全球变暖下的青藏高原,还好吗?
2020-06-30 18:25

全球变暖下的青藏高原,还好吗?

本文来自微信公众号:格致论道讲坛(ID:SELFtalks),主讲人:朱立平,题图来自:视觉中国


“青藏高原在整个亚洲起到了水源汇聚和分发的功能,因此我们称它为亚洲水塔。” 朱立平大学毕业以来,三十多年一直致力于组成亚洲水塔的核心之一——湖泊变化研究。


朱立平,中国科学院青藏高原研究所研究员


这次我给大家分享题目是《守护亚洲水塔》。


青藏高原为何是亚洲水塔?


首先我们要知道,什么是水塔,什么是亚洲水塔,以及青藏高原为什么被称作“亚洲水塔”?



大家都知道,我们饮用的自来水都来自供水管道,这些流淌在管道中的水流需要一定的压力和水源才能到达千家万户。


水塔,就是用于汇聚和保持足够的水源,调节稳定的水压和水量的装置。


在自然界,我们使用的水资源来自大气降水、冰川融水、河湖蓄水、地下储水等。它们在自然界中发生不断的循环。



在高山地区,由于冷凝和重力作用,各种来源的水分汇聚后,又不断分发出去。因此,高山地区具有天然的水塔功能。


我们知道青藏高原是地球上海拔最高,气候最寒冷的地方。


水在这里一方面既有冰川这样的固体,另一方面它在地下结了冰,形成了多年冻土。


更重要的是,地表大大小小的低地,使得积水成了湖泊,而青藏高原是我国湖泊分布最集中的一个地区。



这些冰川、湖泊通过河流输送到青藏高原的各个地方,甚至流出青藏高原。


因此,青藏高原本身就起到了高山水塔的汇聚功能——汇聚在青藏高原的水,在高耸的地势作用下,流出了青藏高原,发育了亚洲的十条大江大河。



我们的母亲河长江、黄河,东南亚地区的澜沧江、雅鲁藏布江,还有中亚地区的阿姆河、锡尔河等等,都是发源于这个地区。这些河流,为东南亚、南亚,甚至是中亚提供了丰富的水资源。


青藏高原在整个亚洲起到了水源汇聚和分发的功能,因此我们称它为亚洲水塔。


亚洲水塔为何如此重要?


提供充足的水资源供给


全球水塔是众多,亚洲水塔为什么如此重要?


这需要根据它的地形分布,和它在全球的地势分布来谈起。


世界地形图


从这张地形图可以看出,欧亚大陆中部的这一片褐色土地面积最大,而且海拔又高,高的地势就体现出水塔汇聚供水的重要功能。


Immerzeel 2020, Nature


青藏高原是全球面积最大、海拔最高的巨大高原。如果我们把分布在全球的许多高山划分成一个个水塔单元,全球可以分成78个水塔单元,青藏高原占据了其中最重要的13个水塔单元。


这里有最高的水供给指数,也有最大的水需求指数,呈现出最高的水塔指数。这证明了它在全球水塔中有着非常重要的地位。


Pritchard 2019, Nature


亚洲水塔汇聚来自高山的冰雪融水和沿途丰沛降水,而这些水源源不断地从高原流出。它哺育了高山的森林、草地,也给下游的绿洲、农田带来了充沛的水分,哺育了从东南亚到南亚、中亚西部的十几亿甚至二十多亿人口。


所以说,青藏高原作为亚洲水塔,从水资源供给的角度来讲,是一个非常重要的存在。


影响广泛地区的气候变化


另一方面,青藏高原,或者亚洲水塔,不仅为下游地区储供了充足的水资源,它也通过水分和热量的垂直交换,影响更广泛地区的气候变化。


青藏高原与气候变化


从这张示意图上可以看到,青藏高原地势高耸,它地表的水分和热量,可以垂直与大气进行交换,由于它海拔高,交换更为强烈。


在大气环流的作用下,水汽从西向东吹到中国东部的平原地区。当它与东南季风相遇,会影响中国东部的降水格局。


一个典型的例子就是1997年冬季到1998年春季,青藏高原大面积的积雪与1998年夏季长江中下游洪涝的关系。


青藏高原冬春降雪与中国夏季的降水分布


在1997年冬季和1998年春季,青藏高原下大雪,地表大面积的积雪提高了太阳的反射率,把热量反射回大气,且水汽比较强。


到第二年的夏天,地表的水汽在西风的作用下,吹到了中国的东部地区,与来自南海的东南季风相遇,在长江中上游地区形成了大面积的降水。


正常情况下,梅雨季节是6月份在长江中下游发生,而华北地区在8月份形成很多降水。


但由于那年青藏高原的水汽非常大,从高原输送到中国东部的水汽增强,使得中国东部的夏季风减弱。整个夏季的降水高值一直不能到达华北地区,而是停留在长江流域,造成了长江中下游的大面积洪涝。


全球变暖下亚洲水塔经历着哪些变化?


