《Journal of Hydrology》：Climate change-driven runoff variations in alpine catchments: Quantitative attribution using three innovative methods coupled with cryospheric processes
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气候变化、冰川融水、地表变化对祁连山三流域径流变异的综合归因分析，采用VIC-OGGM耦合模型模拟冰川融水和蒸发蒸腾，结合修正双曲线法、Budyko改进法及水文模型法，量化驱动因子贡献率。结果表明：XYRB和HRB以气候变化为主（46.6%-68.1%），SLRB冰川融水占主导（39.0%-45.2%），验证了耦合模型的有效性。
尹振良|方春霜|单建安|陈泽霞|朱瑞|冯琦
中国科学院西北生态环境资源研究院干旱地区生态安全与可持续发展国家重点实验室，兰州730000，中国
摘要
随着气候持续变暖，近年来祁连山区（QLM）的高山流域径流表现出显著的变异性。因此，了解QLM的径流变化及其背后的驱动机制对于区域水资源规划和管理具有重要意义。本研究采用了三种结合冰川融水的创新归因方法，定量分析了气候变化、冰川融水和地表变化对QLM三个代表性流域径流变化的影响。为了提高径流归因分析的可靠性，本研究首先采用了VIC–OGGM耦合模型框架来模拟冰川融水和蒸散作用，这些过程在流域尺度上难以直接观测，从而避免了因输入数据来源不一致而引入的不确定性。该耦合模型在再现水文过程方面表现出较高的稳健性和准确性，径流的NSE值大于0.80，蒸散作用的NSE值大于0.78。三种方法的综合结果表明，气候变化是XYRB和HRB流域径流变化的主要驱动因素，分别占径流增加量的46.6–60.1%和60.3–68.1%；而在SLRB流域，冰川融水起主导作用，贡献了径流增加量的39.0–45.2%。在三种归因方法中，水文模型是进行径流归因研究最稳健和可靠的选择。当详细的水文建模不可行时，改进的双质量曲线方法和基于Budyko的方法可以作为高效实用的替代方案。本研究将冰川融水的影响纳入了径流变化的归因分析中，为河西内陆河流域水资源的生态可持续发展提供了重要而有价值的见解。
引言
全球众多观测研究表明，气候变化和地表变化被认为是全球水文变化的两个主要驱动因素（Huss和Hock，2018；Liu等人，2019；Zhou等人，2023b）。具体而言，全球变暖加剧了气候系统的内部变异性，导致降水模式和大气蒸发需求的显著变化，从而重塑了全球水资源的时空分布（Ma和Zhang，2022；Ding等人，2023）。同时，地表条件通过植被绿化或退化以及土壤湿度变化等过程对气候变化作出响应，进而影响径流生成和蒸散过程（Yang等人，2021；Hsu和Dirmeyer，2023）。此外，包括土地利用变化和水库调节在内的人为活动也对陆地水文循环产生了重大影响，不容忽视（Wu等人，2017）。径流是水文循环的基本组成部分，对维持自然生态系统和人类社会经济的可持续发展至关重要（Dey和Mishra，2017）。在气候变化和人类活动的共同作用下，径流变异性正在加剧，这在水资源管理领域引起了广泛关注，尤其是在干旱和半干旱地区（Xing等人，2018；Liu等人，2019）。因此，更好地理解驱动径流变化的机制对于制定应对气候变化的区域适应策略和制定可持续的水资源管理措施至关重要。
目前，用于定量区分气候变化和地表变化对径流变化相对贡献的方法大致分为三类：（1）经验统计方法；（2）基于Budyko的方法；（3）基于物理的水文模型方法（Dey和Mishra，2017；Wu等人，2017；Sharifi等人，2021；Xu等人，2023；Wang等人，2024）。其中，经验统计方法通过建立径流与各种驱动因素（如降水、蒸散作用和冰冻圈要素）之间的比例关系来定量描述径流变化的响应（Li等人，2022；Zhou等人，2023a）。尽管这些方法具有计算效率高和简单的优点，因此得到了广泛应用，但它们通常依赖于长期观测数据，难以清晰地描述水文过程的内部机制（Zhou等人，2023）。基于Budyko的方法基于Budyko假设和长期水分平衡原理，通过弹性系数来量化径流对气候和地表变化的响应（Yang等人，2008；Zhou等人，2015；Zhou等人，2016；Wang等人，2021；Yang等人，2024）。然而，Budyko方程未能明确考虑气候与地表之间的相互作用，也无法充分描述年际和年内气候变率对水文过程的非平稳影响（Sharifi等人，2021；Wang等人，2021）。相比之下，基于物理的水文模型可以通过情景模拟和对比实验在更精细的空间和时间尺度上揭示径流变化的驱动机制（Chang等人，2016；Wu等人，2017；Xu等人，2023；Zhao等人，2025）。然而，它们的应用通常受到模型结构不确定性、数据可用性以及校准和验证所需大量工作的限制（Sharifi等人，2021；Xu等人，2023）。为了提高归因结果的可靠性，许多近期研究采用了多方法框架来评估气候变化和地表变化对径流变化的影响（Sharifi等人，2021；Wang等人，2024；Xu等人，2023）。
