氣候變化對“亞洲水塔”過去和未來水儲量的影響
2022年8月15日，“西風-季風協(xié)同作用及其影響”任務(wù)“西風-季風協(xié)同作用對亞洲水塔變化的影響”專題清華大學(xué)水利系龍笛研究員團隊，在國際著名期刊《自然?氣候變化》(Nature Climate Change)上以“Climate change threatens terrestrial water storage over the Tibetan Plateau”為題，發(fā)表了氣候變化對青藏高原過去和未來水儲量的影響，及對下游地區(qū)供水能力威脅的最新研究成果。論文通信作者為清華大學(xué)水利系龍笛研究員，第一作者為李雪瑩博士生。
青藏高原被稱為“亞洲水塔”、“地球第三極”，是亞洲乃至北半球環(huán)境變化的調(diào)控器，在亞洲氣候系統(tǒng)穩(wěn)定、水資源供應(yīng)、生態(tài)系統(tǒng)安全等方面發(fā)揮重要的作用。青藏高原各類陸地水儲量(如湖泊、冰川、土壤水、地下水儲量)的變化，與區(qū)域能量、水、碳循環(huán)，以及亞洲主要江河(如黃河、長江、雅魯藏布江?布拉馬普特拉河)源區(qū)的冰雪融水補給密切相關(guān)。青藏高原同時也是全球氣候變化最敏感的地區(qū)之一，氣候變化使“亞洲水塔”水儲量在過去二十年間顯著失衡，冰崩、泥石流、冰湖潰決等自然災(zāi)害頻率和強度不斷增加，給“亞洲水塔”的水資源利用、水災(zāi)害防治和社會經(jīng)濟發(fā)展帶來一系列重要挑戰(zhàn)。
針對上述科學(xué)問題，龍笛課題組及合作者聯(lián)合光學(xué)、測高和重力場遙感，并結(jié)合陸面和氣候模型及需水數(shù)據(jù)，構(gòu)建機器學(xué)習(xí)模型，反演和預(yù)估了從本世紀初至中葉(2002 ? 2060年)的青藏高原陸地水儲量變化，量化了冰川、湖泊、土壤水和地下水各組分變化對總水儲量變化的貢獻，揭示了水儲量變化的主要氣候驅(qū)動因素，甄別了氣候變化對青藏高原下游供水形成威脅的熱點流域。
該研究提出了陸地水儲量變化的“自上而下”(基于重力衛(wèi)星觀測)和“自下而上”(基于冰川、湖泊、土壤和地下水儲量組分變化加和)反演方法，發(fā)現(xiàn)GRACE JPL Mascons水儲量反演結(jié)果，可以實現(xiàn)青藏高原大部分流域“自上而下”和“自下而上”估算結(jié)果的閉合，具有更高的可靠度。
研究結(jié)果表明，2002 ? 2017年間青藏高原陸地水儲量以約 100億m3/年的速度下降，但青藏高原外流區(qū)(約160億m3/年下降)和內(nèi)流區(qū)(約56億m3/年上升)的變化存在顯著差異。陸地水儲量下降主要由南部興都庫什?喜馬拉雅?念青唐古拉山脈的冰川后退、怒江?瀾滄江流域土壤和地下水儲量下降導(dǎo)致；陸地水儲量上升主要由北部羌塘盆地湖泊擴張、喀喇昆侖?西昆侖山冰川質(zhì)量增加導(dǎo)致(見圖1)。此前，龍笛課題組關(guān)于藏東南冰川的研究也顯示2003 ? 2020年間藏東南地區(qū)(念青唐古拉山中東段、喜馬拉雅山東部、橫斷山交界處)冰川水儲量以48.6億m3/年的速度減少，且近十年來在加速消融1，二者的結(jié)果可相互印證。氣候變暖、季風變化、地表短波輻射及降水相態(tài)變化的共同作用，是過去近二十年間青藏高原陸地水儲量顯著變化的主要原因。
圖1 青藏高原主要湖泊、冰川、河流分布。淡紫色表示內(nèi)流區(qū)，淡黃色表示外流區(qū)，柱狀圖表示采用GRACE JPL Mascons估算的2002?2017年主要流域陸地水儲量變化：紅色柱狀圖表示水儲量減少，藍色柱狀圖表示水儲量增加，柱體大小表示變化速率(Gt/年)