全球目前处于气候变暖的过程,亚洲水塔的冰川、湖泊、冻土等也会随着气候变暖发生各种各样的变化。


我们来看一下,这些要素都出现了什么样的响应?


1980-2012年,青藏高原升温率为0.44℃/10年,超过全球同期平均升温率的2倍多


这张图显示的是青藏高原的气温升温率和全球升温率的对比。亮黄色线条的是青藏高原的升温率,达到每十年0.44℃。而全球每十年只有0.16℃,可见青藏高原的升温率是全球平均的两倍以上


在这种剧烈的气候变化幅度条件下,亚洲水塔的各种要素势必发生深刻的变化。


冰川强烈退缩


气候强烈变暖使得这里的冰川明显退缩。


下图是IPCC(政府间气候变化合作组织)给出的喜马拉雅山地区冰川退缩的趋势图。从图中可以发现,冰川在这几十年退缩得非常强烈。


喜马拉雅山地区冰川物质平衡变化图


蓝色线条是小冰川退缩的趋势,它的退缩趋势更为强烈。有预测说未来的五六十年,一些小冰川可能就会消失。


下面三张图是三个时期在同一个地点对西藏察隅阿扎冰川拍摄的照片。


1933年英国人拍摄的图片:



1976年我们的老一辈西藏高原考察队员拍摄的照片:



2006年我们的同事在考察中拍摄的照片:



从视觉上可以直观地看到冰川退缩得非常强烈。


冰川退缩速率的空间分布


青藏高原的冰川退缩在各区域表现各异。上图中红色圆点代表冰川退缩,圆点越大代表退缩越强;蓝点是代表冰川前进或稳定,圆点越大代表稳定性越强。


从图中可以发现,在整个青藏高原的东南部,或者说南部,它的退缩非常强烈;中部退缩的幅度减弱;而在西北部,冰川依然还在稳定状态,甚至部分冰川在往前移动。


冻土中储水量增加,湖泊扩张


青藏高原气候极为寒冷,地下水都冻结在土里,经过数万年的演化,就发育成了多年冻土。多年冻土中有一个很重要的活动层,它是冬天冻结夏天融化,里面储藏了大量的地下冰。


随着气候变暖,活动层的厚度加大,地下冰的融化,造成了土壤湿度非常大。整个青藏高原土壤湿度的加大,意味着我们的地下储水量是在增加的


作为地表水,一个最重要的所在是湖泊。青藏高原的湖泊占了全国湖泊面积的52%左右,它们经历了1990年以前退缩,和1990年以后扩张的发展态势。



上图中蓝色的三角代表湖泊的扩张,三角越大表示扩张越强;红色的三角代表湖泊退缩,三角越大表示退缩越强。


从图中可以发现,在整个青藏高原湖泊的变化中,中部和北部湖泊是扩张得更为强烈的,主要发生在2000年到2005年。现在的湖泊依然在扩张,但是扩张的速度是在减缓。


我们利用遥感卫星影像分析和八十几个湖泊的测量,还原了湖泊的繁衍,发现现在青藏高原的湖泊水量增加了1026亿立方米,相当于3个三峡水库或40个密云水库的水量。



色林错湖泊的扩张是青藏高原湖泊扩最为明显的例子。上面左图中不同颜色代表不同时期下水面覆盖的面积,也是它湖水到达的一个边界。浅蓝色是在1972年湖泊的覆盖范围,深蓝色是2017年的湖泊覆盖范围。


经分析发现,这个湖泊从1972年的1667平方公里,已经扩展到2017年的2389平方公里,扩展了722平方公里。


而水量从308亿立方米,扩展到现在的558亿立方米。上面右边这张图上,清晰地显示了它的面积和水量在40年内的变化增长趋势。


Dai et al 2018, JGR


青藏高原的湖泊扩张也对整个气候变化带来一定的影响,特别是湖泊水面积的加大,会增加水循环和大气的含水量。


大量的湖泊存在会使大量的水汽蒸发,降低了气温,蒸发进入大气的水汽也会形成降水。


青藏高原变暖和变湿带来的积极影响


冰川、湖泊、冻土变化都会带来一系列影响,这些影响到底表现在哪些方面?


