青藏高原地下水资源变化及其对气候变暖的响应

《Journal of Hydrology: Regional Studies》：Groundwater storage change and its response to climate warming in Qinghai-Tibet Plateau

本研究结合GRACE/GRACE-FO卫星重力数据、ICESAT-2高程数据及GLDAS地表模型，分析2004-2020年青藏高原地下水存储量（GWS）时空变化及其驱动因素，发现北部GWS增加而南部减少，主要受地形坡度、冰川融水和冻土退化影响，为区域水资源管理提供科学依据。

　　地下水是青藏高原（QTP）重要的水资源之一，约占该地区总水资源的85%。然而，由于对地下水储量（GWS）变化的数据稀缺，我们对其在气候变暖和冰冻圈退化背景下的响应机制仍缺乏深入理解。本研究通过整合GRACE/GRACE-FO卫星重力测量、ICESat-2高度测量、GLDAS地表模型输出以及实地地下水观测数据，量化了2004年至2020年间QTP地下水储量的时空变化，并分析了其变化的控制因素。研究结果表明，QTP地下水储量的变化受到内部和外部因素的共同影响。以帕米尔-喀喇昆仑-冈底斯-唐古拉-横断山脉为界，QTP北部地区地下水储量呈现上升趋势，而南部地区则呈现下降趋势。加速的冻土退化不仅提高了土壤的渗透性，还增强了其储水能力。在地势平缓的中北部区域，丰富的冰川融水与有利的地貌条件相结合，为地下水储量的增加创造了条件。相反，南部、西部和东部区域显著的地貌起伏限制了有效融水补给到含水层。同时，南部和西部地区较高的蒸散发量以及降水减少，也可能导致地下水储量的下降。这些发现突显了气候变化在QTP不同水文地质区域对地下水资源的异质性影响。研究结果为应对持续的环境变化，提供了重要的科学依据，有助于区域水资源管理和适应性规划。

青藏高原被誉为“地球第三极”和“亚洲水塔”，是全球最大的冰川储存地之一，仅次于北极和南极。它不仅是众多亚洲大河的源头，还受到特殊的地形和大气环流的影响，使得水资源的时空分布具有显著的特征。近年来，全球变暖加剧了冰冻圈的退化，同时改变了降雪向降雨的转化模式，对高海拔地区的水资源分布和水文过程产生了深远影响。青藏高原的平均海拔较高，且受西风环流和来自太平洋的西南季风影响显著，这种特殊的地理位置使得其水资源变化具有高度的复杂性。研究还发现，QTP的冻土和季节性冻土覆盖了约40%和56%的区域，而由于高原变暖的放大效应，QTP的升温速率达到了0.36℃/十年，约为全球平均水平的两倍。这种快速的升温趋势预计会对水文过程和水资源结构产生重要影响，例如导致冰川体积和面积的减少，进而影响融水径流和未来气候情景下的河流流量和水资源可用性。

地下水作为QTP水资源的重要组成部分，近年来其补给量有所增加，尤其是在冰川、积雪和冻土融化水的贡献方面。然而，随着冻土的退化，地表水与地下水之间的相互作用也发生了变化，例如活动层深度的增加、冻土层下方水体（talik）面积的扩大以及地表水、地下水和地表水之间的水力连接增强。这些变化可能会降低地下水水位，并减少基流的供应。最终，原本以地表水为主的水循环系统可能会逐渐向以地下水为主的系统转变。地下水的变化及其与其他水文要素的相互作用在维持区域生态系统、生物地球化学过程和栖息地稳定性方面发挥着重要作用。然而，由于缺乏对QTP地下水水位的监测数据，目前很难直接分析地下水资源的变化特征。因此，研究地下水储量的变化成为间接分析QTP地下水资源分布的有效方式。

