本研究基于观测数据集分析和可变渗透能力（VIC）水文模型的模拟，研究了1972年至2024年间六大主要北极河流流域（马更些河、育空河、科雷马河、勒拿河、叶尼塞河和鄂毕河）的流量变化。采用多尺度统计方法评估了气候要素与流量之间的长期趋势和尺度依赖性关系。VIC模拟进一步将这些变化归因于降雨（Rf）、蒸发（E）、雪水当量变化（ΔSWE）和土壤湿度变化（ΔSM）贡献的变化，证实了从以融雪为主导的径流制度向以降雨为主导的径流制度的转变。育空河和科雷马河在21世纪初完成了这种转变，而勒拿河和马更些河仍处于过渡状态。鄂毕河的径流制度相对稳定，但降雨的影响正在增加；叶尼塞河虽然仍受雪的影响较大，但也显示出向混合径流制度的转变。这些特定流域的轨迹揭示了北极水文对持续变暖的异质响应。本研究证据表明，在加速变暖的情况下，北极水文过程正在发生持续变化，这对淡水输出、永久冻土-水文反馈以及高纬度地区的陆地-大气相互作用具有重大意义。

引言

北极放大效应是指极地地区相对于全球平均水平的变暖速度加快的现象，主要由海冰减少、地表反照率降低和大气湿度增加驱动（Serreze和Barry，2011）。这种快速的气候变化引发了北极水文系统的广泛变化，包括年河流流量增加和流量季节性变化加剧。数十年的观测记录显示，勒拿河、鄂毕河、马更些河和育空河的年流量都有显著增加（Peterson等人，2002；McCllelland等人，2006；Déry等人，2009）。这些流量增加伴随着雪融提前、冬季基流增加以及极端气候事件的增强，主要是由降水模式变化、积雪覆盖时间缩短和永久冻土广泛融化引起的（Frey和Smith，2005；Walvoord和Striegl，2007；Peralta-Ferriz等人，2023）。最新分析进一步证实，近年来流入北冰洋及其邻近海域的河流水量有所增加，特别是在俄罗斯北极地区（Magritsky等人，2018；Magritsky等人，2025）。这些水文变化对北冰洋的淡水输送以及高纬度地区的碳和能量循环稳定性具有重要影响。

尽管北极流量的增加已有充分记录，但这些变化背后的机制仍不甚明了，并且在不同流域之间存在差异（Rawlins等人，2010；Feng等人，2021；Vihma等人，2016）。Bring等人（2016）发现，近几十年来雪水当量（SWE）对径流的调控作用减弱。在温暖季节，降水和近地表土壤湿度成为主要的水文驱动因素，因为融水的贡献减少了。Walvoord和Kurylyk（2016）进一步强调，这种季节性变化反映了北极径流生成的更广泛转变。永久冻土退化通过增加土壤渗透性和改变水力梯度改变了地下结构，从而可能增加基流贡献（Walvoord和Striegl，2007；Liljedahl等人，2016；Rawlins等人，2024；Zhou等人，2024）。然而，由于野外观测数据稀少以及模型在不同气候和地面条件下的模拟能力有限，难以量化永久冻土融化对水文的全面影响（Nitzbon等人，2020）。

多项研究表明，由于降水量增加和大气湿度增强，整个北极地区的流量正在增加，这主要与海冰减少和区域蒸发加剧有关（Adam和Lettenmaier，2008；Bintanja和Selten，2014；Bintanja，2014）。基于模型的研究也表明，气候变化已经改变了主要北极河流的水文制度，表现为降雨驱动的径流增加以及不同流域之间的敏感性差异显著（Gelfan等人，2017）。这些结论得到了观测记录和基于模型的重建的支持，包括延续到21世纪中叶的多模型集合预测（Wagner等人，2011；Krogh和Pomeroy，2019；Lemieux等人，2024；Solander等人，2025）。尽管取得了这些进展，但目前的大部分文献仍集中在趋势分析或单一流域的案例研究上，对于不同气候和永久冻土区域的比较性见解有限（McClelland等人，2004；Shiklomanov和Lammers，2009；Chen等人，2023）。许多评估仅依赖流量观测数据，而没有整合能够将流量归因于特定来源或捕捉融雪时间、永久冻土融化和降水阶段变化的水文模型（Dankers和Middelkoop，2008）。这种缺乏基于过程的诊断方法限制了我们解释径流响应的空间差异以及区分融雪和降水贡献的能力（Park等人，2017；Clark等人，2023）。