青藏高原1961-2018年降水量距平的变化


降水增加改善区域生态系统,减缓全球变暖趋势


首先,通过1960年到2018年的青藏高原的降水变化分析,发现2000年以后青藏高原的降水一直在增加的,这与2000年开始湖泊的大量扩张、强烈扩张非常吻合。



降水的增加,温度的上升影响了流出青藏高原的河流。


在整个青藏高原的西北部,虽然降水量变化不大,但由于气温增长比较厉害,冰川融化非常强烈。


尽管塔里木河的水在九十年代几乎断流,但现在流入塔里木河的水量变得非常大,对新疆的绿洲有非常好的促进作用。


Immerzeel 2010 Science


在东部地区,流出青藏高原的河流——长江、黄河、雅鲁藏布江等地上游的降水依然稳定,或者有略微增加,保证了流出青藏高原的江河的水资源,对下游有很好的保障


亚洲水塔的变化,不仅影响了气候,供给了水资源,也对区域的生态系统具有明显的影响。



上图是1982年到2010年,表征植被生长条件的趋势变化图,我们叫植被规划指数,英文叫NDVI。


图中颜色变绿是代表逐渐增加的趋势,可以看到随着气候变暖变湿,青藏高原的植被一直向好的方面发展。



随着NDVI植被的生长的增加,温度是下降的,意味着我们日益变好的植被抑制了温度的上升,在某种程度上减缓了全球变暖的趋势。


植被生态恢复,土壤储水量增加


植被在上升不仅对温度影响,也对它的水循环或者降水,地下水的储水过程有重要的影响。


这张图是表示在三江源地区,我们经过植被生态恢复后,气候和土壤储水量的改变。



通过生态恢复以后,地下的径流减小,表明更多的水保留在土壤中。同时一部分进入大气的蒸腾的水分又通过循环回到区域内。


三江源地区降水的略微增加,跟生态保护是密切的关系。


青藏高原变暖和变湿产生的负面影响


尽管青藏高原变暖、变湿产生很多积极的影响,但是它的消极影响或者灾害效应依然不能忽视。


发生冰湖溃决和冰崩的可能性增加


下图是喜马拉雅山地区冰湖的调查结果。



喜马拉雅山地区不同溃决概率等级冰湖的数量


什么叫冰湖?就是冰川退缩以后,前面的洼地积累了冰川的融水。


这些融水积存在那里,如果前边洼地自然形成的堤坝溃决掉,冰湖的水就会溃决。溃决以后就会流到下游形成滑坡泥石流,对下游的生产生活设施进行破坏。


通过研究发现,在143个冰湖中,有“高”或“非常高”的溃决可能性的湖占到了65%,气候变化对冰湖溃决的影响起到推动的作用。


所以对冰湖的灾害影响是不能忽视的。


新型冰崩及链式灾害频发


另一方面,随着冰川退缩,冰川不稳定性增强,降水的增加使冰川表面更加不稳定。


很多冰川发生断裂后整体滑塌下来,我们将其称作“冰崩”。冰崩又引起了一系列的次生灾害。


比如2016年在西藏阿里、阿汝地区发生的冰川冰崩。这个冰崩,冰崩体运移了十多公里,淹没了数个居民点和很大片的草场,最后造成9人死亡和数百头牲畜被淹没。


2018年在西藏的林芝加拉村东普沟发生冰崩。


冰崩带来的大量碎屑物质从支沟进入到雅鲁藏布江的干流,进入干流以后,把雅鲁藏布江阻断。所幸的是由于雅鲁藏布江水流量比较大,把堰塞体冲开了,没有形成溃坝事件。


不管怎样,冰崩的灾害日益加剧,还是值得我们警惕。


湖泊扩张威胁到交通安全


刚才我们谈到了冰川退缩的一些影响。那么,湖泊扩张是不是都是带来了降水增加的一个积极面?


