2017, Vol. 13 
2. 西北区域气候中心, 兰州 730020;
3. 中国气象局, 北京 100081
我国西北干旱区位于青藏高原北部的西风带里，是全球同纬度最干旱的地区之一，年降水量小于200 mm。包括新疆全境、甘肃河西走廊、青海柴达木盆地及内蒙古贺兰山以西地区(73°~107°E, 35°~50°N)(图 1)，总土地面积为235.2万 km2，约占全国国土面积的24.5%[1]。远离海洋、青藏高原的地形作用，沙漠或戈壁下垫面等区域性问题造成西北干旱区偏离全球干旱气候带，而且面积更广、旱情更重，且逐年加剧[2]，是典型的资源性缺水地区。
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图 1 中国西北干旱区范围图 Figure 1 The map of northwest arid region in China |
西北干旱区气候和生态环境比较敏感脆弱[2]，水资源对维系西北干旱区脆弱的生态平衡具有重要意义，也是气候变化的晴雨表[3-4]。近百年来，全球变化导致的气温升高、降水变率增加、冰川积雪范围退缩等，极大改变了该地区水资源量及其时空分布；同时，人口增加以及不合理的人类活动更加剧了水资源与生态环境的变化。因此，回顾西北干旱区气候变化事实及其对水资源影响的最新研究进展，分析水资源变化的原因，对西北干旱区如何有效应对气候变化及水资源的变化，提出相应的适应策略，保证社会经济可持续发展具有重要的科学和现实意义。本文将重点从气温、降水、冰川、径流等方面回顾西北干旱区气候变化及其对水资源影响的最新研究进展。
1 西北干旱区气候变化虽然西北干旱气候的形成有其地理和自然环境上的客观因素，但从万年尺度的地质时期全球气候变化来看，西北干旱区气候在全新世大暖期等时期也有过很湿润的时段，这说明全球气候变化是决定西北干旱区气候的根本因素。无论是全球气候变化引起的生态环境演变，还是人类活动直接对生态环境状况的改变，都会使西北干旱区气候产生相应程度的调整和变化。以下重点回顾自工业化以来，尤其1961年以来西北气候变化的基本事实。
1.1 气温变化西北地区尽管过去200年气温有变化，但直到近50年才呈现出明显变暖趋势[5]。西北干旱区变暖幅度因季节和地域而存在差异。其中，冬季增暖最明显(约0.50℃/10a)，对年平均气温的升高贡献最大，夏季增暖缓慢，春季增暖最小(0.27℃/10a)[6-7]。极端最低气温增幅明显高于极端最高气温[6], 特别是冬季极端最低气温的增加在冬季平均气温的上升中发挥了重要作用[8-9]。增温趋势最大区域主要在柴达木盆地、伊犁河谷、塔城等地区[10]，天山东部和祁连山区变暖趋势也较大[7, 11]。
从时间序列来看，西北干旱区在1960－1986年间，平均气温增幅较小；1987年出现了“突变型”升高，并以0.52℃/10a的速度呈加速升高趋势。1997年以来，温度一直高位震荡，升温趋势已不十分明显[8-9]。Li等[12]的研究表明，20世纪90年代以前，荒漠区升温最快(0.21℃/10a)，山区最慢(0.10℃/10a)，而90年代后，绿洲区升温最快(0.61℃/10a)，荒漠区最慢(0.40℃/10a)。表 1汇总了关于西北干旱区不同时间段、不同区域的温度变化趋势研究结果，总体来看，近50年西北干旱区气温上升速率接近全球平均增温速率(0.12℃/10a[13])的3倍，也明显高于全国平均水平(0.25℃/10a[14])。
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表 1 西北干旱区气温与降水变化趋势 Table 1 The linear trend of air temperature and precipitation in northwest arid region |
