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冰川作用流域径流研究是当前冰冻圈科学和气候科学关注的热点问题，冰川径流模拟亦是我国水文研究的重要组成部分。在全球变暖、冰川萎缩背景下，冰川径流变化对区域水资源的影响及未来变化趋势已引起科学界和大众的普遍关注。本文从宏观和微观两个层面、过去和未来两种时间角度系统地研究了天山乌鲁木齐河源区水文对气候变化的响应，以期为制定应对未来气候变化情景下冰冻圈变化的适应对策提供科学依据。论文主要内容及结论如下:
(1)乌鲁木齐河源区径流变化及其机理。乌鲁木齐河源区3个水文断面(1号冰川、空冰斗和总控)径流自有观测记录以来整体上呈增加趋势，其中总控水文断面径流虽有增加，但不显著。影响3个水文断面径流变化的因素不同，1号冰川水文断面径流变化受控于冰川区热量条件，当气温大于2℃时，径流呈加速增长。1号冰川融水径流不仅包含了冰川对气候变化的瞬时响应，也包含了冰川对气候变化的滞后响应，由冰川物质平衡和面积计算的冰川体积损失量变化亦较好地验证了径流变化特征。对于空冰斗融雪径流，降水量多寡是导致径流变化的主导因素，但冰斗区固态降水多，气温亦起着不可忽视的作用。总控水文断面径流大小与气温和降水关系比较复杂，表现为尽管近年来气温和降水有所增加，但径流却有下降趋势，这可能与河源区实际蒸散增强、冰川快速退缩导致径流峰值已经出现、大范围冻土消融导致的下渗量增多等因素有关。
(2)乌鲁木齐河源区不同下垫面产汇流特征。乌鲁木齐河源区3个水文断面流量都具有显著的日变化过程，且表现出流量峰值的大小和到来的时间不同。在消融中期，流量峰值高，出现的时间早;而在消融初期和末期，流量峰值低，出现的时间较晚。1号冰川水文断面最大流量出现在14-18时，最小流量出现在8-10时，该水文断面白天径流大于夜晚径流，而空冰斗和总控断面则相反。据此判断1号冰川作用区储水性能较弱，而空冰斗和总控下垫面的储水性能相对较强。在排除降水影响下，1号冰川最大流量滞后最高气温1-3 h，而在不排除降水影响下，流量-气温时滞为0-1 h。在排除与不排除降水影响两种情形下，空冰斗断面流量-气温时滞分别为10-16h和13h;总控断面流量-气温时滞分别为5-11 h和6-7 h。这反映了伴随降水过程冰雪融水汇流迅速，冰雪消融从产流到汇流时间有一定的缩短。通过与其它6条冰川产汇流特征比较，亦反映出1号冰川水系特征及融水在冰川内的存贮和流动过程较为单一。
（3)乌鲁木齐河源区水文过程模拟。HBV模型在观测气温和降水数据驱动下，较好地模拟了乌鲁木齐河源区1号冰川和总控水文断面1986-2008年的日径流过程。模型在率定期（1997-2008年）和验证期（1986-1995年）模拟的日流量与观测流量拟合效率系数分别为0.77-0.81和0.71-0.75，模拟误差都控制在6.0％以内，且两个流域模拟的冰川物质平衡与1号冰川实测物质平衡有很好的一致性，表明该模型较好地模拟了两个水文断面过去22 a的日径流过程，该模型在河源区的应用是较成功的。模型模拟结果分析包括以下3部分:
①乌鲁木齐河源区水量平衡分析。1号冰川和总控子流域水量平衡要素均表现为年平均径流深最大，其次依次为降水、流域冰川物质亏损量、蒸发量，而流域积雪、土壤含水量、浅层地下水和深层地下水4个要素的多年变化数值都很小。两个水文断面控制流域的径流系数都大于1，表明乌鲁木齐河源区冰川融水对流域径流的调节作用极其显著。
②乌鲁木齐河源区冰川物质平衡重建。河源区冰川在研究时段内模拟的年积累量均小于年消融量，与同期1号冰川相比，其余6条冰川物质平衡值低出300 mm左右，表现为相对强烈的负物质平衡状态。1号冰川和总控两个子流域的冰川物质平衡模拟值与1号冰川实测值拟合决定性系数都在0.7以上，表明该模型较好地模拟了河源区的冰川物质平衡。
③乌鲁木齐河源区径流组成分析。河源区1号冰川和总控水文断面径流主要为冰雪融水径流，其中冰川融水占1号冰川水文断面径流的比例最大，达到52.2％-57.5％;融雪径流次之，为31.7％-38.5％;降雨径流比例为6.2％-7.4％;基流比例最小，稳定在3.5％左右。总控水文断面径流除冰川融水径流比1号冰川水文断面小外，其它组分都略高于1号冰川水文断面。随着时间推移，两个水文断面各径流组分表现出融雪径流比例在减少，而冰川融水和降雨径流比例在增加，基流比例也略有增加，但数值仍很小。
(4)21世纪中期乌鲁木齐河源区径流变化情景预估。在成功使用HBV模型模拟乌鲁木齐河源区径流基础上，应用优化后的参数，在区域气候模式RegCM3 SRES-A1B情景下，结合研究区冰川在本世纪中期设置的3种情景，计算了河源区1号冰川和总控两个水文断面未来的流量变化，并对这两个水文断面2041-2060年流量的年际和年内变化进行分析，以探讨气候变化对流域水文循环的可能影响，结论包括以下4个方面:
①区域气候模式RegCM3预估数据结合统计降尺度技术较好地重现了乌鲁木齐河源区有观测记录的气温和降水，气温的拟合精度高于降水。到本世纪中期（2041-2060年）河源区气温较2000-2008年将升高1.7℃，降水将增加14.2％。年内各月气温增幅相差比较大，各月降水增幅变化也较大。
②根据河源区本世纪中期的升温速率，对照冰川动力学模式模拟的1号冰川在IPCC SRES各种升温情景下的冰川消亡速率，设置了河源区到本世纪中期3种冰川变化情景:100％冰川、50％冰川和0％冰川，以降低流域未来流量预估的不确定性。
③21世纪中期乌鲁木齐河源区径流年际变化表现为，1号冰川和总控水文断面流量在100％冰川情景下都表现出大幅增加，增幅分别为66％和33％;而在50％冰川情景下，流量相比基准期（2000-2008年）均略有减少，减幅在9％左右;在冰川全部消失情景下，两水文断面流量将大幅减少，1号冰川届时将减少57.5％，总控将减少40.4％。
④21世纪中期乌鲁木齐河源区径流年内变化表现为，冰雪消融产流时间明显延长。两个水文断面春季的流量将明显增加，而夏季几个月尤其是7-8月的流量明显减少，减幅在17.9％-72.3％之间，径流峰值逐步提前，且峰值降低。