气候变化对积雪、高山冰川以及水资源的影响

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  阿尔卑斯山区罗纳河的变化体现出,全球变暖不仅通过改变降水模式影响河流流量,而且通过影响积雪和冰川这两大高山水文循环要素来影响河流流量。根据区域性气候模型的预测,未来降水量将会冬增夏减,积雪量将显著减少,多数高山冰川将急剧缩减。预计到21世纪末,河流流量将在这些因素的剧烈影响下,在冬季由于积雪早融和降水增多而增大,而在其它季节减小。未来的水资源管理需要考虑气候变暖情景下的季节差异性,做出相应的改变,以保障水资源在经济产业的合理分配。

1. 瑞士阿尔卑斯山脉——欧洲水塔

  西欧和中欧的许多河流均发源于阿尔卑斯山脉。阿尔卑斯山脉,特别是瑞士境内的部分,通常都被称为欧洲水塔。瑞士的年均降水量可达1500mm,其中1/3随蒸发散失,而2/3形成地表溪流和河流,一小部分则暂存于湖泊或地下水中。

  瑞士气候地图集[1]显示,在瑞士中部,戈达德山口30km范围内阿尔卑斯山区就凭一己之力灌溉了4个大型流域:约2/3的水量经莱茵河流域汇入北海;18%的水量经罗纳河盆地进入地中海;10%的水量经提契诺穿过波河流域流入亚得里亚海;5%经德国多瑙河支流进入多瑙河流域而补给黑海。发源于中部阿尔卑斯山区的水资源,养育了这些流域中的1亿5千多万人。

2. 积雪的作用

  积雪是高山水系的重要组成部分。积雪数量、持续时长、季节特性等方面的任何改变都可能导致持久的环境和经济效应[2]。积雪融化的时间能显著影响高山河流的季节性峰值流量。山顶的积雪融化较晚,可维系河流在旱热季节的最小流量

环境百科全书-冰川-碎冰
图1. 夏季,格里姆瑟尔山口湖泊的碎冰,汇入罗纳河。[© M. Beniston]

  冰雪的动向受温湿度等气候要素的影响。山区平均气温每升高1度,平均雪线[3]就会上升约150m。Beniston[4]等人的研究表明,自从20世纪70年代以来,尽管年际波动较大,许多山区的降雪天数总体呈现减少的趋势;海拔1500m以下、降雨多于降雪的地区尤为如此。另一方面,在低海拔地区降雪稀少的20世纪90年代,在海拔2500m以上的某些地区的积雪厚度和持续时长和积雪反而有所增加。

3. 气候带来的影响

  气候预测表明,在阿尔卑斯山区,当冬季较温暖且降水较多时,高海拔地区的雪量将会增加。在这种情况下,在降雨多于降雪的中低海拔地区,积雪必将显著减少,雨夹雪天气可能也会更加频繁(包括仲冬时节),并可能爆发山洪[5]

环境百科全书-冰川-积雪量峰值
图2. 瑞士阿尔卑斯山区季节性积雪量峰值的垂直分布情况。灰色表示当前气候条件,黑色表示温度提高4°C时的气候情景,两种色带的宽度代表冬天干湿状态之间的差异性。[资料来自:Beniston等[4]](Volume total总体积,Altitude海拔高度,Pertes de 40-60%损失40-60%,Climate actuel当前气候条件,Légère augmentation略有增加)

  积雪量是高山流域水流量的关键影响因素。积雪量等于积雪厚度与地表覆盖面积的乘积。积雪量季节性峰值的垂直分布如图2所示。在海拔2000m以下,随海拔下降,即使地表面积更大,积雪却变薄,因此积雪量变小。另一方面,在海拔2000m以上,随海拔上升,积雪雪加厚,但由于覆盖面积减小,积雪量依然变小。

  根据大量气候模型的估计结果,若冬季最低气温提升了4°C,海拔1500m-2500m区域的积雪覆盖天数将会减少100多天。冬季降水的增加只能轻微抵消温度对积雪的影响。升温将会导致低海拔地区冬季几乎没有积雪,但对高海拔地区却影响甚小。

4. 冰川受到的影响

  冰川体积体现为其面积和厚度,取决于积雪成冰和冰川消融之间的平衡。气候变化必将影响这种平衡,从而导致冰川平衡线的推移、冰层厚度的改变以及冰川的前进或后退。除海拔极高的地区(3500m-4000m)之外,大多数冰川表面温度和内部温度均接近于冰点。因此,任何越过0°C阈值的增温都会对冰川造成极大的影响。