近50年来，西北干旱区气候暖湿化趋势比较明显。Li等[17]的研究表明，1960－2010年西北干旱区降水呈增加趋势，年降水量增加速率为6.10 mm/10a，而全国平均值则呈下降趋势(-1.60 mm/10a)。年内不同季节降水的变化率，夏季最高(2.50 mm/10a)，冬季最小(1.20 mm/10a)[9]，春、夏、秋、冬四季降水对年降水量变化的贡献分别为21.6%、42.4%、18.4%和17.6%[17]。
从年代际变化来看，1960－1986年降水量相对比较稳定，1987年后增加。有研究表明西北气候于1987年左右发生突变，由暖干向暖湿转型，而且这种转型可能是世纪性的[23-24]，1990年代新疆平均降水比1980年代增加了20%~50%[25]。但这样的转型是否可以持续仍有待继续研究，Li等[6]、Chen等[9]的研究发现，2000年后西北干旱区降水增加速率有所降低。
空间上，降水量增加趋势从东南向西北递增[26]，北疆增加最多(11.70 mm/10a)，南疆(5.80 mm/10a)和甘肃走廊(3.20 mm/10a)增加最少[6]。86.3%的地区降水量呈增加趋势，增幅0.1~16.6 mm/10a，11.6%的地区呈减少趋势，减幅为0.3~5.2 mm/10a[27]。Han等[28]的研究也表明，西北干旱区西部降水有显著增加趋势(主要由于夏季强降水增加)，东部有下降趋势(主要由于秋季强降水减少)。降水增加主要是由于强降水事件的增多，这一结论在其他相关研究中也有分析，110°E以西的干旱半干旱区总降水量的增多有50%以上来自于极端降水量的增多[29]，尽管日降水量第75百分位以上的强降水只占总降水日数的5%, 但其降水量占总降水量的75%，第50百分位以上强度的降水增加较显著[30]。Li等[12]的研究表明，山区降水增加最大，荒漠区的增加趋势则不显著，山区、绿洲与荒漠区的降水增加速率分别为10.2、6.3和0.9 mm/10a，姚俊强等[7]的研究结果表明，干旱区东部、沙漠腹地及周边地区有下降趋势。表 1中也列出了部分文献中关于西北干旱区不同时间段、不同区域的降水变化趋势研究结果。
1.3 极端气候事件的变化极端气候事件比平均态对社会及生态系统的影响更大，也是西北干旱区气候变化研究的主要内容之一。师银芳等[31]分析了西北干旱区50年来极端最高、最低气温的时空变化特征和规律，全区极端最低气温增暖趋势明显高于极端最高气温，从而导致日较差呈减小趋势，天山山区尤其显著。Wang等[32]的研究表明，西北干旱区全区平均日较差减小趋势约为0.23℃/10a，夏季和秋季寒冷极值频数减少，秋季和冬季温暖极值频数明显增加，霜冻和结冰日数明显减少。汪宝龙等[33]对包括新疆、青海、甘肃、宁夏4省在内的西北地区极端气温的研究表明，近50年以来，西北地区夏季天数、生物生长季、热夜日数、高温日数分别以2.31、2.98、1.07、0.45 d/10a的速度增加；结冰日数、最大连续霜冻日数、低温日数分别以2.51、1.79、3.62 d/10a的趋势减少；极端气温年较差则以0.39℃/10a的速率在减少。
降水极值的分析表明，1960－2010年，西北干旱区84个气象站中大部分站点的持续干日降低，而降水日数、日降水强度、强降水日数、湿日数、最大1 d降水量、最大5 d降水量显著增加，降水量及极值在1980年代后期陡然增加[18]。新疆降水极值及其变化的区域差异明显，新疆年最长连续湿日数增加(0.1 d/10a)，年最长连续干日数减小(1.7 d/10a)[34]；北疆日降水＞10 mm的天数增加显著，北疆和南疆降水的增加与日降水＞10 mm的天数以及最大连续湿日天数增加有关[19]；夏季南疆西部、天山中部、准噶尔盆地西部，大雨以上降水强度增加幅度最大，为584%/10a[35]。黑河流域的祁连山和河西走廊湿日与强降水天数显著增加，特别是在河西走廊，1980年代后期，连续干日数减小，祁连山最长湿日数增加[36]。
