《Advances in Climate Change Research》：Temperature extremes accelerate cryospheric degradation and alter hydrological processes in the source region of the Yangtze River
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加剧的热浪可能显著影响寒冷地区的冰冻圈与水文过程。然而，已有研究大多聚焦于单一的冰冻圈或水文组分，流域尺度上耦合冰冻圈-水文过程对热浪的响应仍认识不足。这一知识缺口限制了对热浪如何重塑寒冷地区河流流域水资源可利用性的理解。本研究聚焦青藏高原东部长江源区（SRY
加剧的热浪可能显著影响寒冷地区的冰冻圈与水文过程。然而，已有研究大多聚焦于单一的冰冻圈或水文组分，流域尺度上耦合冰冻圈-水文过程对热浪的响应仍认识不足。这一知识缺口限制了对热浪如何重塑寒冷地区河流流域水资源可利用性的理解。本研究聚焦青藏高原东部长江源区（SRYR）热浪的多方面影响，该区域是典型的寒冷地区河流流域，是中国水塔的重要组成部分，具有关键的水源涵养与生态屏障功能。研究采用基于静态或动态基线的阈值提取两类热浪，并设计一组数值试验以分别量化温度均值状态变化（即变暖）与极端变化（即热浪）的影响。结果表明，1961—2019年间热浪导致雪水当量下降0.3 mm、活动层增厚0.1 m、冰川厚度损失0.6 m，并导致SRYR年蒸散发量增加3.2 mm、年径流量减少3.7 mm。采用当前的热浪-温度替换方法，对于大多数冰冻圈与水文变量，热浪引起的变化幅度超过长期变暖引起的变化幅度的30%。在不同热浪-温度替换方法下，这些响应在气候变化背景下的总体格局保持一致。热浪对冰川、多年冻土及土壤顶部10 m液态土壤水分的影响表现出显著的累积效应，在0—10年滞后时间上具有显著相关性（>0.4，p < 0.01）。结果进一步揭示了冰冻圈组分对热浪引起的水文变化的缓冲效应。这些发现凸显了寒冷地区河流流域耦合冰冻圈与水文过程对热浪的独特响应机制，并为理解其他寒冷地区的类似响应提供了有益参考。
研究背景方面，全球观测表明自20世纪50年代以来热浪显著增强，北半球多年冻土区热浪频率与强度的增加速率超过全球平均水平。热浪通过强化陆-气相互作用改变地表能量平衡并深刻影响水文过程。在寒冷地区河流流域，冰冻圈组分（积雪、多年冻土、冰川）显著影响蒸散发、径流、枯水与洪水过程，水文过程除受降水与蒸散发调控外还受冻融动态与融水补给机制调节。然而由于寒冷地区数据稀缺，已有研究多在站点尺度开展，流域尺度上热浪对冰冻圈与水文影响的综合定量评估仍然缺乏。青藏高原增温速率超过全球平均，2022年7月曾发生破纪录热浪事件，但热浪对寒冷地区河流流域冰冻圈与水文的影响尚未在流域尺度上定量评估，热浪对冰冻圈与水文变化的贡献仍不确定，阻碍了热浪影响与长期变暖影响的直接比较。基于此，本研究以长江源区（SRYR）这一典型寒冷地区河流流域为对象，集成多源气候数据与冰冻圈-水文模拟，目标为：1）考察1961—2019年热浪的长期趋势；2）量化热浪对积雪、多年冻土与冰川的影响并与长期变暖的贡献进行比较；3）量化热浪对蒸散发、径流与土壤含水量等水文变量的影响并评估其相对重要性。