也不尽然。


上图是可可西里地区的卓乃湖。


它的湖面上升,最后溢出河流的堤坝,进入下边的河流,造成灾害。河流形成以后,会不断地向源头侵蚀,最后把整个的堤坝侵蚀冲垮掉。



最终流出整整200多平方公里的水,三分之一的湖水都已经泄出。这些泄出的水沿着一段串珠性湖泊,先到了库赛湖,图中像鞋子形状的湖。而后途径中间的一个洼地,叫海丁诺尔湖。最终到达靠近青藏铁路公路的盐湖。


目前这个盐湖由过去的40多平方公里,发展到现在的235平方公里。湖泊水面的边界距青藏公路已经不足7公里,相对的水位高差已经不足1.5米。



通过水文模型分析发现,如果该地方降水依然维持在2019年的强度,今年夏天,湖水就会漫出分水岭淹没青藏铁路和青藏公路。


面对这种情况,建议采取临时的措施,开挖一条沟道把一部分水放出来。


但是把水全部放光会影响其生态环境,目前依然没有长期性的措施,需要进一步加大研究。


2019年秋冬可可西里湖泊考察路线


为此,2019年秋冬,对可可西里地区的7个湖泊进行了详细的水量水质调查。


在青藏高原考察湖泊


为什么选择在秋冬季节进行考察?


因为考察需要带领船、和钻井平台等大型设备,而它们需要卡车来运输。


这个地区是多年冻土的核心所在。夏天是一片沼泽,根本不适合通行。到了深冬季节,尽管土地已经冻上了,可以行车,但是湖泊冻上了,不能进行湖泊的探测。


所以只能选择秋冬这个时间窗口,也就是土地已经冻上,可以行车,但湖泊没有冻上的季节来进行探测。


这是到达的第一个考察营地,我们在那里举行了誓师出发仪式。



在这张图片上可以看到,整个的考察过程中,我们的车基本都是在根本没有道路的河滩高原面上面行走,最主要的困难是我们时常遇到陷车。


整个35天里我们遇到了大小陷车一百多次,其中严重的陷车就有十多次。



这是其中最严重的一次陷车,我们的一辆卡车已经陷入水坑,经过两辆卡车用了一个多小时反复地拖扎也没有救援成功。



海拔5200米,零下15度,五级大风的条件下,我们的队员把六吨多的东西,从满载车上全部卸下来,然后把空车拽出来,而后将货物又装上。


这是一个十分艰苦的人力劳动。不管怎么样,我们克服了这个困难,前后折腾了接近7个小时,夜里三点钟才到达我们的考察营地。



在考察过程中顶风冒雪地赶路,或者我们遇到了野生动物绕行等等是家常便饭。特别是我们的考察营地建好以后,经常会有野生动物熊、狼来骚扰。


这时我们不得不开车,把它们驱离更远的地方来保证我们考察队员的营地的生命生活安全。


在深秋里开展作业,气候已经非常寒冷,湖浪打在身上瞬间就形成了厚厚的铠甲。



由于在湖泊考察我们需要相对平静的天气,白天有时候一连几天风高浪大,不适宜我们考察的时候,我们只能在夜间来考察。



这是夜间准备出发时,在星空中我们的考察团出航的一个画面,所幸这35天的艰苦的考察,我们还是收获满满。


我们进行了2300多平方公里,7个湖泊的测量,获得了4个湖芯的样品。整个考察过程中考察队员也非常和谐欢乐,甚至有队员在海拔5200多米的地方踢球来自娱自乐。


继续为亚洲水塔把脉


气候变化仍然在继续。巴黎气候大会定义:本世纪末全球升温限制在2℃之内。那么在这种情况下青藏高原的温度增加量会到4℃。



而青藏高原的人类活动还在缓慢地增加。



在这种情况下,组成亚洲水塔的各个单元——冰川、湖泊、生态系统、冻土等等,依然在发生强烈的变化。


我们需要开展更多的这种考察工作了解冰川的过去,把握它的现在,理解它的未来。



我们需要不断加大湖泊基础数据的考察与数据获取力度——了解湖泊的水量赋存到底是多是少,未来如何变化,究竟如何影响气候。



我们需要做生态系统的各种各样的调查,了解它的生物生态系统对气候变化的响应,做各种各样的控制实验,看各种气候条件下它的反馈程度如何。



我们需要利用卫星、遥感飞机和自动化地面监测系统来进行从空中到天空,到地面的一个立体性的考察。



我们也希望部署一个密集化的野外站监测系统。通过我们长期的,持续的数据监测来更好地理解亚洲水塔未来如何变化,如何影响我们人类活动。


亚洲水塔非常重要,是我们这个星球最重要的水塔。在气候变化的条件下,组成亚洲水塔的各个要素在发生各种各样的变化,也产生各种各样的影响。


进一步来开展研究,深入了解它的变化,合理利用来发挥它的功能,作为科学家的我们责无旁贷。


我大学毕业进入研究生阶段就踏上了青藏高原,30多年来一直在青藏高原湖泊的大风大浪里来开展我的科研人生,30年来也有许多感悟。


本文来自微信公众号格致论道讲坛(ID:SELFtalks),主讲人:朱立平

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