1 天山地区的气候变化与水资源特征
中亚天山横亘于亚欧大陆腹地，东西长约2500km，南北宽250～350km，由一系列高大山地、山间盆地和谷地组成，是世界上距离海洋最远的山系，也是世界上现代冰川分布最广泛的山系之一（Chen et al.，2016）（图1-1）。天山地势复杂，由山脉、山谷、平原和盆地组成，山体海拔在3500m以上，主峰海拔4000～6000m（Tang Z G et al.，2017）。天山以典型的大陆性气候为主，昼夜温差大，年平均气温约5.72℃（Fan et al.，2021a），水汽输送系统主要受西风环流控制（Xu M et al.，2018）。天山拦截并抬升了西风气流挟带的水汽，降水丰富，形成我国西北干旱区的“湿岛”。根据我国第二次冰川编目，天山共有7934条冰川，总面积7179.78km2（刘时银等，2015）。天山丰富的冰川、积雪和降水是中亚干旱区水资源的重要组成部分，天山作为中亚干旱区重要的水源地和生态屏障，被誉为“中亚水塔”。
图1-1 中亚天山地区示意图
Ⅰ.表示西天山；Ⅱ.表示中天山；Ⅲ.表示北天山；Ⅳ.表示东天山
天山是众多河流的发源地，冰川、积雪融水和降水是径流的主要补给（陈亚宁等，2022），气候变暖引起的山区冰川/积雪融化直接影响河川径流过程与水资源量的改变。天山水资源的形成、补给、转化等方面的特点鲜明，在世界干旱区具有很强的代表性（Barnett et al.，2005；陈亚宁等，2014）。天山山脉连接着中国新疆维吾尔自治区及中亚的哈萨克斯坦、吉尔吉斯斯坦和乌兹别克斯坦等国。由于多国多民族的政治复杂性与自然地理单元的完整性叠加在一起，天山区域性研究成果具有局限性。气候变化引起的天山地区水循环和水系统的改变，可能引起水资源数量发生变化，加剧水文波动和水资源的不确定性，从而导致中亚地区间、国家间的水事争端及绿洲经济系统与荒漠生态系统的水资源供需矛盾加剧，影响中亚区域国家之间的关系及丝绸之路经济带的建设。为此，深入研究气候变化对中亚天山地区冰川、积雪及水资源的影响，准确掌握水资源的数量及变化，不仅对科学管理水资源、服务于国家丝绸之路经济带建设具有重要意义，同时为我国在中亚地区国际河流水资源谈判中争取主动权提供重要的科技支撑。
1.1天山地区的气候变化特征
在全球变暖背景下，过去40年，天山的气温和降水呈增加趋势（陈亚宁等，2022），升温速率为0.3℃/10a（Xu W et al.，2018），降水的增加速率约为20mm/10a（Fan et al.，2020a）。天山的升温速率与祁连山脉相当，高于横断山脉和喜马拉雅山地区（Zhao et al.，2020）。自2000年以来，天山降水的增加趋势减弱，极端降水增加（Guan J Y et al.，2022；Wang S J et al.，2013）。近年来，天山出现了固态降水向液态降水转变的趋势，降雪率从1960～1998年的11%～24%降低到2000年以来的9%~21% （Chen et al，2016；Li et al.，2018）。尽管气温和降水整体在增加，但由于*特的地理环境，其增加过程具有波动性，在季节上和空间上呈现出显著差异（Gheyret et al.，2020）。季节上，天山冬季升温*快，夏季增湿*快；空间上，气候呈现“两中心”特征，东段为“干热”中心，西段为“冷湿”中心，且气候反差呈扩大趋势（苟晓霞等，2019；张正勇等，2012）。过去40年，天山东部的吐鲁番-哈密地区升温较快，达0.40℃/10a。
对于天山气候变化的原因，国内外学者开展了诸多研究。在全球尺度上，全球变暖影响天山的气候变化。近年来，我国西北干旱区的CO2排放量与冬季气温呈正相关关系（R=0.51）（Li B F et al，2012a）。在区域尺度上，环流因子影响天山的气候变化，不同季节的影响存在差异（An et al，2020）。研究表明，近年来，亚欧大陆秋季降温与北太平洋海和西伯利亚高压增强有关（Li BF et al，2020）。Xu等（2018a）研究发现，天山冬季的升温速率高于其他季节，这主要是由于西伯利亚高压的控制。刘友存等（2016）指出，南亚季风指数和太平洋年代际涛动影响天山的气温变化。屠其璞（1992）研究表明，太阳活动及南方涛动与我国西北干旱区的气候变化存在密切关系。因此，全球变暖和环流变化都导致近年来天山变暖。