2 西北干旱区水资源变化水资源问题一直是西北干旱区气候变化研究的重点，许多学者探讨了气候变化对西北水资源的影响[37-38]，提出了要解决的科学问题[39]。
2.1 山地冰川变化山地冰川不仅是冰冻圈的重要组成部分，还是反映气候变化的天然记录器和预警器[40-41]，素有“高山固体水库”之称。冰雪融水是西北干旱区重要的水源，是山前绿洲赖以生存和发展的重要保证，对维系本区脆弱的生态平衡及社会经济可持续发展具有重要意义[3-4]。第二次冰川编目数据[42]表明，新疆冰川冰储量为全国最多，为2155.82(±116.60) km3，占全国总储量的47.97%；祁连山北坡的冰川融水径流全部汇入河西内流区的五大水系，从而使甘肃省可利用冰川水资源的冰川达2055条，面积1072.77 km2，冰储量53.72 km3。
孙美平等[43]基于祁连山区第一次和第二次冰川编目数据的研究表明，近50年间祁连山冰川面积和冰储量分别减少20.88%和20.26%，面积＜1.0 km2的冰川急剧萎缩是冰川面积减少的主要原因，海拔4000 m以下山区冰川已完全消失, 且东段退缩较快，中西段面积减少较慢。陈辉等[44]的研究也有类似结论，1956－2003年祁连山中段冰川面积缩小了21.7%，其中，黑河流域冰川面积缩小了29.6%，北大河流域冰川面积缩小了18.7%。此外，别强等[45]利用TM影像，发现1960－2010年黑河流域上游冰川面积减少35.6%。
20世纪80年代以来，新疆天山乌鲁木齐河源1号冰川退缩加速，冰川融水径流量加速增大[46]。Sun等[47]进一步研究发现，过去50年乌鲁木齐1号冰川区气温和降水分别增加0.9℃和91 mm(17.5%)，冰川长度缩短约9.7%，面积减少了15.6%。此外，何毅等[48]研究表明，1972－2013年博格达峰区冰川面积减少46.71 km2，年均退缩率为0.66%。东阿尔金山在1990年后冰川面积减少加剧，1990－2000年间面积减少超过总减少面积的一半[49]。
2.2 径流变化内陆河流量是干旱区气候变化的晴雨表，气候变暖和极端气候事件的加剧、冰川退缩及冰雪融水的变化，对径流形成及时空变化有重要影响。
研究表明，近50年来西北干旱区东部河流源区径流减少，西部径流增加，且呈V型变化[50]，其中阿克苏河年径流增加速率为3.78×108 m3/10a，径流突变在1993年，1994－2010年平均径流比1960 －1993年增加22%[51]；1997－2007年与1960－1996相比，开都河径流增加29.78 m3/s[52]；玛纳斯河径流量也从1997年开始发生突变，2002年进入丰水期[53]；博尔塔拉河河源秋季和全年径流量明显上升，冬季明显下降[54]。塔里木河、黑河、疏勒河径流均增加；黑河秋季增加最快，另两条河流夏季径流增加最快；而石羊河年径流、春季径流和秋季径流分别以1.5×108、0.1×108和0.8×108 m3/10a的速率下降，夏季径流增加[55]。地域上呈现愈往西部的河流年径流量增加愈明显[56]。表 2列出了部分文献中西北干旱区不同河流年径流变化趋势研究结果。
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表 2 西北干旱区部分河流年径流变化趋势 Table 2 The linear trend of river runoff in northwest arid region |
