干旱导致的极端冰川质量损失过程及其对青藏高原中南部的影响

《Journal of Hydrology》：The processes and impacts of drought-induced extreme glacier mass loss on the south‐central Tibetan Plateau

　　罗德瑞|林大娇|徐一川|朱梅林|朱飞|赵华标|杨翔
兰州大学泛第三极环境研究中心，中国兰州730000

摘要
冰川质量减少对社会需求和生态系统稳定性的日益增长的威胁已被广泛认识到。极端气候事件，如干旱或异常高的气温，将显著加剧青藏高原（TP）上的冰川质量损失速率。然而，干旱与TP上极端冰川质量损失之间的关系及其对湖泊水量预算的影响仍知之甚少。在这项研究中，我们利用冰川气象观测和能量-质量平衡模型，分析了1960年至2019年间南中部TP的Nyainqentanglha山脉中853条冰川的重建质量平衡情况，发现消融季节（6月至9月）的干旱伴随着极低的降水量和云量、异常高的短波辐射以及相对较高的气温，这导致通过降低反照率和降雪量以及增加融化作用而产生极端的质量损失。南中部TP在消融季节的干旱可能与南部TP的异常反气旋环流以及从南部TP向印度东北部次大陆的异常北向气流有关，这些因素减少了从印度洋流入南中部TP的水汽输送，并增加了南中部TP的下降运动和太阳辐射。此外，上述区域大气的异常环流由强烈的印度洋偶极子、强烈的厄尔尼诺现象、弱的印度夏季季风以及东北大西洋的海表温度低所驱动。此外，在极端质量损失年份，冰川质量损失对Nam Co湖泊夏季水量的贡献是正常年份的1.6至4.6倍。这项工作阐明了干旱引起的极端冰川质量损失的物理过程，并量化了其在驱动TP上湖泊水位变化中的关键作用。