  从1850年到2000年,欧洲阿尔卑斯山区的冰川表面积减少了30%-40%、体积损失了近一半[1]。全球很多中纬度和热带地区的高山冰川也存在类似情况。

环境百科全书-冰川-Tschierva冰川预测
图3. Tschierva冰川(瑞士东南部的伯尔尼纳马西夫)2000年的实际景象与2050年假设气温上升3°C后的预测景象。[来源:计算机图形和 GIS 应用程序:瑞士苏黎世大学 Max Maisch]

  学者们开展了大量关于高山冰川未来变化趋势的研究[6] [7] [8] [9]。无论是经验模型还是更详细的能量平衡模型,均得到以下结论:到2100年,现存高山冰川中的50%-90%会由于全球变暖而消融[1]。冰川越小,对气候变化的响应反应越剧烈。在全球温带地区,大多数冰川的平衡线(积累和消融之间的临界线)海拔高度与温度有明显的线性正相关关系,而与降水量之间则呈现线性负相关关系(此负相关关系在高海拔地区更明显)。

  假设气温在21世纪下半叶升高3°C,Maisch[10]采用计算机影响和GIS技术,计算了瑞士阿尔卑斯山区几座冰川的平衡线海拔高度。并预测了未来冰川的形态、体积和冰舌前端的位置。其中,瑞士东南部Tshierva冰川(Bernina massif)的预测情况如图3所示。

5. 罗纳河流量受到的影响

  以罗纳河为例,其流量及年内差异受蒸发、降水、水库蓄水、融雪和融冰的影响。全年的降水、5-10月的融雪和融冰是罗纳河流域山区水量的主要来源[11] [12] [13]。水利设施的使用能够在特定季节调节水量,特别是在夏秋两季冰雪融化时蓄水,在冬季能源需求高峰时释放以产生电能。然而,大坝的蓄水量仅为罗纳河流域总水量的一小部分。

  高山融雪是为河流水量的重要补给来源。山区积雪在每年11月至次年5月间累积,而在夏季以峰值蒸发。在目前的气候条件下,全年各季节降水分布较为均匀。因此,积雪的融化时导致河水流量季节性差异的主要因素。春末夏初的地表径流量与头年冬季的积雪量密切相关。

  源自瑞士阿尔卑斯山区的各大河流尽管具有形形色色的水文特征,其来源均会受制于山区气候变化,并对低海拔地区居民的生活、农业、能源和工业用水造成影响。例如,根据前文提到的种种研究,罗纳河在日内瓦湖口处的冬季流量从1961-1990年间的100m3/s增长至2100年的200m3/s,但会在仲夏时从350m3/s跌至200m3/s(如图4所示)。

环境百科全书-冰川-罗纳河月均流量
图4. 在1961-1990年间的气候条件下以及在2071-2100年间的IPCC气候变化模拟情景(B2为中度变化,A2为强变化)下,罗纳河在日内瓦湖口处的月均流量变化图(Scénario情景,Débris mensuels moyens月平均流量)

  图4展示了1961-1990年间罗纳河的月平均流量以及在政府间气候变化专门委员会(IPCC)模拟的两种气候情景下每月平均流量的可能变化,这两种模拟情景包括“A2”情景(由于温室气体大量排放,2100年与前工业化时代相比,全球气温上升4-5°C)和“B2”情景(根据2015年巴黎COP-21协议,温度上升不超过2°C的限值)。

  由图4可见,在1961-1990年间,罗纳河的流量主要受春季至仲夏期间积雪融化的影响,而在此后及夏季最炎热干燥的时期(七月中旬至九月初),则是高山冰川的融化继续为罗纳河提供丰富水量。

  是否可以根据气候变化对流量变化进行预测呢?到21世纪末,预计罗纳河上游的流量将会发生重大变化。事实上,气候模型[14]预测阿尔卑斯山脉中部地区的气候在各个季节均会变暖,但降水模式会因季节而异:冬季降水会增加10%-20%,夏季降雨则会减少10%-40%[9]

  由于冰川可能在本世纪末完全消失[1],将不会再如当前气候这般、有丰沛的冰川融水补给河流以避免严重的低水位现象发生。当出现热浪高温、水资源严重短缺时(正如2003年的中欧和西欧地区),失去了冰川融水的补充,连罗纳河这样的河流都有可能在夏秋季节的部分时段断流。2003年之所以罗纳河仍然保持着丰沛的流量,归功于当时冰川加速融化的补给作用。对于延伸至地中海区域的阿尔卑斯山区(如普罗旺斯和意大利北部地区),未来的水文特征也将与图4所示的类似。