径流的变化影响地下水位和生态系统。1985－2004年石羊河流域凉州区地下水位埋深以3.3 m/10a的速度下降，其中1980年代平均埋深为13.8 m, 到了21世纪初达18.9 m，20年间地下水位下降了5.1 m。民勤绿洲地下水位埋深也呈持续快速下降趋势(4.1 m/10a)，其中1980年代平均埋深为3.2 m，21世纪初平均为9.6 m，20年间地下水位下降了6.4 m[61]。昌马1987－1999年间水位下降6.6 m，2003－2004年间水位下降2.9 m[62]。地下水位的埋深直接影响干旱地区地表植被的生长，1997－2005年石羊河流域植被总面积下降了12%。利用较高空间分辨率卫星遥感数据研究表明1975－2010年石羊河流域经历了“绿洲化-荒漠化-再绿洲化”的过程[63]。2000年和1987年相比，黑河绿洲面积减少9%，荒漠化面积增加32%，高覆盖植被减少277 km2，低覆盖植被减少1186 km2[64]。
2.3 空中云水资源变化开发利用空中云水资源，增加地表水资源总量，是缓解西北干旱区水资源短缺问题的一个重要途径。有研究表明，如果按10%~15%的增雨(雪)率来估算，在祁连山区全面开展人工增雨(雪)作业可每年为河西走廊地区内陆河流域增加水资源3.7×108~7.4×108 m3 [65]。为此，张强等[65-67]研究了祁连山及其周边地区云水资源分布特征、影响因素及时间变化。祁连山大气水汽和地面降水受西风带、偏南季风(南亚季风和高原季风)和东亚季风的共同影响, 且与海拔高度和坡向有密切关系[65-66]。1961－2005年随着气温的增加，祁连山区夏季中、低云量增加，高云量则减少[65]。1979年以后春、夏季净水汽通量一直呈增加趋势；近年来云的厚度和含水量的总趋势也明显增加。这些研究对祁连山空中云水资源开发利用问题形成了相对比较完整的科学认识。
3 气候变化和人类活动对西北干旱区水资源的影响 3.1 对径流的影响径流的变化受气候变化和人类活动的共同影响，不同学者通过计算径流与温度、降水的相关系数，或者利用水文模型模拟分析了气候变化及人类活动对西北干旱区径流的影响。Li等[55]发现塔里木河径流与气温、疏勒河径流与气温及降水显著正相关，黑河与石羊河径流与降水显著正相关，说明这两条河流径流的补给主要靠降水。柳景峰等[68]的研究也表明，近50年黑河流域径流量与降水表现出正相关，相关系数为0.557。20世纪80年代，受气候变化影响，疏勒河上游地区径流量显著增加，其年际和季节变化特征与降水变化相似，冬季和秋季径流变化主要受地下水影响，而春季和夏季径流变化主要受降水和冰雪融水的控制[58]。疏勒河流域出山径流与山区气温、降水量的变化均呈显著的正相关，20世纪90年代中期后，随着山区气温的大幅上升与降水量的显著增加，径流呈持续增加趋势[69]。石羊河5个子流域流量呈下降趋势，气候变化对年径流减少的贡献约为64%，且主要是由于降水的减少所致[70]。
除了气候变化外，人类活动也影响了河川径流量。何旭强等[71]研究表明，黑河上游径流量增大，气候变化和人类活动的贡献率分别为59.71%和40.29%；中游径流量减小，二者对径流量减小的贡献率分别为25.23%和74.77%。石羊河流域下游河川径流量的波动1968年之前主要是气候变化的结果，而1968之后，径流量的变化是气候变化与土地利用变化共同作用的结果；近30年来，气候变化贡献率平均为4.1%，而土地利用变化，尤其是耕地面积变化的贡献率平均为88.8%[72]。Chen等[73]、洪波等[74]分析表明，气候变化是导致开都河出山口径流量增加的主要驱动力，人类活动则导致径流减少，开都河径流1960－1993年以自然过程为主，1994－2009年人类活动的影响越来越大，1994－2009年气候变化对径流增加的贡献为90.5%，人类活动的贡献为9.5%[73]。Dong等[75]研究了气候变化与人类活动对精河径流的影响，1981年前，水文过程主要以自然过程为主，而在1981－2008年间，人类活动对径流减少的贡献约85.7%，气候变化仅占14.3%。