QTP地下水储量的变化计算方法主要包括人工监测、遥感反演和模型模拟。然而，由于QTP地区地势偏远、海拔高以及气候条件恶劣，缺乏相关实地数据，使得对冻土水文和生态环境的量化、解释和预测面临挑战。在观测数据不足的区域，遥感反演和模型模拟成为评估区域地下水储量演变的重要手段。通过GRACE重力卫星反演地球重力场的变化，可以提取地下水储量变化的信息，从而研究QTP地区的大尺度地下水储量变化，避免人工监测的局限性。过去二十年卫星遥感技术的发展，使得GRACE和GRACE-FO能够提供一些较为成熟的产品，用于评估和预测在多种重要气候变化趋势下的地下水储量变化。然而，当前GRACE重力卫星的空间分辨率仍需进一步提升，不同计算方法的选择也导致了对地下水储量变化的不同观点。此外，根据水平衡理论，通过观测分析、数值模拟和遥感分析获取的冰川、湖泊、土壤水、冻土和积雪水当量等已知量，可以用于计算总陆地水储量，从而间接获得地下水储量的变化。

本研究旨在估算QTP地区的地下水储量变化（ΔGWS）并确定其主导因素。具体目标包括：（1）分析2004年至2020年间QTP水文循环要素和陆地水储量的时空分布；（2）估算QTP地区的ΔGWS并分析其时空变化趋势；（3）探讨QTP地区ΔGWS的主要控制因素，以推测其对气候变化的潜在响应。通过整合多种数据来源，研究能够更全面地揭示地下水储量变化的复杂性，并为未来水资源管理提供科学支持。

研究过程中，我们采用水平衡方法作为基础，用于分析水文过程和计算水储量。在重力卫星发射之前，水平衡方法通常是主要的手段。水平衡方程被扩展为包括降水、径流和蒸散发的综合计算。通过这种方法，我们能够结合GRACE/GRACE-FO卫星重力数据、ICESat-2高度测量数据以及GLDAS地表模型输出，对QTP地区的地下水储量变化进行系统估算。同时，我们还将研究结果与实地地下水水位测量数据进行对比，分析其变化趋势和年际波动。研究发现，2004年至2020年间，QTP地区A-1区域地下水储量年均上升4.78毫米，而A-2、B-1和B-2区域地下水储量则分别年均下降2.32毫米、3.70毫米和4.71毫米。这些结果不仅揭示了QTP地区地下水储量变化的空间差异，还进一步表明了气候变化对不同水文地质区域的差异化影响。

在研究过程中，我们还注意到，不同区域的水文循环要素和陆地水储量的分布存在显著差异。例如，在地势平缓的中北部区域，丰富的冰川融水与有利的地貌条件相结合，为地下水储量的增加提供了条件。而在地势起伏较大的南部、西部和东部区域，地形限制了有效融水补给到含水层，导致地下水储量的减少。此外，南部和西部地区较高的蒸散发量以及降水减少，也可能是地下水储量下降的重要因素。这些发现表明，气候变化对QTP不同水文地质区域的地下水资源产生了异质性影响，这种影响在不同区域的水文循环要素和地貌条件之间存在显著差异。

本研究的成果对于理解QTP地区地下水储量变化的机制具有重要意义。通过结合多种数据源和分析方法，我们能够更全面地揭示地下水储量变化的复杂性，并为未来水资源管理和适应性规划提供科学依据。此外，研究还强调了气候变化对区域生态系统和生物地球化学过程的潜在影响，表明地下水储量变化不仅是水资源问题，更是生态环境问题的重要组成部分。随着全球气候变化的加剧，QTP地区的水资源格局将发生进一步变化，这种变化可能会对区域生态系统的稳定性产生深远影响。因此，深入研究地下水储量变化的机制，对于预测和应对未来水资源变化具有重要意义。

总体而言，本研究通过多源数据融合和系统分析，揭示了QTP地区地下水储量变化的时空特征及其主要控制因素。研究结果不仅为理解气候变化对地下水资源的影响提供了新的视角，也为区域水资源管理和生态保护提供了重要的科学支持。未来的研究应进一步关注地下水储量变化的动态过程，特别是在不同水文地质区域和气候情景下的响应机制。同时，随着遥感技术和模型模拟方法的不断进步，我们有望更精确地估算地下水储量变化，并为水资源管理和生态保护提供更加科学的依据。