研究人员开展的研究方面，SRYR位于青藏高原腹地，流域面积约138,000 km2，海拔3500—6500 m，约80%区域下伏多年冻土，冰川覆盖约1%，1961—2019年总径流的32%来源于冰冻圈组分（融雪23%、多年冻土退化地下冰融水3%、冰川融水6%）。研究采用基于地貌学的分布式生态水文模型（GBEHM）进行耦合水热模拟，该模型集成SiB2计算地表能量平衡、SNICAR与SNTHERM模拟积雪动态与热状态、基于能量平衡的冰川模型以及土壤热传导与冻融过程模拟，并显式表征融水向大气、土壤水分与河道的迁移路径。研究设计了三类假设情景：无变暖情景（从气温序列中去除变暖增量）、无静态热浪情景与无动态热浪情景（将热浪日气温替换为1961—2019年同日序均值），通过与实际观测驱动的基准情景对比量化变暖与热浪的影响。结论表明，热浪在SRYR加速了冰冻圈退化并增加了蒸散发从而改变径流，热浪引起的多数变量变化幅度超过长期变暖的30%，且影响随时间增强并在冰川、多年冻土与顶部10 m土壤液态水分上表现出显著累积效应；变暖与热浪在增强冰冻圈融水供给与增加蒸散发之间产生竞争性水文效应，冰川与地下冰融水共同缓冲了约20%的径流减少。研究意义在于首次在流域尺度上定量区分了热浪与长期变暖对耦合冰冻圈-水文过程的影响，揭示了冰冻圈融水对热浪与变暖引起的水亏缺的缓冲作用，为其他寒冷地区河流流域的类似响应理解提供了参考。
关键技术方法方面（不超过250字）：研究采用基于地貌学的分布式生态水文模型（GBEHM）进行冰冻圈-水文耦合模拟，空间分辨率2.5 km；采用局部估计散点图平滑（LOESS）方法提取变暖增量；采用静态基线（1961—1990年固定）与动态基线（1990年后以先前30年记录为参考）两种方法基于日最高气温第90百分位阈值识别热浪；设计无变暖、无静态热浪与无动态热浪三类数值试验情景进行归因量化；采用Mann-Kendall趋势检验与Sen斜率估计进行趋势分析，采用Spearman秩相关进行同期与0—10年滞后相关分析。气象强迫数据来源于中国气象局及中国地面日降水分析数据，基于流域内外16个气象站采用角距离权重插值并考虑气温随高程变化生成2.5 km格点数据。
研究结果方面，3.1历史热浪特征趋势：基于静态与动态基线的热浪特征在1961—2019年均呈增强趋势，静态热浪的年累积持续时间以每年0.78 d增加、年累积强度以每年0.89 °C·d增加，动态热浪对应趋势较小（每年0.30 d与0.34 °C·d），Sen斜率估计与线性回归趋势高度一致且95%置信区间均高于零，MK检验表明所有增加趋势统计显著（p < 0.01）；静态热浪的年频率、累积持续时间与累积强度在1997年前后出现变化点，表明历史热浪特征变化具有非平稳性；空间上流域西部临近高原腹地的累积热浪持续时间与强度低于东部。3.2冰冻圈对热浪增强的响应：对比不同情景表明变暖与热浪均导致不同程度的冰冻圈退化，主要表现为积雪减少、活动层增厚与冰川融水增加，静态与动态热浪影响高度相似仅幅度不同；1961—2019年变暖使降雪减少17.9 mm、年平均雪水当量（SWE）减少0.8 mm，热浪使降雪减少2.4 mm、SWE减少0.3 mm；变暖使多年冻土区平均活动层厚度（ALT）增加0.2 m，热浪增加0.1 m，相当于变暖效应的48.0%，ALT增加主要发生在多年冻土退化区；热浪引起的冰川厚度损失占变暖引起的31.6%，且对大冰川更为明显；随变暖与热浪增强这些变化均呈增加趋势；年累积热浪强度与冰冻圈组分影响幅度（绝对值）的相关分析表明，降雪减少在0年滞后相关最强，SWE减少无显著相关，而ALT与冰川厚度影响在0—10年滞后上呈显著正相关，表明热浪对多年冻土退化与冰川物质损失具有显著累积效应。3.3水文对热浪增强的响应：变暖与热浪均导致蒸散发增加与径流减少，1961—2019年变暖使年蒸散发增加10.6 mm，热浪进一步增加3.2 mm，相当于变暖增加的30.3%；变暖使年径流减少11.3 mm，热浪额外减少3.7 mm，相当于变暖减少的33.2%；随变暖与热浪增强其对蒸散发与径流的影响逐渐增强；年平均液态土壤水分的响应更为复杂，多年冻土融化使变暖与热浪倾向于增加SRYR液态土壤水分但幅度随深度变化，顶部10 m土壤热浪使液态土壤水分增加超过0.004 m3/m3，相当于变暖效应的51.0%；顶部2 m土壤液态土壤水分对热浪呈非线性响应，生长季（4—8月）影响呈与年均一致的非线性趋势；滞后相关分析表明蒸散发、径流与顶部2 m土壤液态土壤水分在短滞后或零滞后响应最强，顶部10 m土壤液态土壤水分在0—10年滞后上呈显著正相关，表明强累积效应。