引言
青藏高原（TP）及其周边地区的冰川为亚洲主要河流提供了丰富的融水，调节了当地气候和陆地水资源，并引发了诸如冰川崩塌和冰川湖溃决洪水等自然灾害，从而对该地区的农业、市政供水和水电产生了重大挑战（Huss和Hock，2018年；Immerzeel等人，2020年；Gao等人，2019年；K??b等人，2018年；Nie等人，2021年；Pritchard，2019年；Salerno等人，2023年；Tian等人，2017年；Yao等人，2022年；Zhang等人，2023a；Zhao等人，2022年）。此外，这些冰川还是高海拔地区和严寒地区的独特物种的重要栖息地（Liu等人，2022a），并保存了大量关于地球气候和环境的过去信息（Thompson等人，2024年）。由于其对环境和社会的深远影响，TP上的冰川质量变化受到了越来越多的关注。
人们对TP及其周边地区冰川质量变化的时间特征有了更多的了解。在21世纪00年代至10年代期间，TP上的年冰川质量变化率为-19.0±2.5 Gt/年，且这一值总体上从TP的东南部向西北部逐渐减少（Brun等人，2017年；Shean等人，2020年；The GlaMBIE团队，2025年；Yao等人，2012年；Yao等人，2024年）。在季节时间尺度上，大多数TP上的冰川主要在夏季融化，某些冰川的融化时间有所增加（Azam等人，2020年；Li等人，2026年；Zhang等人，2021b；Zhu等人，2018a，2023年）。相比之下，冰川积雪主要发生在西部喜马拉雅山脉和喀喇昆仑山脉的冬季，在昆仑山脉和TP东南部的春季，以及TP大部分地区的夏季（Maussion等人，2014年；Yang等人，2013年；Zhu等人，2018a）。在几十年时间尺度上，过去几十年TP西部昆仑山脉和东部帕米尔地区的冰川质量变化显示出轻微的上升趋势，而TP南部、东北部和喜马拉雅山脉则显示出显著的下降趋势（Azam等人，2020年；Fujita和Nuimura，2011年；Wang等人，2019年；Yang等人，2016年；Yao等人，2012年；Yao等人，2022年；Zhu等人，2018b）。已经确定了多种原因来解释上述冰川质量变化。冰川质量的变化主要由局部和区域气候条件驱动（Yao等人，2012年），例如气温、降水量和云量（Li等人，2026年；Liang等人，2019年；Liu等人，2021年；M?lg等人，2014年；Yang等人，2013年；Zhu等人，2018a）。这些因素调节了质量平衡过程（如降雪和融化）和能量平衡过程（包括反照率或出射短波辐射和入射长波辐射）（Liu等人，2021年；Yang等人，2013年；Zhu等人，2018a）。此外，TP上的冰川质量变化还与大气环流和海洋系统的变化有关，包括印度夏季季风（ISM）、东亚季风和中纬度西风、喀喇昆仑涡旋、欧亚远距离联系以及印度洋和太平洋的海表温度（SST）异常（Forsythe等人，2017年；Yao等人，2012年；Yao等人，2022年；Zhu等人，2023年）。此外，非气候因素，如地形变量（Zhu等人，2018b）、碎屑覆盖（Scherler等人，2011年；Zhang等人，2022年）、冰川-湖泊相互作用（Liu等人，2020年）和吸光颗粒（Kang等人，2020年；Xu等人，2009年），也可能影响冰川质量。
以往的研究主要关注在平均气候变化状态下TP及其周边地区的冰川质量变化。在过去几十年中，TP及其周边地区经常发生极端天气和气候事件，特别是在全球变暖的背景下（Li等人，2019年；You等人，2020年），导致该地区及其周边地区的某些冰川出现更大的或极端的质量损失（Chen等人，2024年；Xu等人，2024年；Zhu等人，2026b）。极端冰川质量损失的特征是质量损失率显著更高，频率更低（Thibert等人，2018年；Vargo等人，2020年；Zhu等人，2024年）。然而，TP及其周边地区的极端冰川质量损失很少被研究（Zhu等人，2026b）。一些研究将高温确定为极端冰川质量损失的主要驱动因素，例如2022年影响天山东部乌伦古里1号冰川的热浪（Xu等人，2024年），2023年导致祁连山脉中部白浪河12号冰川创纪录融化的异常温暖（Chen等人，2024年），以及多年异常温暖导致青藏高原中部多条冰川创纪录融化的情况（Zhu等人，2026a）。相比之下，降水不足如何触发TP及其周边地区极端质量损失的机制仍不明确，这是本研究要解决的关键知识空白。这一知识空白主要是由于缺乏现场观测数据以及大地测量无法提供一致的年度和季节性冰川质量数据（Barandun等人，2021年）。
此外，冰川融水在改变TP上的湖泊水资源方面起着重要作用（Yao等人，2022年）。多项研究使用遥感数据量化了冰川质量损失对湖泊体积变化的十年时间尺度上的贡献（Wang等人，2023年；Zhang等人，2021a）。结果显示，冰川质量损失对湖泊体积增加的贡献因湖泊而异。例如，在2000年至2015年间，Bangdag Co（TP西北部）的冰川质量损失贡献率为0.3%，而Taiyang Lake（TP北部）则达到了435.6%（Zhang等人，2021a）。即使对于同一湖泊，冰川融水的贡献也具有时间变异性。例如，Tong等人（2020年）应用了一个分布式地表水文模型，表明在1979年至2013年间，冰川径流占Nam Co流域总径流的13%，而在2001年至2010年间这一比例上升到18.4%。这些时间差异可能归因于近几十年来极端气候事件的频率增加，这些事件显著加速了Nam Co流域的冰川质量损失。鉴于这些发现，应更加关注极端冰川质量损失如何影响TP上的湖泊质量变化。这类研究对于准确评估亚洲水塔各组成部分之间的相互作用至关重要（Gao等人，2019年；Yao等人，2022年；Yao等人，2024年）。然而，极端冰川质量损失对TP湖泊动态的具体影响尚未被探索。