本研究对1972年至2024年间马更些河、育空河、科雷马河、勒拿河、叶尼塞河和鄂毕河这6个北极流域的长期观测数据进行了全面分析，并利用VIC数值模拟框架研究了主要北极河流流域的长期水文气候趋势、尺度依赖的气候关系以及主导径流生成机制的变化。本研究的具体目标包括：（1）从观测和再分析数据中检测流量的长期和季节性趋势及其与温度和降水的关系；（2）量化气候对流量的控制作用，并考察其相对影响随时间和季节的变化；（3）通过将流量贡献归因于降水、蒸发、雪储存变化和土壤湿度，使用VIC模拟诊断径流生成机制的变化，同时识别从融雪驱动向降雨驱动的流域转变。这一综合框架有助于从机制上理解整个北极地区的流量制度转变。

章节摘录

研究区域

本研究关注北极地区，包括六个最大的流域：马更些河、育空河、科雷马河、勒拿河、叶尼塞河和鄂毕河流域，如图1所示。这些流域的总面积约为9,863,600平方公里，其径流量约占北极地区流入北冰洋的淡水总量的50%（Shiklomanov等人，2000）。该地区的气候特点是寒冷且温度季节性明显。

数据来源

本研究利用了1972年至2024年间六个主要北极河流流域的近地表气温、降水、河流流量的观测数据。

高纬度地区的降水估计存在不可忽视的观测不确定性，特别是由于风对降雪的测量偏差。这种偏差可能导致基于测量数据的网格化产品低估冬季降水量，并影响绝对值

结果

分析重点关注1972–2024年间关键水文气候变量的短期和长期变化，包括气温、降水和流量。这些分析结合了观测记录和模型输出，以捕捉水文气候条件的时间演变，并阐明驱动六个北极河流流域径流变化的主要机制。

讨论

结果提供了新的证据，表明在过去五十年中，北极径流制度经历了连贯的转变，从主要由融雪驱动的系统转变为越来越多地受到暖季降雨输入、降雨敏感性和直接温度强迫影响的系统。六个主要北极河流流域的流域尺度一致性表明，这种转变代表了气候驱动的水文变化的整个北极地区的表现。

结论

本研究利用长期野外测量数据和VIC数值模型，研究了1972年至2024年间六个主要北极河流流域的流量动态和生成机制的变化。通过整合观测数据集、基于过程的VIC模型模拟和多变量统计诊断，本研究提供了关于气候变化对北极河流流域径流演变影响的机制性理解，以及复杂的相互作用

未引用参考文献

Bolton等人，2004；Callaghan等人，2011；Jones等人，2022；Kane等人，1991；Krogh等人，2017；Landis和Koch，1977；McNamara等人，1997；Nieminen，2022；美国国家海洋和大气管理局（NOAA）北极计划，2023；Screen和Simmonds，2010；Shi等人，2015；Stock和Watson，1996；Su等人，2005；Tananaev等人，2016；美国地质调查局（USGS），1997；Viovy，2018；Yang等人，2007；Ye等人，2003；Zhang等人，2023。

CRediT作者贡献声明

赵敏：撰写——审稿与编辑、撰写——初稿、可视化、验证、方法论、调查、资金获取、正式分析、数据管理、概念化。白学志：撰写——审稿与编辑、监督、资源管理、项目管理、方法论、调查、资金获取、概念化。潘顺祺：撰写——审稿与编辑、监督、资源管理、项目管理、方法论、概念化。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

本研究部分得到了中国国家自然科学基金（NSFC）的支持（项目编号：42276254）。本研究使用的开源数据集，包括ERA5再分析数据、气候研究单位（CRU）数据集、北极大河观测站（ArcticGRO）流量记录以及全球气象强迫数据集（GMFD），用于驱动和验证VIC水文模型，对此表示衷心的感谢。同时感谢中国国家留学基金委的支持