  在模拟的两种温室气体排放情景中,由于积雪提前融化,最大流量会提前2-3个月出现,而由于到2100年积雪量的减少,流量峰值也会相应降低。尽管夏季水流量急剧下降(与1961-1990年间相比降低约50%-75%),图4仍然显示出仲夏时节的一个微小波峰,这是由于夏季时常出现的对流雨所致。值得注意的是[15] [16],夏季即便出现强降雨,由于冰川的消失和积雪的早融,罗纳河的水文状况仍将比目前糟糕得多。

6. 环境和经济效应

环境百科全书-冰川-传统灌溉技术
图5. 传统灌溉技术在瑞士瓦莱州中部的使用。南部的瓦莱桑阿尔卑斯山脉和北部的伯尔尼山脉形成的屏障,使这里成为欧洲最干旱的区域之一。

  我们需要认识到,未来新的水资源管理将不仅限于对自然环境变化的简单应对,还必须考虑到社会经济和政治方面的种种效应。譬如,随社会经济的发展,用水量将如何增加,经济和政治变化又将如何改变地区不同经济主体之间的水量分配。这些因素很容易引起在一年中的某些关键时刻对稀缺资源的争夺[17] [18]。这些水文变化可能会影响阿尔卑斯地区的某些关键经纪行业(参见欧洲项目“ACQWA”项目的最终报告:www.acqwa.ch),尤其是旅游业、农业和水力发电[19] [20] [21]

  • 少雪的冬季将会给中低海拔地区(海拔高度1200-1800m)的度假胜地带来经济难题。对于大多数高山景区而言,除了滑雪,还需要开发更多元的旅游项目。
  • 干燥炎热的夏季会使水资源难以满足农业灌溉区(如瑞士瓦莱州的罗纳平原和法国南部)的需求。而且由于低海拔地区农产品在价格上竞争力更强,山区种植面临的压力与日俱增。除了这些经济压力,旱灾、洪灾等灾害事件的增加则会酿成重大损失。因此必须制定新的措施,来推进水资源的合理分配、水库的新建和技术的革新。
  • 从21世纪下半叶开始,由于冰川退化,冰川融水将不会再像现在那样充满水库,阿尔卑斯山区的大型水坝预计将会受到强烈影响,导致蓄水量减小、水力发电量下降等问题。发电量的降低将难以满足夏季空调的用电高峰需求。这就需要在大坝联网系统中进行优化配置,并且通过经济机制来调节供需。这需要瑞士和欧洲采取各种战略手段以减少对化石燃料的依赖,从而加速实施2015年12月签署并得到许多国家支持的《巴黎气候协定》(COP21)。这些措施会影响阿尔卑斯山区乃至整个欧洲的电网。
环境百科全书-冰川-Emosson大坝
图6. 瑞士第二大水坝——Emosson大坝,容量2.27亿立方米。[©M. Beniston]

  除了以上这些关键因素外,由于城市化进程和农业用地的开发,几十年来土地利用的转变同样引起了水资源供应和需求的变化[22]。具有防止侵蚀并改善地表水质作用的高山森林,在气候变化的作用下,也可能由于高山植被重分布而遭受不利影响[23] [24]。如果植被和森林在地表变得更加分散,地表径流速度将加快,增加水土流失和河道壅塞的可能。这会给下游水电设施等基础设施带来额外的风险。

  最后,就阿尔卑斯山区的自然灾害而言,中低海拔地区频复的暴雨将导致较高的坡面侵蚀率。极端降水的增加将加剧洪水的频率和严重程度[25]。当夏末的干燥土壤难以吸收大量突如其来的地表降水时,许多流域会出现超渗产流。在其它季节,例如冬春季节,降水和积雪融水相叠加,也有洪水风险。这种情况在近些年很普遍,例如1995年2月,阿尔卑斯山的积雪早融与德国的暴雨合力导致莱茵河流域洪水泛滥。

 


参考资料及说明

封面图片:罗纳河的冰川 [来源: Beniston]

注意:本文是基于对Martin Beniston的著作《Climate Change and Impacts: From Global to Local》(瑞士洛桑理工学院和罗马大学出版社授权再版)第八章内容的大量摘录。

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译者:胡羽聪          编审:肖康副教授         责任编辑:杨茹月


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引用这篇文章: BENISTON Martin (2021), 气候变化对积雪、高山冰川以及水资源的影响, 环境百科全书,[在线ISSN 2555-0950]网址: https://www.encyclopedie-environnement.org/zh/eau-zh/impact-of-climate-change-on-snow-cover-and-alpine-glaciers-consequences-on-water-resources/.

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