随着气候持续变暖，冰川融水已成为全球大多数流域径流的重要组成部分（Liu等人，2025；Yang等人，2024）。然而，一旦冰川融水达到“峰值水”阶段，这一趋势预计将发生逆转，因为随后的变暖会加速冰川质量损失，导致融水供应不足以维持之前的水平（Huss和Hock，2018）。这一转变将对未来区域水资源的安全构成重大挑战（Chen等人，2020）。为了更准确地评估冰川的作用，近期研究已将冰川融水纳入Budyko框架进行分析（Liu等人，2022；Chang等人，2024；Yang等人，2024；Liu等人，2025）。同时，已经开发了几种包含冰川模块的分布式水文模型，以明确模拟冰川水文过程并量化冰川融水对径流变化的贡献（Terink等人，2015；Yin等人，2016；Zhao等人，2019）。
祁连山区（QLM）是中国西北干旱地区（ARNC）重要的水资源保护和生态安全屏障，包含了河西内陆河流域的上游流域（Liu等人，2023a；Yang等人，2024）。QLM内的高山流域常被视为区域的“水塔”，因为这些地区的径流为流域提供了大部分水资源（Chen等人，2020；Ding和Zhang，2018；Yang等人，2024）。这些高山流域的径流生成过程受到多种因素的共同影响，包括降雨引起的径流、雪融水和冰川融水补给、永久冻土退化以及植被变化（Yin等人，2016；Wu等人，2021；Qin等人，2025；Ning等人，2025）。此外，生态恢复项目的实施对地表条件和径流变化产生了深远影响（Shen等人，2025）。尽管在理解QLM高山流域径流的组成、量级、特征和趋势方面取得了显著进展（Yang等人，2020；Liu等人，2023b；Guo等人，2024），但仍需要使用多种归因方法进行系统研究，以更全面和可靠地阐明这些高山流域径流变化的驱动机制（Chang等人，2024；Jia和Niu，2024）。
因此，选择了QLM北坡三个代表性内陆河流域的上游地区作为研究区域，即西营河流域（XYRB）、黑河河流域（HRB）和疏勒河流域（SLRB）。本研究的具体目标是：（1）基于水文模型模拟冰川融水和蒸散作用；（2）分析水文气象变量的特征；（3）使用三种归因方法量化气候、冰川和地表对径流变化的各自贡献。本研究的结果有望为QLM的水资源管理和生态保护提供科学支持。
研究区域
祁连山区位于青藏高原（QTP）、西北干旱地区（ARNC）和东部季风区（EMR）的交界处（图1(a)），其气候受西风、亚洲夏季季风和高原的共同影响（Yang等人，2024）。年降水量从东向西逐渐减少，超过80%的降水量发生在雨季（5月至9月）（Ning等人，2025）。冰川、积雪和永久冻土广泛分布
水文过程模拟
为了确保估计的水文变量的可靠性，本研究评估了VIC–OGGM耦合模型在冰川和流域尺度上的模拟性能。在冰川尺度上，OGGM模型的模拟结果通过遥感解译得到的冰川面积数据和基于能量平衡模型重建的冰川质量平衡数据进行了验证。如图3(a)所示，模拟的冰川面积与遥感数据吻合良好
三种方法的比较
本研究采用了三种结合冰川融水效应的归因方法来分析QLM高山流域径流变化的驱动机制。这三种方法的共同概念框架是首先明确量化气候变化和冰川融水对径流变化的贡献，然后将剩余的径流变化归因于地表变化。
结论
本研究使用VIC–OGGM耦合模型框架模拟了冰川融水和蒸散作用，以确保水文一致性和闭合的水分平衡。根据水文气象变量的趋势和突变特征，应用了三种结合冰川融水的创新归因方法来量化径流变化对各个驱动因素的响应。主要结论如下：
(1)准确的模拟
CRediT作者贡献声明
尹振良：撰写 – 审稿与编辑、验证、方法论。方春霜：撰写 – 原始草案、软件、方法论、数据管理。单建安：数据管理。陈泽霞：数据管理。朱瑞：调查。冯琦：监督、概念化。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。
致谢
本研究得到了中国科学院的战略重点研究计划（XDB0720103）、国家自然科学基金（42571050、42161018）、中国科学院青年创新促进会（2021424）以及甘肃省科技项目（23ZDKA017、23ZDFA018、24YFWA019）的支持。
