近三十年北极高地河流监测揭示径流量无显著趋势与冰坝湖溃决洪水的机制转变

《Journal of Hydrology: Regional Studies》：Three decades of high-Arctic river monitoring revealed no trend in runoff and a regime shift in glacial lake outburst floods

　　

研究人员针对格陵兰东北部Zackenberg河流域（与冰盖无连接）开展了长达29年的水文监测，发现该流域年径流量未呈现显著长期趋势。这一结果归因于流域冰川覆盖率有限，且降水作为主要驱动因子亦无显著变化趋势。自1996年监测开始以来，由冰川堰塞湖溃决引发的周期性洪水波被持续记录，其对年径流的贡献率原本中等，但近年来已开始下降，同时洪水特征发生明显变化。持续的冰川物质亏损作为长期预调节因素，推动了溃决特征的转变。研究显示，在转变发生前，洪水主要由快速的亚冰川湖排水主导，其发生时间与亚冰川排水系统的季节性发育密切相关。2019年冰坝开始解体，标志着向以冰缘排水为主的洪水路径过渡，伴随湖泊排水速率与体积的下降。研究人员提出了新的排水动力学概念模型，并预测冰坝最终将完全崩解，导致冰川湖溃决洪水终止。

论文解读

研究背景与意义

北极增温速率约为全球平均的四倍，这一现象被称为北极放大效应(Arctic amplification)，导致格陵兰冰盖及周边冰川与冰帽出现显著的时空异质性物质亏损。北极地区淡水径流量的增加已被广泛报道，尤其在与冰盖相连的流域中表现明显。然而，对于与冰盖不相连的流域，其径流变化趋势尚缺乏一致结论。格陵兰仅有少数长序列河流监测站点，其中位于东北部的Zackenberg河流域是冰盖外流域中最长的连续监测记录之一。由于气候变化对冰盖外流域的影响机制更为复杂，受局地地形、积雪储量、冻土条件等多重因素影响，现有研究难以在区域尺度上进行可靠的趋势推断。因此，开展长期监测与机理解析，对于理解气候变暖背景下北极高地流域的水文响应具有重要意义。该研究发表于《Journal of Hydrology: Regional Studies》。

技术方法概述

研究人员依托格陵兰生态系统监测计划(GEM)下的气候、地理与冰川监测子项目，获取了1996至2024年间的多源环境数据。关键技术方法包括：① 利用 hydrometric 站每15分钟记录河流水位，并结合定期断面测量建立水位—流量关系曲线(rating curve)；② 通过末端冬季雪水当量(EOW SWE)估算固态降水变化；③ 利用修订后的夏季降水量数据表征液态降水变异；④ 基于气温观测计算正积温(PDDS)作为冰川消融潜势指标；⑤ 采用非参数统计检验（Spearman秩相关、修正Mann-Kendall趋势检验）分析变量间关系；⑥ 应用随机森林(Random Forests)机器学习模型评估不同环境因子对年径流量变异的相对重要性；⑦ 结合压力传感器连续记录冰坝湖水位，辅以遥感影像估算湖泊面积与体积，并通过时间推移摄影(TLI)监测冰坝形态变化。

研究结果

3.1 Zackenberg河流域

河流平均每年流动111天，开河日期平均在6月2日，封冻日期平均在9月19日。年径流量平均为1.88×10⁸m³，无显著长期趋势。最大洪峰流量出现在2009年的一次冰川湖溃决事件中，达383 m³/s。

3.1.3 年径流与冰川湖溃决洪水

冰川湖溃决洪水对年径流的贡献平均为4.1%，最高为8.6%（2019年），最低约1%。自2018年以来，洪水事件在径流记录中的信号逐渐减弱，到2023年已无法用现有方法识别。

3.1.4 环境驱动因子

EOW SWE与年径流呈显著正相关（r_s=0.45，p=0.017）。夏季降水量与气温的正积温对径流的单独相关性较弱。随机森林模型显示，EOW SWE与夏季降水的相对重要性分别为37.4%与35.5%，冰川消融贡献约为27.1%。

3.1.5 冰川消融对径流的潜在贡献

基于野外观测的冰川物质平衡参数估算，冰川消融对年径流的贡献范围为24%–50%，平均为35%。敏感性分析表明，在不同情景下，该比例可在17%–67%之间变动。

3.2 冰川湖溃决洪水时间与积雪消退的关系

湖泊排水时间与流域内积雪覆盖降至5%的日期及东南出口冰川低消融区冰面消融起始日期显著相关，其中冰面消融起始时间的相关系数更高（r_s=0.81，p=0.003），滞后约为36天。

3.3 冰坝湖动态

遥感与压力传感器数据均显示，湖泊体积在1996–2024年间存在显著年际变化。2018年未发生排水事件，湖泊持续蓄水至创纪录水位。2019年后，湖泊排水方式由快速亚冰川排水转为缓慢冰缘排水，最大水深与体积逐年下降。

讨论部分总结

研究人员认为，Zackenberg河流域径流主要受降水控制，冰川消融的贡献较小且稳定，因此尽管气温升高增加了潜在冰川融水量，但因流域冰川覆盖率仅约22%，未形成明显的径流增加趋势。这与全球其他高冰川覆盖率流域形成鲜明对比，表明存在一个冰川覆盖率阈值（>42%）才可使温度敏感性超过降水敏感性。

在冰川湖溃决洪水方面，2019年前洪水多由亚冰川排水系统的发育与湖泊蓄满共同触发，排水过程快速且平滑。2018年因积雪异常多、消融期推迟，亚冰川排水系统未能延伸至冰坝附近，导致当年无溃决。2019年冰坝解体后，排水方式转为以冰缘溢流为主，伴随冰坝碎片崩塌与通道侵蚀，洪水峰值显著降低，持续时间延长。研究人员提出了“冰坝崩解型湖泊排水”概念模型，认为随着冰坝进一步退化，未来湖泊将在更早时间溢流，体积更小，直至冰坝完全消失，溃决洪水终止。这一发现与全球范围内冰坝湖溃决规模减小、发生时间提前的趋势相一致，揭示了气候变暖导致冰川变薄对冰坝稳定性的深远影响。

结论翻译

研究人员指出，1996–2024年间，Zackenberg河流域年径流量呈显著年际波动但无长期趋势，降水是主要驱动因子，冰川融水贡献有限。冰川湖溃决洪水对年径流的贡献平均为4–5%，未构成主要组成部分。洪水机制在2018年后发生根本转变，由快速亚冰川排水变为冰缘溢流，伴随冰坝逐步崩解。长期来看，冰坝最终将完全消失，溃决洪水随之终止。研究揭示了冰坝湖排水机制的时序变异性，并提出了诊断排水路径变化的标志——快速平滑排水代表亚冰川路径，缓慢多变排水则反映冰缘主导。这一机制转变在全球范围内可能普遍存在，是气候变暖导致冰川变薄并最终消除冰坝溃决灾害的重要过程。