1.1.1 升温幅度高于全球平均水平 过去半个多世纪, 西北干旱区气温上升速率高达0.34 ^oC/10a, 明显高于全球平均水平 (0.12 ^oC/10a)^[1]。分析研究表明, 气温显著上升发生在20世纪80年代后期, 1960-1986年期间, 平均气温增加幅度较小; 1987年, 西北干旱区年平均温度出现了“ 突变型” 升高, 并以每10年升高0.517 ^oC的速度呈现出加速升高趋势。自1997年以来, 温度一直处于高位震荡状态, 升温趋势已不十分明显。

对西北干旱区78个站点的统计资料分析显示, 在20世纪80年代后期, 约有85%的台站温度显示升高趋势, 而进入21世纪, 温度升高的台站超过90%^[10], 但是上升幅度较20世纪90年代减弱。与此同时, 西北干旱区气温极值向暖趋势发展明显, 异常偏暖的极端事件显著增加, 而异常偏冷的极端事件显著减少^[11]。

1.1.2 降水量增幅呈动态变化 在过去半个多世纪, 西北干旱区的降水量也出现了类似变化。1960-1986年间, 降水量变化处于相对稳定阶段, 在1987年降水量出现了“ 突变型” 增加, 年降水量增加率达9.7 mm/10a^[12]。

从台站统计看, 整个西北干旱区由20世纪70年代的约80%的台站降水量减少, 转变为80年代后期的75%和90年代的88%的台站降水量增加。20世纪90年代是西北干旱区过去半个多世纪里最为湿润的10年。值得一提的是, 在最近10年, 西北干旱区降水量的增加幅度降低, 并且约有45%台站的降水量较20世纪90年代表现为减少趋势。

针对西北干旱区过去30年温度升高、降水增加这一变化特点, 有学者提出新疆以天山西部为代表的地区呈现出气候向暖湿转变的信号^{[13, 14]}, 也有学者提出可能是气候波动变化。树轮的研究结果显示, 新疆天山山区与北疆的气温在过去200~300年间经历了8个偏暖阶段和7~8个偏冷阶段, 以及7个偏干和7个偏湿阶段^{[15, 16]}。20世纪80年代以来是西北干旱区相对最为温暖的阶段^[17]。

西北干旱区气候变化具有一定的复杂性, 仅从短期内、个别角度很难准确揭示其变化过程及趋势, 并且难以定论区域气候转型还是波动变化。国内外对于气候变化的研究主要针对气候变化特征的分析, 从不同时间尺度、不同区域尺度上解析气候变化过程, 然而, 这些研究还多半是定性的描述, 缺少定量化的研究, 尚未系统揭示历史百年尺度气候变化规律及气候变化对水循环和水资源系统影响机理, 对气候系统不同时空尺度演变及其相互作用规律的认识还有待提高。

冬季温度升高的问题是近些年大家关注的热点。Hansen 等早在1999年就提出, 北半球中高纬度地区的冬季增暖明显^[18]。我国学者也发现了中国冬季气温升高幅度要比年均大的多这一现象^{[19, 20]}。任国玉等研究指出^[21], 中国大陆地区最明显的增温发生在北方和青藏高原地区, 最显著的季节在冬季和春季。我们在对西北干旱区过去50年气温变化的研究过程中发现了同样的现象, 对不同季节气温变化的研究分析表明, 冬季气温变化对年平均气温升高的贡献率达57.01%^[12], 西北干旱区冬季温度的大幅度升高可能是拉动年平均温度抬升的重要原因。

详尽分析冬季气温变化还可发现, 西北干旱区冬季极端最低气温的升高非常剧烈。在过去的50年, 西北干旱区冬季的极端最低气温升高了约3.11 ^oC, 由20世纪80年代以前的-15.08 ^oC, 升高到90年代-13.01 ^oC和21世纪初 (2000-2010年) 的-12.97 ^oC^[10]。冬季极端最低气温的大幅度升高拉动了冬季平均气温的升高。为了探究冬季气温升高速率快的原因, Li等选取了西伯利亚高压 (SH)、北极涛动 (AO), 北大西洋涛动 (NAO), 北太平洋涛动(PNA), 南极涛动 (AAO), 南方涛动 (SO) 和西风指数 (WCI) 共七种大尺度影响因子, 利用弹性理论, 对比分析了不同环流对西北干旱区气候系统的影响^[9]。研究结果表明, 西伯利亚高压活动和二氧化碳排放是西北干旱区冬季气温变化的主要影响因素, 西北干旱区冬季气温与西伯利亚高压指数的相关性较高 (R = -0.715, P < 0.001), 明显高于与二氧化碳的相关性 (R = 0.51, P < 0.001)。在20世纪80年代中期至90年代, 西伯利亚高压出现明显减弱趋势, 此阶段正是冬季气温上升最为明显的时期; 同时, 在近5年 (2005-2010) 西伯利亚高压略有回升, 而冬季气温也随之略有降低, 两者变化具有较好地同步性。值得指出的是, 在过去的50年, 为什么温度和降水都在1987年出现了一个跃动性增量变化^[22], 关于这个问题有诸多探索性研究, 但众说纷纭, 至今莫衷一是。