此外，山区融雪对径流有较大影响，李宝富等[76]的研究表明，西北干旱区山区河流径流量对融雪期气候变化敏感，降水增加和气温上升分别诱发年径流量增加了7.69%和14.15%。
3.2 对湖泊面积及水位的影响湖泊面积是反映湖泊流域生态情况的重要指标。受气候变化及不合理人类活动的影响，西北干旱区湖泊面积发生了显著变化，导致的生态环境恶化已成为制约当地社会经济发展的重要因素。
新疆艾比湖近半个世纪来，面积减少了286.8 km2，主要原因是人类活动用水[77]，周驰等[78]在分析了1972－2008年艾比湖湖泊面积变化情况及原因后，也得出类似结论。Guo等[79]研究了1956－2010年博斯腾湖水位的变化情况，受气候变化及人类活动的共同影响，博斯腾湖水位经历了3次变化，1956－1987年下降(湖面蒸发增加所致)，1988－2002年上升(出湖流量人为控制，且入湖流量增加所致)，2002－2010年水位急剧下降(给塔里木河输水与降水减少共同所致)。随着冰川持续退缩，积雪持续减少，入湖流量最终会减少，湖泊水位及面积将会持续减小。Zhou等[80]给出了维持博斯腾湖正常生态及生活供水功能的最小湖泊面积及入湖流量，并提出了分水合理化建议。
自20世纪60年代以来，由于黑河上中游拦蓄河流水源，工农业用水大量增加，以及区内不合理的土地利用，导致上游来水逐渐减少，下游生态环境不断恶化，致使西居延海于1961年干涸，东居延海于1992年完全干涸。进而造成黑河下游大面积绿洲萎缩、草场沙化、载畜量下降和生物多样性锐减等问题，并由此使得该地区最终演变为沙尘暴的重要源地，且形成了一条横贯我国北方的“沙尘走廊”[81-83]。为了拯救黑河流域日益恶化的生态环境，恢复额济纳旗的荒漠绿洲，2000年8月，黑河分水方案第一次得到实施，由于河床干涸已久，且地下水位较低，致使2000－2001年黑河中上游的调水在到达居延海之前，就已消失在茫茫的河床之中。2002年后，黑河干流水流入下游，面积以3.02 km2/a的速度由2002年的0.79 km2增加为2012年的40.3 km2 [82]。1960－2002年，气温的升高和正义峡径流量的减少共同导致东居延海面积锐减，东居延海面积与气温呈显著负相关，气温升高1℃，东居延海面积将减少18 km2；与正义峡径流量呈显著正相关，径流量每减少1亿m3，东居延海萎缩4 km2。2000－2012年，正义峡径流量对东居延海面积的影响则大于气候变化的影响[82]。
4 未来西北干旱区水资源变化及适应众多学者利用不同的水文模型，结合不同的气候变化情景，对西北干旱区水资源未来的变化及脆弱性进行了研究。施雅风等[84]预估，2030年左右，西北山区升温1℃，降水与蒸发将增加，平原区积雪减少，高山区积雪增加，冰川加快萎缩，许多小冰川消失，河川径流变率加大，湖泊大部分进一步萎缩。Wan等[85]表明RCP2.6、RCP4.5和RCP8.5情景下降水将显著增加，RCP8.5情景下大多数流域水资源的脆弱性将随着降水量的增加显著降低；在柴达木盆地、昆仑山北部，2030年代和2050年代水资源将有低或中等的脆弱性，但在吐哈盆地和河西走廊，尽管降水显著增加，且实施节水措施，2050年代脆弱性依然较高。
在不同气候变化情景下，天山开都河流域径流量有较大差异[86-87]。流量几乎随降水量线性增加，而对气温的响应取决于气温的变化幅度，当气温升高超过2℃时，流量下降显著[86]。中等排放有利于维持径流预期水平[87]。