以21世紀中葉(2031 ? 2060年)和初葉(2002 ? 2030年)為對比時段，研究結(jié)果表明，盡管總體上青藏高原未來陸地水儲量變化趨勢將變緩，其南北差異擴大的速率在未來有所減弱，即水儲量可能達到“新平衡”，但“亞洲水塔”水儲量損失顯著(見圖2)。在中等共享社會經(jīng)濟路徑?典型濃度路徑組合情景下(SSP2?4.5)，青藏高原未來陸地水儲量凈損失可達2300億m3，亞洲主要流域阿姆河、印度河、恒河?雅魯藏布江及怒江?瀾滄江流域未來水儲量凈損失分別達230億m3 、1050億m3 、660億m3和260億m3，這將嚴重威脅“亞洲水塔”的供水能力。
圖圖2 青藏高原水儲量及氣候因子變化預(yù)估。(a?c)機器學(xué)習(xí)模型重建/預(yù)估的陸地水儲量變化趨勢：(a)2002?2020年，(b)2021?2030年，(c)2031?2060年。(a)、(b)中點畫符號表示趨勢顯著(Mann-Kendall檢驗5%置信區(qū)間)。(d?g)21世紀中葉(2031?2060)與21世紀初葉(2002?2030)各變量的差異：(d)陸地水儲量，(e)年降水量，(f)年平均氣溫，(g)年輻射量。預(yù)估結(jié)果均為SSP2?4.5下9個CMIP6模型輸出結(jié)果的均值
總體而言，在恒河?雅魯藏布江、怒江?瀾滄江及長江流域，由于下游地區(qū)需水量可由下游天然供給滿足，因此上游水塔的水儲量變化帶來的供水威脅較小。盡管黃河流域的下游需水量較大依賴于上游補給，但是未來水資源供需平衡基本不變。然而，由于阿姆河及印度河流域未來降水變化較小，但氣溫顯著上升，這兩個流域可能成為“亞洲水塔”水資源短缺最嚴重的地區(qū)。以現(xiàn)階段下游地區(qū)的總需水量為基準，未來陸地水儲量顯著下降將導(dǎo)致阿姆河、印度河上游水塔的供水能力分別下降約120%和80% (見圖3)。考慮到阿姆河和印度河流域的地下水超采、人口快速增加、以及沿河國家的用水糾紛現(xiàn)狀，兩個流域的水資源保護迫在眉睫。
圖3 亞洲主要流域需水和供水能力變化預(yù)估結(jié)果。柱狀圖表示下游需水量(D)、上游及下游天然供給能力(NSCu和NSCd)、上游水儲量供給能力(SSC)及地表水儲量供給能力(SSCs)，在未來(2031—2060年)和現(xiàn)階段(2002—2030年)的差異占需水基準值(2002—2030年的年均需水量)的百分比
該研究提供了全球變暖和西風?季風協(xié)同作用變化下，青藏高原陸地水儲量多時空尺度變化的最新科學(xué)認識，一定程度填補了該區(qū)未來水儲量變化預(yù)估及水資源危機評估的空白，對解析“亞洲水塔”水循環(huán)改變及其生態(tài)、環(huán)境、資源效應(yīng)，揭示受水資源短缺威脅的重點區(qū)域，制定“亞洲水塔”失穩(wěn)的減緩和適應(yīng)性對策具有參考價值。
原文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41558-022-01443-0
參考文獻：
1. Zhao, F., Long, D., Li, X., Huang, Q., & Han, P. (2022). Rapid glacier mass loss in the Southeastern Tibetan Plateau since the year 2000 from satellite observations. Remote Sensing of Environment, 270, 112853.