大气环流是影响气候变化的一个主要因素, 利用遥相关指数研究气候变化是一个很好的方法^{[23, 24]}。在对北疆地区近50 年来气候与水资源变化趋势研究发现, 冬季NAO指数与年均温度和冬季温度具有显著的正相关; AO年指数与年均温度正相关, 夏季AO指数与春、夏季温度正相关; 冬季AO指数与冬季温度正相关。NAO和AO指数对研究区域降水具有一定的影响, 但相对于温度而言, 影响北疆西部地区降水的主要因素是春季NAO指数^[25]。而对天山南、北坡、昆仑山北坡以及祁连山北坡四个典型区域过去50年夏季0 ^oC层高度与径流量的变化分析中发现, 不同区域的0 ^oC层高度变化是不一致的, 且河川径流量变化与0 ^oC层高度关系密切^[26]。

受气候变化的影响, 特别是冬季气温升高的影响, 山区冰川消融和退缩加速, 改变着各不同水源在水资源构成中的份额。西北干旱区一些冰川和积雪融水补给大的河流, 出现了冰川和积雪消融期提前、汛期消融量增加现象。但从长远来看, 随着气温的进一步升高, 这些受冰雪融水补给为主的河流, 会由于冰川退缩和冰川储水量的减少, 出现冰川消融拐点, 届时, 夏季的水量将会减少, 地表可用水资源量出现锐减, 或因降水异常的影响而变率增大。同时, 冬季气温升高导致山区的冰川、积雪消长过程不确定性增加, 降水的时空过程改变, 难以把握和准确预估未来水资源变化趋势。

蒸发皿蒸发量作为大气蒸发潜力的一个重要指标, 其变化对于检测气候和水循环变化有重要指示意义。西北干旱区的蒸发潜力是全国最高的地区, 而蒸散发又是影响干旱区水循环的重要因素之一。不少学者对此开展了研究, 多数研究都发现蒸发潜力在全球, 尤其是北半球存在明显减少趋势^{[27, 28, 29, 30, 31, 32, 33, 34]}, 这一事实与全球变暖可能导致蒸发潜力增加的猜测相矛盾。围绕气候变化引起的实际蒸散发变化及水循环响应的研究, 以Penman蒸发正比假设^[35]和Bouchet蒸发互补假设^[36]的两大争论为主。然而, 最近的一项研究结果表明, 西北干旱区蒸发潜力在过去50年出现了一个明显的转折变化, 以1993年为转折点, 在1958-1993年时段内, 西北干旱区的蒸发皿蒸发量以-6.0 mm/a的速率呈现为下降趋势, 而在1993-2010年时段内, 蒸发皿蒸发量以10.7 mm/a的速率逆转为明显上升的趋势^[37]。即：中国西北干旱区蒸发水平以1993年为转折点, 由下降趋势逆转为显著上升的趋势, 这与全国范围的最新的一项研究结论一致^[38]。

Li等根据PenPan模型的两个组成部分, 依据偏导数原理, 从模型物理机制出发探究了其原因, 发现空气动力学项是引起该变化的主导因素。在1958-1993年时段内, 蒸发皿蒸发量以-5.6 mm/年的速率下降, 而在1993-2010年时段内, 蒸发皿蒸发量以8.6 mm/年的速率上升。辐射项的贡献作用较小^[37]。对蒸发皿蒸发量影响很大的空气动力学项再拆分为风速、水汽压差和大气温度三个组成部分, 得出结论：地表风速变化是引起1958-1993年蒸发皿蒸发量显著下降的主要驱动因素; 而在1994-2010年阶段, 地表风速和水汽压差对蒸发皿蒸发的上升趋势共同起了重要的作用。这一研究发现对前人广泛报道的蒸发皿蒸发量下降趋势带来新的见解, 并向长期以来蒸发悖论的观点发出了不同信号。