天山的水汽输送系统主要受西风环流控制（Chen et al，2016；Guan et al，2022b）。研究表明，北极涛动和北大西洋涛动对天山的降水变化具有重要影响（Zhonget al，2017）。夏季北大西洋涛动负位相年，西风带水汽输送增强，天山降水丰富，正位相年，降水异常偏少（ 杨莲梅和张庆云，2008）。An等（2020）研究表明，印度夏季风、厄尔尼诺-南方涛动和太平洋年代际涛动与天山降水呈正相关关系，年尺度上，印度夏季风对天山的降水变化具有重要影响，年际尺度上，厄尔尼诺-南方涛动影响天山北坡的降水变化。此外，大气环流对区域气候变化的影响具有一定滞后性，Fan等（2020a）研究表明，夏季的北极涛动和前一年冬季的北大西洋涛动是2000年以来天山降水增加的重要原因。
1.1.1 气温变化
在过去半个多世纪，中亚干旱区的年平均气温在1998年出现了“突变型”升高（图1-2）。统计气温突然升高以来约15年间（1998-2013年）的气温发现，气温较之前30年升高了约0.93C，并且自1998年以来一直处于高位波动。在全球变暖，尤其是在当前气温持续高位波动的影响下，降水的时空分布和降水形式势必会发生改变，加快以冰川为主体的“固体水库”消融和萎缩，加大水资源不确定性，改变水资源构成和径流组分，对天山地区的水资源系统产生重要影响。
图1-2 1960-2013年中亚干早区气候变化趋势
1.1.1.1 气温的年际变化
表1-1显示了1979~2019年天山年平均气温的描述性统计和趋势检验结果。天山多年平均气温为4.92C，东天山气温*高，为8.32C，其次是西天山，为4.08C，中天山海拔最高，气温最低，为3.48C。1979-2019年，天山呈现变暖趋势，升温速率为0.239C/10a（Z=2.46，a=0. 05），东天山升温*快，速率为0.40C/10a。Xu M等（2018）的研究表明，1960-2016年，天山升温速率为0.32C/10a，东天山升温速率为0.41C/10a，与该研究结果相似。
表1-1 1979~2019年天山年平均气温的描述性统计和趋势检验结果
1.1.1.2 气温的年内变化
在年内分布上，天山地区的最高平均气温出现在7月，为16C左右，最低平均气温出现在1月，低于-10C（图1-3）。春季和秋季属于过渡季节，平均温度在5C左右。年内的平均气温变幅在30C左右。从气温的季节变化特征分析，各季节气温的距平均在-2~2C，1986年前以负距平为主，1996年后以正距平为主，1986~1996年为气温变化的过渡时期。天山地区冬季升温最明显，升温速率达到0.6C/10a以上，春季、夏季及秋季升温速率较小。
图1-3 天山气温和降水量的月平均分布特征图
1. 1.1.3 气温的空间变化
在空间分布上，天山地区的气温变化表现为东天山气温最高（8. 32C），其次是西天山（4. 08C）和中天山（3.48C）[图1-4（a）]。海拔是影响山区气温分布的主要因素（Dengetal，2015；Giorgi etal，1997）。东天山以平原和盆地为主，平均海拔1215m，而西天山和中天山以高山为主，平均海拔分别为2057m和2186m，与东天山相比，西天山和中天山的气温较低。此外，纬度直接影响太阳辐射，对气温的分布具有重要影响（Wallace et al，2010），与西天山相比，纬度较高也是中天山气温较低的重要原因。
从气温的空间变化[图1-4（b）]来看，1979-2019年，西天山、中天山和东天山的气温均呈上升趋势，东天山以平原和盆地为主，四面环山，升温最快，其次是西天山和中天山。与其他地区相比，天山的升温速率高于横断山脉、祁连山脉、喜马拉雅山和青藏高原中部地区（Li et al，2011）。研究表明，西伯利亚高压对西北干旱区的气温变化具有重要影响（Li B F et al，2012a），此外，西北干旱区的气温与温室气体排放量呈正相关（R=0.51）（LiB F et al，2012b）。因此，全球变暖和西伯利亚高压减弱都导致近年来天山的温度升高。
图1-4 天山年平均气温的空间分布与空间变化
研究区包括阿克苏河流域，流域西部和北部位于吉尔吉斯斯坦境内
