在尼泊尔亚拉冰川末端海拔 5300 米的帐篷里，夜晚漫长。晚上 8:00，在吃完尼泊尔达尔巴特（扁豆和米饭）后，我们探险队的 10 名成员躲进小帐篷里的睡袋里避寒，这些小帐篷构成了我们的临时营地。很难入睡，因为低氧浓度会欺骗我们的身体，使其心率加快。因此，我会在许多个夜晚聆听远处传来雪崩和冰层破裂的轰鸣声，思考是否要离开睡袋去外面小便，以及第二天要记住什么。太阳一升起，营地就熙熙攘攘，我们正前往陡峭的冰川上，在海拔 5600 米处安装特殊的仪器。
我们的团队包括来自尼泊尔国际综合山地发展中心的同事，自 2012 年以来，我们一直在名为朗塘流域的这个地方进行一年两次的实地考察。我们在大本营和更高海拔地区架设了自动气象站，测量降水量、积雪深度、辐射、温度、相对湿度和风，使朗塘成为亚洲监测最好的高海拔流域之一。我们需要每六个月访问一次气象站，以维护仪器并下载数据；没有蜂窝网络可以自动传输读数，而且山脉往往会阻挡卫星信号。在当前的攀登中，我们将把新的传感器安装在一个三米高的金属框架上，我们将把它钻入冰层中。这些传感器将通过每秒采样 10 次温度和蒸汽来测量升华——冰直接转化为水蒸气的相变。
这些考察帮助我们收集了解高海拔水循环所需的信息：雪落在山顶上，逐渐变成冰川冰，冰川冰缓慢地向下流动并融化。水倾泻而下，汇入不断增长的河流，为众多高海拔居民点以及梯田、水电站、森林、山谷农业田地和下方的大城市和工业区供水。当我们开始研究时，高海拔水循环在很大程度上仍然是一个谜。我们不知道实际降了多少雨雪，有多少水流入和流出积雪层，或者为什么被周围山坡侵蚀的碎屑覆盖的冰川似乎与其无碎屑的冰川融化速度一样快。我们需要了解这些细节，以确定最终有多少水从积雪层和冰川中流出，以及流量的体积和时间安排在未来可能会发生怎样的变化。
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朗塘流域是一个小流域，汇集了几个山峰和冰川的水。它为特里苏里河供水，特里苏里河是最近在山腰处修建的水电站和更下游的灌溉田的重要水源。汇集的水流最终流入数百公里外的恒河三角洲，为 4 亿人供水，最终注入印度以东的孟加拉湾。喜马拉雅山脉有数百个像朗塘这样的流域。
同样的动态也发生在许多其他山脉，如阿尔卑斯山脉、安第斯山脉和落基山脉。我们在 2019 年 12 月发表在《自然》杂志上的一项研究表明，从中国的塔里木到秘鲁的拉普纳，78 座这样的“水塔”为全球近 20 亿人提供大部分淡水。计算机模型显示，气候变化可能会威胁到这些重要的供水。温度、降水模式、积雪的积累和融化以及空气中颗粒物的分布都有助于决定有多少水流下来。然而，大多数与气候变化和可持续性相关的计划和政策都忽视了山区水的作用。现在我们已经系统地研究了世界顶级水塔，这种情况可能会开始改变。
季风主导
山脉就像水塔一样发挥作用，因为高海拔地区的雨雪比周围低洼地形的雨雪更多，而且大部分降水暂时以积雪和冰川冰的形式储存起来。这些冰雪缓慢而稳定地融化，提供可靠、可预测的供水，并充当对抗干旱的天然缓冲器。
储存在尼泊尔高山中的水对居住在山下的人们至关重要，因为 6 月至 9 月之间的季风为喜马拉雅山脉提供了 70% 至 80% 的年降水量。来自我们气象站的数据，结合天气模型，揭示了季风如何与山脉相互作用。即使在朗塘这样的小流域，降雨量也差异很大。山谷东西走向，海拔也向那个方向升高。大部分温暖潮湿的空气在山谷入口（海拔约 1350 米）和喇嘛酒店村（海拔 2480 米）之间凝结。我们在这个地点测量到约 250 厘米的年降雨量，是山谷中最潮湿的地方。位于东边仅 15 公里处的海拔 3900 米的姜金村，我们测量到约 80 厘米的年降雨量——干燥程度是那里的三倍多，但却如此之近。
科学家们在尼泊尔喜马拉雅山脉的亚拉冰川海拔 5600 米处安装了一个气象站，以帮助确定积雪如何积累和融化。融水开始时是涓涓细流，向下流动，汇集成越来越大的河流，为农场、水电站和前往恒河三角洲和孟加拉湾的数百万人民供水。图片来源：乌斯马尔·海勒曼
山脉的位置和形状会产生其他局部效应。如果我们从姜金村上升到海拔 5300 米的亚拉冰川，降水量平均再次增加 40%。大型、中型和山谷尺度的过程共同塑造了整个地区雨雪的分布。例如，如果大部分降水以雨水的形式降落在较低海拔地区，那么下游河流的流淌方式将与大部分降水以降雪的形式降落在高海拔地区时不同。