南中部TP的西部Nyainqentanglha山脉（WNTM）拥有丰富的湖泊和冰川，尤其是在其西北坡，那里的冰川融水流入Nam Co湖（图1）。气候变暖导致了WNTM上大量的冰川质量损失、冰川湖数量增加以及Nam Co湖水位上升（Falaschi等人，2023年；Kang等人，2015年；Lei等人，2019年；Luo等人，2020年；Shean等人，2020年；Zhang等人，2021a）。在WNTM，对三条基准冰川（Zhongxi、Zhadang和Gurenhekou）进行了现场质量平衡观测（Kang等人，2015年；Yao等人，2012年；2022年）。该地区还拥有丰富的大地测量冰川质量数据（Shean等人，2020年；Hugonnet等人，2021年）。2009年4月至2013年间，在Zhadang冰川上安装了两个自动气象站（AWSs）（图1）。这些站促进了在平均气候状态下对冰川质量平衡、能量平衡过程和大气环流模式的研究（M?lg等人，2014年；Zhu等人，2018a）。这些独特的特征使WNTM成为研究TP上干旱引起的极端冰川质量损失过程的理想区域。我们将这些多样的数据集与能量和质量平衡（EMB）模型相结合，重建了1960年至2019年间WNTM 853条冰川的连续质量平衡。基于这些数据，确定了在极端低降水量条件下导致极端冰川质量损失的主要能量和质量平衡过程。然后，我们将上述极端冰川质量损失与区域气候驱动因素和可能的大气环流联系起来。最后，我们量化了极端冰川质量损失对Nam Co湖水量平衡的贡献。这项研究显著提高了对TP在极端气候条件下湖泊、冰川和气候变化之间复杂相互关系的理解。

研究区域
南中部TP的西部Nyainqentanglha山脉（29°50′?31°04′N，89°52′?91°36′E）受夏季ISM的影响（Yao等人，2012年；图1a）。位于WNTM南部10公里处的Damxung气象站的气象记录显示，1976年至2018年期间的年平均气温为2.1°C，降水量为475毫米（Luo等人，2020年）。2010年，该地区约有853条冰川，总面积为677.2平方公里。

WNTM中的冰川质量特性
在我们的研究中，我们从1960年至2019年计算了WNTM中853条冰川的日尺度上一致的质量平衡。基于这些数据，我们得到了区域平均的冰川质量平衡（图5a），显示出WNTM显著的冰川质量损失，年平均质量平衡为-0.32±0.14 m w.e. a-1，累积质量平衡为-19.41±8.4 m w.e.。此外，我们还分析了WNTM中冰川质量平衡的时间变化。

结论
本研究基于EMB模型、三条冰川的现场测量数据以及大地测量冰川质量数据，重建了1960年至2019年间南中部TP WNTM每条冰川的质量平衡时间序列。结果显示，该时期的南中部TP冰川整体呈现负质量平衡，平均每年减少0.32±0.14 m w.e.，具有显著的年际变异性和明显的十年间波动。此外，我们还分析了WNTM中冰川质量平衡的时间变化。

致谢
作者贡献声明
罗德瑞：撰写——原始草稿，数据管理。
林大娇：概念化。
徐一川：撰写——审阅与编辑。
朱梅林：撰写——审阅与编辑，资源收集，调查，正式分析，概念化。
朱飞：撰写——审阅与编辑，资源收集，数据管理。
赵华标：正式分析。杨翔：正式分析。

利益冲突声明
作者声明，他们没有已知的可能会影响本文所述研究的财务利益或个人关系。

致谢
我们感谢中国科学院Nam Co多球面观测与研究站的同事在野外工作中的帮助。本研究得到了第二次青藏高原科学考察与研究计划（2024QZKK0400和2024QZKK0100）、西藏自治区科技项目（XZ202501ZY0081和XZ202501JD0025）、国家重点研发计划（2024YFF0808601）以及国家自然科学基金的支持。