气候变化将会影响“亚洲水塔”Walter Imerzeel, Ludovicus van Beek, Marc F.P. Bierkens摘要：超过 14 亿人口的生存依赖着印度河，恒河，雅鲁藏布江（布拉马普特河） ，长江和黄河的水资源。这些流域上游所储存的冰雪资源对持续的水资源季节性补给发挥着重要作用，目前可能受到了气候变化的强烈影响，但是这种影响的程度却尚不清楚。我们研究显示冰川融水对印度河和雅鲁藏布江起着至关重要的作用，而对恒河、长江和黄河则发挥着相对有限的作用。气候变化对水资源来源和粮食安全的影响预测在这些流域中也存在着巨大的不同。雅鲁藏布江和印度河最容易受到径流量减少的影响，从而威胁到大约六千万人口的粮食安全。高山是世界的水塔（1） ，包括河流全部径流量都以青藏高原及其邻近山脉为源头的亚洲地区。积雪和冰川融化对于这些地区的水文过程来说是重要的（2，3） ，气温和降水的变化被认为会对消融特征产生严重影响（4） 。早期的研究已经提出了冰川、积雪融化的重要性与气候变化对下游水文特征的潜在影响，然而这些大多数都是定性的（4-6） 、局部的（7，8） 。因此积雪和冰川消融与亚洲河流的水文特征之间的联系还存在很多未知，正如气候变化会对下游水资源供给和粮食安全带来何种影响一样。本文测定了五条亚洲西南河流流域内的上游水文过程在水资源供给中的作用，这些河流的上游流域在本文中指的是海拔高于 2000m 的所有地区（见图 1） 。这些流域为超过 14亿（全球人口的 20%以上）的人口提供水资源，但在流域特征上却差别相当大（见表 1） 。长江流域拥有五个流域中最大的人口数量，而恒河流域却是人口密度最大的流域。印度河与雅鲁藏布江则有着广阔的上游流域面积（海拔超过 2000m）以及比长江和黄河流域更大的冰川覆盖面积（9） 。恒河、雅鲁藏布江和长江比印度河和黄河要更加湿润（10） 。印度河、恒河和长江维系着有着高灌溉需求的大面积灌溉系统（11） ，但是印度河流域的降水量与灌溉需求之间的差异是最大的。本文测定了这些流域内的三个相关参数：（1）冰川融水在整个河流流域水文过程中目前的重要性；（2）永久冻土层的观测数据变化；（3）气候变化对上游流域水资源供给和粮食安全的影响。本文利用 2001 年到 2007 年间的标准消融指数来定性分析上游地区冰川融水对整个流域水文过程的重要性。标准消融指数指的是冰川融水所产生的径流量与下游自然径流量的比值。上游径流量采用校准的冰雪融化径流模型（SRM）进行计算（12，13） ，下游径流量采用从降水（P）中扣去流域中的自然蒸发（En）进行计算（15） ，而流域自然蒸发则是采用水文模型进行计算（14） 。流域蒸发量扣除了灌溉地区的额外蒸发，因为灌溉用水是从上游资源中提取的。因此本文将降水量与蒸发量之间的差值就视为下游的径流量。标准消融指数相对于会受到水库和取水干扰的融水系数更加可靠（13） 。由于研究分析的区域非常广阔，这使得本文可以利用对整个流域进行计算的消融参数，而不是对每条冰川采用一系列不同的消融参数，因为每个流域都覆盖着很多不同类型的冰川。对标准消融指数（NMI）的分析结果（见图 2） ，显示当前的气候使得冰川融水在印度河和雅鲁藏布江流域中扮演着重要角色。这一点在印度河表现地最为明显：来自积雪和冰川融水的径流量占到下游地区径流量的 151%。在雅鲁藏布江这一比例为 27%。而由于较大的下游地区面积，有限的上游降水，较小的冰川面积和（或）由雨季控制的下游气候等因素（见表 1） ，恒河（10%） 、长江（8%）和黄河（8%）的积雪和冰川融水对径流量的贡献很有限。在印度河和恒河流域，来自冰川消融产生的融水占比约为 40%，而在其他流域冰川融水的比例小得多。自上个冰期的结束，近乎全球范围内的冰川退缩就可以被观测到（16） ，这种趋势当然也发生在绝大多是喜马拉雅冰川。尼泊尔珠峰地区的长时间序列数字化高程模型（DEM）（17）和喜马拉雅山脉西段的 SPOT 卫星图象（18）显示该地区每年出现 0.5 到 0.9m 的净不平衡，但是对冰芯的放射研究显示西藏高海拔地区的冰川冰层并未出现净累计（19） 。但是还是存在很多区域性的异常(13)。本文利用DMT-1 GRACE 重力模型（20）联合降水趋势来测定五个流域中每个的积雪和冰层储存趋势。此次研究结果不是决定性的。本文仅在恒河流域发现了每年-0.220.05m 的下降趋势，在印度河流域则是0.190.02m/yr 的上升趋势，但是在其他流域却无法测定这种可辨别的趋势（13） 。以这篇文章为基础，本文推断亚洲流域的冰储量呈现一个普遍的下降趋势，尽管存在区域性的异常，因为缺少这些趋势的区域性量化以及这些趋势的不确定是实质存在的。