温度升高、蒸发潜力的增大可能会对干旱区生态效应带来负面影响。近期的多项研究成果表明, 在2000年以前, 西北干旱区植被覆盖率和NDVI值呈显著增加趋势, 而在2000年以后都表现为减小的趋势^{[39, 40, 41]}。植被覆盖率和NDVI值的降低和减少应该与西北干旱区过去30年温度、降水及蒸发变化存在一定联系。2000年以来, 西北干旱区的降水量增幅下降, 甚至有将近1/2台站的降水量表现为减少态势, 而温度、蒸发潜力则以持续升高为主, 由此造成大量土壤水分丧失, 导致一些依靠地下水和土壤水维系生存的、抗旱性弱的浅根系荒漠植物开始死亡, 物种多样性减少, 植被覆盖率降低。

干旱荒漠区土壤蒸发速率和强度随水热等气象条件而变化, 虽然实际蒸散发很难直接测定, 加之缺乏长期观测资料, 蒸散发对干旱区土壤水分消耗的影响程度和定量关系还没有一个确定性的结论, 但可以认为, 气候变暖对西北干旱区生态效应的负作用已经凸显出来, 至于影响程度还需要进一步研究。在气候变暖的影响和作用下, 蒸散发水平、降雨模式、地表径流等都将发生变化, 土壤水、地下水以及地表水资源也随之发生变化, 但是目前尚缺乏对此的系统分析和研究。

西北干旱区水汽弱汇作用下气候水文要素变化对流域水资源形成及时空变化产生着重要影响。西北干旱区水系统脆弱, 全球气候变暖在加大极端气候水文事件发生频率和强度的同时, 加剧了西北干旱区内陆河流域的水文波动和水资源的不确定性。

最新研究结果显示, 西北干旱区的水文、水资源有以下三方面变化：1) 径流出现“ 突变型” 增加。对西北干旱区河川径流量的长时期序列检测发现, 一些冰川融水补给较大的河流在1994年前后普遍出现了一次径流“ 突变型” 增加的过程。如位于南疆的开都河流域, 1994-2010年期间径流量比1960-1993年期间增加了26.5%, 但突变增加的时间迟于温度、降水“ 突变型” 升高的1987年^[42]; 2) 径流量在汛期增加。对西北干旱区径流的年内变化分析发现, 一些冰川和积雪融水补给大的河流, 出现了冰川和积雪消融期提前、汛期径流量增加现象, 这些现象也多在20世纪90年代初以后表现最为突出：例如, 塔里木河流域在1991-2006 年冰川融水对河流径流的补给比例由1961-1990 年的41.5% 增加到46.5%^[43]; 3) 径流的丰、枯变化加剧。气候变化加剧了内陆河流域的水文波动和水资源的不确定性。对过去50年塔里木河流域水文资料的统计分析显示, 2009年和2010年塔里木河上游三源流 (阿克苏河、叶尔羌河、和田河) 汇入干流 (阿拉尔水文站) 的水量分别为14.02和72× 10⁸ m³, 是塔里木河流域有水文记录以来径流量最少和最多年份, 二者比值相差5倍多。

在西北干旱区, 水循环各环节受陆表格局和气候影响显著, 水资源构成复杂, 径流和水资源的弹性非常大, 气候变化导致的降水和温度较小的变化均会引起径流较大幅度的改变, 给干旱区生态水文过程带来重大影响。气候变化对山区水循环要素的改变加剧了水系统的不稳定性, 在全球气候变暖背景下, 西北干旱区以山区降水和冰雪融水补给为基础的水资源系统更为脆弱, 人类活动在强烈改变着流域的自然水循环过程。

西北干旱区的河川径流对冰川 (积雪) 的依赖性较强, 随着气候变暖和极端气候水文事件的加剧, 冰川水资源变化将更为复杂。冰川比较发育、受冰川融水补给较多的河流, 可能会在相当长一段时期内, 径流量变化处在高位波动。而那些冰川面积小、数量少的流域, 会随着温度升高、冰川退缩和冰川水资源量的减少, 出现冰川消融拐点, 冰川融水量锐减, 冰川调剂功能下降, 河川径流或因降水异常的影响而变率增大。

研究结果显示, 在过去50年, 中国西部82.2%的冰川处于退缩状态, 冰川面积减少了4.5%^[44]。尤其自20世纪90年代以来, 西北干旱区冰川退缩趋势加剧, 冰川的退缩数量和幅度都是20世纪以来最多和最大的时期, 处在加速退缩和强烈消融过程中^[45]。在全球变暖背景下, 天山北坡和天山东段的那些面积和规模较小的冰川反应十分敏感。新疆在未来20~30年, 小于2 km²的冰川产流量会急剧减少, 50年后, 这些占天山冰川总条数80%以上的小冰川, 大多会消融殆尽^[45]。