讨论部分总结：4.1热浪与变暖的冰冻圈-水文响应比较：研究通过动态热浪定义显式考虑长期变暖背景，系统评估热浪对多种冰冻圈与水文变量的影响，即使去除长期背景热浪仍对SRYR冰冻圈与水文产生显著影响；对于多数变量热浪引起的变化与长期变暖引起的比值超过30%，表明极端高温事件是寒冷地区流域冰冻圈与水文变化的重要驱动因素；静态与动态定义比较表明静态热浪通常产生更大估计影响，说明静态定义部分包含长期气候变暖效应而动态定义为在变暖气候下分离量化热浪影响提供更稳健框架；敏感性分析表明估计幅度依赖于热浪温度替换方法，且试验主要分离热浪事件相关温度异常影响，其他气象变量保持不变，因此估计响应主要代表温度驱动组分；流域尺度ALT估计与Zhu等（2024）站点估计6.6%—13.6%大致一致，并将站点分析扩展至流域尺度与多种组分，揭示热浪影响随时间增强并对多年冻土、冰川与顶部10 m土壤液态水分具有显著累积效应。4.2液态土壤水分的非线性响应：液态土壤水分对变暖与热浪的响应本质非线性，可由融化释水与水分损失的竞争解释；变暖与热浪的融化效应通过融化冻结地下冰增加液态土壤水分，而增强蒸散发倾向于减少液态土壤水分，ALT增加使表层土壤水更易下渗进一步消耗表层水分；随变暖持续两种过程的平衡可能逐渐转向更广泛的表层土壤干燥，历史情景模拟表明部分格点液态土壤水分已开始下降，SRYR多个站点独立观测支持模拟的非线性响应。4.3冰冻圈组分对供水的缓冲作用：冰冻圈融水是寒冷地区流域重要水源，研究量化了变暖与热浪对冰冻圈融水的影响并定义度量以量化冰冻圈组分缓解径流减少的程度，结果表明冰川与地下冰融水各抵消约10%的总径流下降，两者共同抵消约20%的变暖与热浪引起的径流减少，部分补偿了蒸散发增强相关的水分损失，这种双重缓冲效应凸显了寒冷地区河流流域水文响应的复杂性。
研究结论翻译：(1)历史上SRYR热浪已增强，静态热浪年累积持续时间以每年0.78 d增加、年累积强度以每年0.89 °C·d增加，即使采用动态基线识别热浪年累积强度与持续时间仍增加；与静态定义相比动态定义考虑了温度基线移动因而更适合识别非平稳变暖气候下的热浪异常。(2)热浪倾向于加速冰冻圈退化并增加蒸散发从而改变径流，1961—2019年SRYR热浪使SWE减少0.3 mm、ALT增加0.1 m、冰川厚度减少0.6 m、年蒸散发增加3.2 mm、年径流减少3.7 mm；采用当前热浪-温度替换方法对于多数冰冻圈与水文变量热浪引起的变化幅度超过长期变暖引起的变化幅度的30%；这些影响总体随时间增强并在冰川、多年冻土与顶部10 m土壤液态土壤水分上表现出显著累积响应。(3)变暖与热浪在增强冰冻圈融水供给与增加蒸散发之间产生竞争性水文效应，融化释水倾向于增加液态水可利用性从而提高液态土壤水分含量，而增强蒸散发促进水分损失导致液态土壤水分非线性变化；冰川与地下冰融水部分补偿了蒸散发增强相关的径流减少，共同缓冲约20%的下降；这些竞争过程凸显了变暖与热浪增强下冰冻圈退化对水资源可利用性的复杂调控。本研究量化了寒冷地区河流流域热浪的冰冻圈与水文影响，凸显了热浪在气候变化下水资源动态中的重要性，进一步揭示了冰冻圈融水在抵消热浪与变暖引起的水亏缺中的缓冲作用，为理解其他寒冷地区河流流域的类似响应提供了有益参考。