本文利用结合了冰冻圈在方案分析法中响应不确定性的水文模型方法，做了未来上游径流量的项目。这一水文模型 SRM 在可接受的精度范围内模拟了当前的径流量。为了对未来从河流上游流域内获取水资源的可能进行多模型评估，本文对于 2046-2065 年间的 SRES A1B 方案采用了对带有五个普通模型输出量的 SRM 模型。此外，本文对未来冰川面积的两种不同方案进行了模拟（13）：（1）基于冰川物质平衡计算的最佳猜测预计当前到 2050年之间的度日和降雪变化趋势呈线性;(2)另一个极端（或者说是不可能的）的方案是以所有冰川全部消失作为参考。上游水资源供给对于维系上游水库系统是决定性的，这些水库可以在下游地区最需要的时候储存和下泄水流。以有着全世界最为庞大的灌溉网络的印度河流域为例，印度河流域灌溉系统的灌溉水资源就通过两座主要的储存大坝（印度河上的 Tarbela 大坝和 Jhelum河上的 Mangla 大坝）进行调蓄。这两座大坝位于印度河上游，且冰川融水在径流补给中占主导地位。上游水资源补给的任何变化都可能会对下游数以百万计的民众带来深厚影像。本文研究结果展现了未来水资源供给变化的实质性变动（见图 3） 。冰川方案的最佳猜测导致印度河、恒河、雅鲁藏布江河长江的上游水资源供给模拟的下降趋势，比率分别是-8.4%、-17.6%、-19.6%和-5.2%。尽管这些减少值是巨大的，但是相比于冰川融水量还是要少得多，因为冰川融水的减少部分被降水量的增加所抵消了（印度河+25%，恒河+8%，雅鲁藏布江+25%，长江+5%，黄河+14%） 。数据分析甚至发现黄河流域上游的水源供给出现了9.5%的增加，这是因为冰川融水在该流域仅占很小比例（见图 2） 。但是这个结果尚待商榷，因为绝大多数气候模型在模拟雨季和年际的平均降雨量变化上还存在很多困难（21，22） ，尽管在提高预期的降雨量变化的空间和时间分辨率上取得了最新的进步。虽然如此，本文推断，尽管预测永久冻土层会发生大量变化，但是它们的影响比预计要小，例如根据 IPCC第四次报告（2） 。这份报告认为冰川消融和潜在气候变化的当前趋势可能恒河、印度河、雅鲁藏布江和其他河流在不久的将来成为季节性河流。本文认为这些河流已经成为了季节性河流，因为消融季节和雨季大致是重合的，这就导致冰川融水的减少部分抵消了降水量的增加。图 3 也显示了上游水文模式的暂时性转变，特别是黄河在早春时间面临着径流量的持续上升，即“春汛” 。这是很有好处的，因为在生长季节之初水库大多都是空的。消融峰值的加速可能会缓解生长季节早期易于干旱时段的灌溉水源短缺问题。此外，由冰川面积减少而导致的季节性冰川储量变化，可能会引发更为严重的暂时性水文过程变化（23） 。不考虑在两个有着最大标准消融指数的流域，印度河和雅鲁藏布江内降水增加的抵消影响，在一段时间冰川消融加速导致的径流量增加后，大概在 2046-2065 年间这两个流域内夏季和晚春季节的径流量最终被认为将持续并大量地减少。图 S2 展现了冰川估计将完全消失的极端方案。印度河和雅鲁藏布江也显示出最为显著的变化。预期的变化也将对粮食安全产生重大影响。通过将上游水资源供给和灌溉用水净需求（11） 、观测的粮食产量、粮食的热量值和人类的必要能量需求，那么就能预测可以养活的人口数量变化（13） 。五个流域内的结果（基于 2050 年冰川面积的最佳猜测）大不相同。估计的范围从雅鲁藏布江人口减少值的 34.5+6.5 百万、印度河的人口减少值 26.3+3.0 百万、长江人口减少值的 7.1+1.3 百万、恒河人口减少值的 2.4+0.2 百万到黄河的人口增加值的 3.0+0.6 百万。总的来说，由于可利用水资源的短缺，本文估计全世界人口的 4.5%将遭受粮食安全危机的威胁。因此对适应选择权排出优先次序和进一步提高水资源生产率的需求更加突出（24） 。图 S3 中是针对两种不同的冰川消融方案的粮食安全的有计划性的变化。因为印度河和雅鲁藏布江流域的高标准消融指数，这两个流域内的方案差异是最大的。清楚的是，印度河和雅鲁藏布江上游的径流量和下游的粮食安全是对气候变化最为敏感的。总而言之， “亚洲水塔”正遭受着气候变化的威胁，但是气候变化对亚洲的水资源供给和粮食安全的影响在流域之间实质上存在很大的不同，也无法进行归纳。由于庞大的人口和过度依赖灌溉农业和冰川融水，印度河和雅鲁藏布江流域的影响可能更为严峻。在黄河流域，气候变化甚至会产生积极影响，因为该流域对冰川融水的依赖度低和被储存在水库内的突出增加的降水将会增强灌溉农业和粮食安全的水资源供给。