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随着全球变暖，我国华北地区从70年代中后期发生了年代际的持续干旱现象，黄河中下游流域水资源供需矛盾日益加剧；由于黄河上游的产水量占到黄河总径流的一半以上，近十余年来黄河上游来水持续减少，使得黄河流域水资源缺乏更加严重，上游径流量的波动对整个流域的社会经济有着重要的影响，本文在这样的背景下对黄河上游和源区气候变化、水文和生态环境之间的相互作用展开研究。
1951～2005年的气候资料显示，黄河上游和源区的降水在上世纪90年代以后有所减少，降水量分别比常年平均偏少3％和5％，近几年又有所增加；气温表现为持续的增加趋势，上游平均气温的增加趋势达0.25℃/10a，特别在最近几年增加较快，1998年以后的温度比以前高1.4℃。黄河上游和源区的径流在90年代后有明显的减少，比多年平均值约偏少17％。NDVI数据显示，在玛曲和久治之间的区域植被活动略有增加，而在黄河源头区和共和一带有明显的退化，部分区域相对退化在10％以上。
黄河上游和源区的降水变化并不明显，为何径流有显著减少?为此，本文分析了径流与降水和气温的关系：径流与降水有较好的正相关关系；黄河源区径流与气温的负相关很弱，而黄河上游径流与气温有较显著的负相关，黄河上游和源区径流对降水的敏感性大于气温。对蒸散发的估算表明，黄河源区的蒸散发在70年代以来变化不太明显，而黄河上游蒸散发有明显的波动，在90年代蒸散发增加较快。地温和冻土的分析结果表明，黄河源区冻土消融时间不断提前，而封冻时间后移，土壤处于封冻状态的时间缩短，并且最大冻土深度值在不断减小，上层冻土的位置在不断下降，冻土有明显的退化，冻土的退化可能造成土壤水向下渗漏增加而不利于径流。
我们进一步对黄河上游和源区气候、水文和生态之间作用的一些机理过程进行了理论探讨。首先分析了降水强度的变化对径流的影响，在90年代黄河源区降水强度的减弱是源区径流减少的一个重要的原因；而在黄河上游，降水强度的变化可能对直接径流影响不大。然后，用地面能量平衡方程讨论了不同气候因子的变化对能量分配和水文的影响，结果表明，随着温度的上升和风速的减弱，源区植被的蒸发变化相对并不大；在黄河上游，蒸发则呈现明显增加的趋势。还发展了一个植被生态过程和大气边界层相互作用的简单模式，讨论了不同的植被分布下的局地气候效应，结果表明，植被覆盖的水平尺度减小和植被的退化都可以使得局地的温度效应减弱，植被退化还造成局地的风场效应减弱而不利于降水。植被的退化可能导致降水的减少、冻土的退化和土壤水位的下移，而这种变化反过来可能会影响植被进一步退化。
本文还应用陆面模式对黄河上游和源区气候、水文和生态之间的相互作用进行了数值模拟。PASS模式对黄河源区的模拟结果显示，植被变化和蒸发变化有很好的一致性，在源区重要的产水区达日玛曲区间，在90年代以来蒸散发的增加和降水的减少以及降水强度的减弱造成该区域径流偏少，这是黄河源区的径流在90年代偏少的主要原因。应用了CLM3模式模拟了黄河上游近20年来径流减少的趋势，模拟的土壤湿度和冬季土壤含冰量也为减少的趋势。通过植被覆盖减少的敏感性实验指出，植被覆盖的降低可以增加年径流量。
IPCC气候模式的模拟显示，黄河上游和源区未来的温度可能还将持续上升，而降水可能有所增加但增幅有限，黄河上游水资源形势可能还是不容乐观，需要通过如南水北调工程等各种途径来减缓气候变化我国西北和华北的水资源的不利影响。