图片来源：Mapping Specialists
为了解水塔的动态，我们广泛调查了储存在亚拉冰川附近积雪层中的水量。这个量，称为雪水当量，受降雪量、融化和再冻结量、升华量以及风的分布的影响。我们在海拔 5300 米的大本营的仪器测量了许多这类变量。条件可能很恶劣：极度寒冷导致电池爆炸，强风扭曲了传感器，雪崩推倒了支撑我们仪器的脚手架。
测量升华尤其棘手，升华是一个湍流过程，发生在寒冷、阳光充足、多风和干燥的条件下，这在喜马拉雅山的冬季很常见。我们在海拔 5600 米处架设的仪器等通过测量空气湿度和温度的变化来量化升华。我们发现，在多风、暴露的位置，约有 21% 的降雪量从未最终流入河流，因为它升华到大气中。这种现象表明，即使在远低于零摄氏度的温度下，积雪层也会缩小。
我们还发现，当雪地上方两米处的空气温度低于零度时，雪表面仍有足够的能量使其融化。能量是来自太阳的短波辐射、表面和大气发射的长波辐射以及湍流热通量的净结果。积雪层内部也有有趣的动态。白天融化成水的雪至少有 30% 在夜间重新冻结。融化积雪所需的能量远高于仅根据其质量预期的能量。
我们安装在雪上方的另一个仪器测量伽马辐射的变化，作为雪水当量的替代指标。雪下的岩石自然会发出伽马射线，其信号衰减的程度与实际储存在积雪层中的水量有关。
图片来源：Pitch Interactive；资料来源：W. W. Immerzeel 等人在《自然》杂志第 577 卷中发表的“世界水塔的重要性和脆弱性”；2020 年 1 月（数据）
有时，我们会偶然发现收集信息的意外方法。大约八年前，一位在塔斯马尼亚工作的同事将无人机升到那里的山体滑坡上方，并带回了关于山体滑坡体积和速度的有趣数据。我们意识到我们可以使用相同的方法来获取关于被碎屑覆盖的冰川的数据，这些冰川很难接近。我们的第一次尝试是在 2013 年，在姜金村上方的冰川舌上。
无人机拍摄了冰川表面的重叠照片。软件确定了表面海拔，分辨率惊人地达到了约 10 厘米。我们每六个月左右重复一次调查，直到 2019 年。我们发现，冰川边缘每年后退约 40 米，表面每年变薄约 80 厘米，而且日渐减少的冰几乎不再流动。不久之后，这块寒冷的冰体将不再符合冰川的条件。相反，它将是一块缓慢枯萎的死冰，就像一堆脏雪被犁到停车场尽头一样。从理论上讲，覆盖着碎屑的冰川应该比同一海拔高度的无碎屑冰川融化得慢得多，因为碎屑起到了隔热作用。但我们发现了融化的热点，这些热点放大了整个过程。我们永远无法通过传统卫星图像找到它们，因为它的分辨率太粗糙。
我们将所有这些难题拼凑到我们的模型中，以了解未来河流中的水量。然而，最后一个重要的部分是今天河流中的水量。仅凭水位无法指示流量。我们需要所谓的评级曲线——水位和河流流量之间的关系。而且这条曲线必须代表季风洪水从山上倾泻而下和冬季径流稀少的两种情况。在这里生成可靠的数据也是一个挑战。在河流中，我们要么将压力传感器安装在河底的钢管中，要么将雷达传感器安装在从河面向上突出几米的框架上。我们还将盐撒到测量仪上游的河流中，并测量测量点电气电导率的变化；盐的稀释程度可以帮助我们确定流量。即使这里的条件比海拔 5300 米处更宜人，传感器也会被季风洪水冲走。但经过多年的努力，我们现在对水流量有了相当好的了解。
海拔 5300 米的亚拉冰川大本营是每六个月徒步旅行的起点，目的是设置设备并检索散布在山脉各处的仪器的数据。研究人员，包括作者（框架上的蓝色夹克），还必须维护受到极端温度和风力破坏的传感器。图片来源：沃尔特·伊默泽尔
雪崩和洪水
几年来，我们一直在将来自不同流域的发现整合到一个模型中，该模型描述了影响喜马拉雅水流的所有过程；世界各地其他山区的科学家也在做同样的事情。气候变化带来了一些相互作用的因素。其中之一是海拔依赖性变暖，其中山脉的变暖速度快于低洼平原，这是因为大气反馈，如云层形成、湿度增加和积雪消退导致的反照率升高。全球变暖 1.5 摄氏度意味着喜马拉雅山脉变暖 2.1 摄氏度。