值得指出的是, 对那些冰川面积小、数量少的流域而言, 由于冰川融水所占份额有限, 由冰川水资源变化对径流造成的影响是有限的, 在温度升高过程中的径流增加也不甚明显, 但随着冰川萎缩或冰川消失所出现的冰川消融拐点的影响将不容忽视。如东疆盆地西段和东段冰川面积缩小比例分别为25%和11%^[45], 部分流域的冰川处于强烈消融或消融殆尽, 已经出现冰川消融拐点, 冰川变化对水资源的影响已经凸现出来。再如, 位于祁连山中段的黑河流域, 过去50年冰川面积缩小比例达29.6 %^[46], 冰川由20世纪60年代的967条减少到2010年左右的800条^[47], 位于祁连山东段的石羊河流域冰川面积缩小比例达到30%^[48], 冰川处于强烈消融和退缩状态。尤其河西走廊东段的石羊河流域, 由于冰川水资源量的锐减, 河流水文过程将会变得更为复杂。

在西北干旱区一些冰川融水补给份额较大的河流, 冰川融水量的增加会使得河川年径流量在较长一段时期仍处在高位波动, 这些河流受冰川融水的调剂作用较大。如塔里木河流域的阿克苏河、叶尔羌河、和田河以及河西走廊的疏勒河等。近些年伴随气候变暖, 径流增加也十分明显。如位于南疆的阿克苏河主要支流库玛拉克河, 冰川融水组分占径流总量的比例高达47%, 在过去的30年, 山区来水量增加了约31.2%^[49]。

西北干旱区的水资源形成和水源补给转化等方面特点鲜明, 尤其在径流组分和水资源构成方面, 在世界干旱区都具有很强的代表性。西北干旱区的河流几乎全部发源于山区, 主要有高山区的冰 (川) 雪融水、中山森林带的降水和低山带的基岩裂隙水等, 多元构成, 组分复杂, 它们在山区汇流, 共同构成了干旱区地表水资源。气候变暖, 加剧了水资源的不确定性, 加速了山区冰川消融和退缩, 改变着各不同水源在水资源构成中的份额。为此, 定量分割干旱区内陆河的径流组分, 精细刻画山区冰川、积雪融水、大气降水等在水资源构成中所占比例, 对预估不同变化情景下水资源未来变化趋势有着重要参考。

对西北干旱区塔里木河流域的最新研究结果表明, 山区的冰川、积雪融水和降水是塔里木河流域四大源流 (阿克苏河、和田河、叶尔羌河、开都河) 河川径流的主要补给来源, 低山带的基岩裂隙水作为基流主要是由前者补给形成。从径流构成的年内分布看, 冰雪融水的贡献比例以4-7月所占比例较大, 都超过了55%, 尤以6月份最高, 达65%以上^[50]。4-5月份比例较高的原因是由于伴随山区温度的回升, 大量浅山带的季节性积雪融化补给所致。而年平均温度最高的7月份, 冰 (川) 雪融水的比例却不及6月份, 次高月8月份更是降至37%左右, 究其原因, 一是, 这期间山区的季节性积雪已经消融殆尽, 融雪水的补给量大幅减少。再是, 西北干旱区通常7-8月山区的降水量较大, 大量雨水参与了径流的形成, 从而降低了冰川、积雪融水在水资源构成中的比例; 从不同海拔的径流构成分析, 冰川融水比例随海拔降低而表现出减少趋势。在流域上游山区, 冰雪融水接近70%, 中游约45%, 在下游河流的较低海拔处, 冰雪融水仅占38%左右^[50]。

对塔里木河流域不同河流的水资源构成分析发现, 不同河流由于其形成环境的差异, 冰雪融水在水资源构成中的份额也存在着差异。发源于天山南坡的阿克苏河, 冰雪融水的比例约为59.3%, 而发源于喀喇昆仑山的叶尔羌河约为54.0%, 也有研究表明发源于昆仑山北坡的和田河约为59.5%; 同时, 分析不同河流的基流变化发现, 除开都河的多年稳定基流指数较大外 (32.1%), 其余三源流均较小, 如阿克苏河14.4%, 和田河9.3%, 叶尔羌河20.5%^[51]。并且, 表现为降水相对较多年份的基流量比例普遍大于降水相对较少的旱年, 这一研究结果对Wittenberg等提出的退水法理论是一个修正^[52]。在西北干旱区的内陆河流域, 冰川、积雪融水在径流构成中占有重要份额, 因此, 这在一定程度上使得基流在不同时期构成和组分复杂化。