各季节气温的空间分布格局与年平均气温相似，即东高西低、南高北低（图1-5）。西天山的春季气温为5.68C，夏季气温为15.56C，秋季气温为4. 25C，冬季气温为-9.16C；中天山的春季气温为5.05C，夏季气温为15.62C，秋季气温为3.529，冬季气温为-10.24C；东天山的春季气温为10.48C，夏季气温为23.61C，秋季气温为7.96C，冬季气温为-8.69C。从季节气温的空间变化来看，春季，西天山、中天山和东天山的气温均呈上升趋势，东天山升温最快；夏季，西天山和中天山的气温变化较小，东天山升温较快；秋季，西天山、中天山和东天山气温变化较小，趋势接近0；冬季，中天山和东天山的气温呈下降趋势，西天山气温变化较小。
总体来看，海拔较高的山区气温低但升温快，河谷和冲积扇地区气温高但升温慢。山区升温较快与冰川积雪广布和植被多样性有关。在低海拔地区，地形、纬度和生态系统稳定性导致山区气候对全球气候变化的响应具有缓冲性，升温较慢。
1.1.2 降水变化
天山位于中亚干旱区，深居亚欧大陆内部，总体上年降水量较少，多年平均降水量在250~300mm。但是，受西风气流的影响，并在山体的抬升作用下，天山的迎风坡（ 天山西北部区域）降水较丰富，如伊犁河谷的局部区域年降水量超过800mm，但大部分区域降水量少，特别是天山的背风坡。中亚天山地区的冬半年降水量少，夏半年降水量多，降水集中在4~7月，最大降水量发生在5月。
图1-5天山季节气温的空间变化
（a）.（e）、（e）.（g）分别是春季气温、夏季气温、秋季气温和冬季气温的空间分布；（b）.（d）.（f）.（h）分别是春季气温、夏季气温、秋季气温和冬季气温的空间变化；研究区包括阿克苏河流域，流域西部和北部位于吉尔吉斯斯坦境内
1.1.2.1 降水量的年际变化
1979~2020年天山年降水量的描述性统计和趋势检验结果（表1-2）表明，天山多年平均降水量为368. 09mm，中天山降水最丰富，为532.55mm，其次是西天山，为405.26mm，东天山降水较少，仅174. 55mm。1979~2020年，天山降水量的增加速率为13.4mm/10a （2=1.42，a=0.10）。西天山降水量增加最快，为30.1mm/10a。标准差（SD）和变异系数（CV）表明，西天山和东天山降水量的多年差异性大于中天山。
表1-3显示了天山年降水量的突变检验结果。天山的年降水量在1986年发生突变，突变前年降水量为353.68mm，突变后年降水量为371.58mm，突变前后相差17.90mm。西天山的年降水量在1990年发生突变，突变后年降水量增加了6.65mm，中天山和东天山的降水量在研究期内未检测到突变。
目录
前言
1天山地区的气候变化与水资源特征1
1.1天山地区的气候变化特征2
1.2天山地区的水资源基本特征10
1.3天山地区的水资源要素变化特征17
2天山山区水汽来源及对区域降水的影响26
2.1天山山区大气水分变化特征27
2.2天山山区降水的多尺度变化31
2.3水汽来源对天山山区降水变化的影响35
2.4天山山区不同水汽来源及影响44
2.5再循环水汽的贡献及影响因素53
3天山山区降雪率变化及其影响68
3.1降雪率计算方法及验证68
3.2天山山区降雪率变化及其对区域水文水资源的影响71
3.3未来变化情景下降雪变化趋势预估78
4天山山区积雪产品研制与积雪物候变化84
4.1积雪产品综述85
4.2天山无云日积雪产品的研制88
4.3气候变化下的天山积雪变化93
5中亚天山地区冰川变化及对水资源影响104
5.1天山地区冰川信息的提取与计算方法104
5.2天山冰川的空间分布特征108
5.3天山山区冰川物质平衡变化特征122
5.4天山冰川变化对河川径流的影响134
6天山地区的冰川湖变化及其影响158
6.1天山山区湖泊信息的提取方法159
6.2天山湖泊的时空变化特征163
6.3天山山区湖泊变化的影响因素分析175
6.4天山冰川湖突发洪水问题187
7天山地区径流变化及模拟194
7.1天山地区气候数据的降尺度模拟194
7.2气候变化对天山典型流域径流的影响209
7.3天山典型流域气候-径流过程多尺度建模222
8天山地区水资源变化趋势预估230
8.1天山地区未来气候变化特征230
8.2基于SWAT-Glacier的天山典型流域流量预估243
8.3基于机器学习的天山典型流域径流预估251
9气候变化的风险与挑战263
9.1气候变化打破了原有自然平衡263
9.2气候变化加剧了水系统的复杂性265
9.3气候变化引发的科学问题268
参考文献273