Zhang等[88]挑选了CMIP5中29个全球气候模式和两个排放情景(RCP8.5和RCP4.5)，利用集成水系统模型HEQM模拟河西走廊历史阶段(1985－2005年)和3个未来阶段(2030年代，2050年代，2070年代)的河川流量，分析得出结论：未来气候变化将明显增加平水期和枯水期流量，但不会明显改变丰水期流量；同时，枯水和丰水的频率会增加，但流量变率降低。Wang等[89]在RCP8.5和RCP2.6排放情景下，对石羊河流域径流进行模拟，结果表明，2020年代、2050年代和2080年代石羊河流域月径流量增加，月最低流量持续增加，但月最大流量在2020年代增加，在2050年代和2080年代略有下降。2030年，黑河出山径流将有小幅增加，且随着气温上升，最终将减少[90]。2021－2050年黑河流域上游气候可能会更温暖湿润，夏季降水增加最多，全流域融雪、径流、蒸散量也会增加[91]。
为了有效应对气候变化的影响，程国栋等[92]提出均衡利用各类水资源，强化地表水与地下水的联合调度和统一利用，加强土壤水资源的利用和保护等抵御干旱的对策与建议。邓振镛等[56]提出通过调整农业种植业结构与布局等提高水资源利用率；对流域进行综合治理与开发利用以搞好水资源可持续利用；开发祁连山空中云水资源、哺育祁连山冰川等以做好水资源管理。孙兰东等[93]提出黑河流域上游应重点加强水源涵养林带保育和草地建设，中游进行退耕还林还草、轮封轮牧的同时，应进一步营造绿洲防护带和边缘防护带，下游荒漠牧业区要加大对超载过牧、滥垦滥牧的管理力度，加大人工植被修复的力度。陈超等[94]通过分析石羊河流域棉花生产对未来气候变化的响应，提出了调整播期、引进新品种和改变灌溉量等的适应措施。孙希科等[95]评价了疏勒河流域适应气候变化的能力，提出加强各级政府间的协作和引导，统一利用和管理流域水资源，继续实行生态环保政策，优化产业结构等适应对策。
5 讨论气候变化与水资源问题是影响我国西北干旱区生态环境与社会经济可持续发展的主要瓶颈。西北干旱区气候系统独特的复杂性与不确定性，又增加了这两个问题的研究难度。气候变化将加剧西北干旱区水文循环和水资源分配的时空不均性，灌溉用水不足的风险将可能进一步加大，因此有必要运用多种适应方法，加强区域水资源的调配和流域综合管理，进行转型适应，以科学有效应对气候变化。适应决策和路径选择将决定未来西北干旱区的恢复能力和风险水平[96]。采取高气候恢复能力发展路径将有助于提升恢复能力、降低潜在风险，反之采取低气候恢复能力的发展路径将使未来局面难以乐观。21世纪以来国家采取了一系列生态环境保护工程和节水工程，一些地区的生态环境有了明显改善[97]。真正的适应性政策除需要考虑目前的气候变异外，也要考虑未来的气候变化，要成为能够带来社会或经济效益的“低悔”措施。
尽管西北干旱区气候变化与水资源领域科研成果丰硕，但因其综合性强，涉及基础研究、决策、管理等范畴，还有不少科学问题和实践问题需要进一步研究和探索。目前和未来亟待解决的研究任务主要包括：(1) 西北干旱区极端天气气候事件的变化规律及其对水资源的影响，需要进一步深入的研究和探讨。尽管已有研究揭示了西北干旱区极端天气气候事件的变化，但仍然缺乏使用世界气象组织定义的ETCCDI(The joint CCl/CLIVAR/JCOMM Expert Team on Climate Change Detection and Indices)极端指数，对该区极端事件变化进行系统研究。(2) 对西北干旱区未来气候变化和水资源预估的工作目前开展得还不够。对未来变暖背景下，西北干旱区气候和水资源如何演变尚没有较全面的结论。(3) 西北干旱区气候变化的归因需要深入研究。需要研究全球气候系统与区域系统关联性，在区域尺度解释温室气体、气溶胶、土地利用变化和自然强迫对西北干旱区显著增暖的量化贡献。(4) 需要从目前气候变异-未来气候变化-社会经济活动一体化来选择适应策略。(5) 科学、合理、定量分配有效水资源有待进一步研究。
致谢：感谢中国气象局国家气候中心孙朝阳高工提供的帮助。
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