另一个因素是季节性。更温暖的大气可以容纳更多水分，这导致山区降水量增加。而且更多的降水以降雨而不是降雪的形式落下，落在以前被冰雪覆盖的岩石表面上，迅速流入河流。根据去年 7 月发表的研究，大多数模型预测气候会变得更加潮湿，尽管该地区的情况可能差异很大。与处于稳定状态的冰川相比，融化的冰川短期内将提供更多的河水，但随着冰川向上退缩和冰层变薄，长期来看将提供更少的水。我们估计朗塘将在 2060 年左右达到供水高峰；此后，供应量将稳步下降。
随着我们架设更多的传感器，使观测网络更加密集，特别是在高海拔地区，以及我们将数据与极其详细的模型集成，我们将获得更深入的了解。卫星遥感还可以帮助我们更好地估计流域内传感器之间的降水模式，从而使我们能够微调我们的模型。其他研究团队也在山区地形方面取得了类似的进展。例如，阿尔卑斯山脉和安第斯山脉有大量可用的数据集。随着加德满都大学和特里布万大学的研究人员将注意力转移到更高海拔地区，并在安纳普尔纳山脉和珠穆朗玛峰山脉进行测量，喜马拉雅山脉的覆盖范围正在变得更好。
我的团队也通过使用水文模拟分析了全球的供应情况。我们的《自然》杂志研究对全球山地水塔进行了排名。如果一个水塔富含冰川、积雪或湖泊，并且下游人们对水的需求量很大，我们就认为该水塔“重要”。重要的水塔包括科罗拉多河、加拿大西部的弗雷泽河和阿根廷的内格罗河，以及为莱茵河和波河供水的欧洲阿尔卑斯山。
我们的模型显示，亚洲山脉，如为阿姆河和印度河等主要河流供水的山脉，是世界上最重要的山脉。它们也是最脆弱的山脉之一：模型预测那里的升温速度很快，而且人口和经济的快速增长将极大地增加用水需求。平均可用水量不太可能在 21 世纪中叶之前减少，部分原因是季风降雨量增加，但长期预测令人沮丧。我们预测，除非世界大幅减少温室气体排放，否则到本世纪末，冰量将损失 50% 至 60%。
亚洲高山地区短期内的巨大挑战将是应对河流流量时间安排的变化和自然灾害。在一些流域，融雪可能会比以前提前几周开始，这需要农民改变作物或播种时间表。由于积雪提供的缓冲作用减弱，河流将在一个每年都面临严重洪水的地区增加。
山区极端降雨也导致更多的山体滑坡，尤其是在季风期间。更严重的融化使冰川湖泊的水位达到顶峰，当湖泊后方的巨大水压导致岩石山脊决堤时，就会造成灾难性的洪水。在过去的二十年中，雪崩、山体滑坡和突发洪水等自然灾害已造成数千人伤亡和数亿美元的经济损失。未来极端降雨和变暖的加剧将使这些灾害更加严重。随着越来越多的人口在高海拔地区建造城镇和水电站，损失也将增加。
尽管这些总体趋势是明确的，但必须详细研究每个区域，以便为那里的人们提供有用的信息。一个异常现象是连接帕米尔东部和喀喇昆仑山脉与昆仑山西部的中亚地区。那里的冰川稳定甚至正在增加质量，这在地球上其他地方几乎看不到。过去一年左右收集的数据显示，附近塔里木盆地农业和灌溉的增加可能发挥了作用。从地下水和地表水源抽取的灌溉水蒸发到大气中，农作物的蒸腾作用增加了更多的水分。这种蒸汽在山脉上凝结并以降雪的形式落下——这是一个重要的提醒，即人类的活动可以改变自然系统。
山区政策
对高海拔水循环的研究已经让人们意识到山区水对全球数十亿人的重要性。官员们现在应该开始采取行动来保护它。
第一步是将山区纳入更广泛的关于保护地球自然资源的讨论中。在当地，领导人可以创建国家公园来保护山峰免受开发。他们可以制定政策来减少污染物和黑碳的排放，以减少空气中的碎屑。他们还可以修建水库来储存雨水和春季快速融化的积雪——只要他们分析建筑物的规模和对水流的影响可能如何干扰生态系统。朗塘谷就是一个很好的例子。直到两年前，上村还没有电力，当时一个非政府组织和社区建造了一个水电站，现在为村民提供电力，从而也提供了互联网。
邻国可以共同努力减少用水需求；条约可以涵盖从高山流下的河流的竞争性取水，这些河流经常跨越国界。与印度库什喜马拉雅地区接壤的八个国家的部长们在 2020 年 10 月召开山峰峰会并签署宣言，承诺利用科学改善山区政策，听取该地区高度多样化的人口的建议，并在全球谈判中发出统一的声音，树立了榜样。阿富汗、孟加拉国、不丹、中国、印度、缅甸、尼泊尔和巴基斯坦的数百万人依靠印度库什喜马拉雅山脉供水，那里的降雨模式和作物产量已经发生变化。
世界高峰正在迅速变化。在未来几十年内，许多居住在下游的人们将不得不适应更多的极端天气、更大的自然风险和供水变化。科学家、工程师和政策制定者应携手合作，立即采取行动，以确保未来世代能够获得可持续的山区水资源。