《Nature Climate Change》报道清华大学水利系研究成果揭示气候变化对“亚洲水塔”水储量的影响

引用：https://www.nature.com/articles/s41558-022-01443-0

青藏高原被称为“亚洲水塔”、“地球第三极”，是亚洲乃至北半球环境变化的调控器，在亚洲气候系统稳定、水资源供应、生态系统安全等方面发挥重要的作用。以南亚季风及西风带为主导的大气环流和青藏高原独特的高山地形，共同形成了该地区丰富的水资源，各类陆地水储量(如湖泊、冰川、土壤水、地下水储量)的变化，与区域能量、水、碳循环，以及亚洲主要江河(如黄河、长江、雅鲁藏布江‒布拉马普特拉河)源区的冰雪融水补给密切相关。“亚洲水塔”陆地水储量也可以表征其潜在供水能力，对下游约20亿人口的生存发展有深远影响。作为“地球第三极”，青藏高原同时也是全球气候变化最敏感的地区之一，持续性的气候变化使“亚洲水塔”水储量在过去二十年间发生了显著失衡，冰崩、泥石流、冰湖溃决等自然灾害频率和强度不断增加，对“亚洲水塔”的水资源利用、水灾害防治和社会经济发展带来一系列重要挑战。

准确量化气候变化对青藏高原陆地水储量及其成分的影响，科学研判未来水储量变化趋势，是水资源科学利用的基础与前提。然而，青藏高原气候和地形条件极其复杂，各种观测和模型模拟结果在该区不确定性较大，长期以来一直制约了该问题的研究。2002年和2018年相继发射的重力卫星GRACE及其后续卫星GRACE-Follow On，在监测区域陆地水储量变化方面具有显著优势。但由于重力卫星观测的空间分辨率约为300km左右，青藏高原内部及周边陆地水储量变化的空间非均匀性较大，使所得结果具有较大不确定性。Jacob等于2012年在《Nature》正刊上发表论文，利用GRACE量化了全球冰川、冰盖质量变化，并重点讨论了高亚洲(青藏高原和天山地区)水储量的变化，其结果表明：2003—2010年青藏高原水储量总体以10亿m3/年的速度增加，同时段青藏高原北部及东北部地区水储量增加高达70亿m3/年。该结果与已发表的相关结果存在重大区别，如Matsuo等发现高亚洲水储量总体呈显著下降趋势，形成了在气候变暖导致冰冻圈后退背景下，陆地水储量不降反升的“悖论”。要澄清这一悖论，获得青藏高原陆地水储量变化的科学认知，须提高对GRACE观测的信噪比、物理反演模型及其不确定性、以及陆地水储量各成分变化的认识。

过去十年，各种卫星观测手段、模型模拟方法、多源数据融合同化技术也在不断发展和成熟。清华大学水利系龙笛课题组，对GRACE观测的信噪比和水储量变化的误差来源进行了定量解析，发现在寒旱区、复杂地形等条件下，GRACE反演的重力场球谐函数(Spherical Harmonics)系数信噪比低，并提出采用全球水文模型水储量空间分布构造尺度因子，对GRACE反演的水储量变化的偏差和泄漏误差进行校正。近年来发展起来的各种GRACE质量块(Mascons)水储量产品，与GRACE球谐函数产品在青藏高原存在显著差异，故尚未形成过去20年青藏高原水储量变化及各组分对总水储量变化贡献的参考基准，也缺乏对气候变化下青藏高原未来水储量变化趋势的科学判断。尽管Pokhrel等在《Nature Climate Change》上发表了全球未来陆地水储量变化的相关研究，但由于水文模型对地表水，特别是高山区冰川质量和地下水储量模拟机制不足等原因，其结果去除了青藏高原大部分区域。

针对上述科学问题，龙笛课题组及合作者联合光学、测高和重力场遥感，并结合陆面和气候模型及需水数据，构建机器学习模型，反演和预估了从本世纪初至中叶(2002—2060年)的青藏高原陆地水储量变化，量化了冰川、湖泊、土壤水和地下水各组分变化对总水储量变化的贡献，揭示了水储量变化的主要气候驱动因素，甄别了气候变化对青藏高原下游供水形成威胁的热点流域。该研究成果于2022年8月15日以“Climate change threatens terrestrial water storage over the Tibetan Plateau”为题，发表于国际著名期刊《Nature Climate Change》(IF=28.66, Article)。

本研究提出了陆地水储量变化的“自上而下”(基于重力卫星观测)和“自下而上”(基于冰川、湖泊、土壤和地下水储量组分变化加和)反演方法，发现GRACE JPL Mascons水储量反演结果，可以实现青藏高原大部分流域“自上而下”和“自下而上”估算结果的闭合，具有更高的可靠度。研究结果表明，2002—2017年间青藏高原陆地水储量以约 100亿m3/年的速度下降，但青藏高原外流区(约160亿m3/年下降)和内流区(约56亿m3/年上升)的变化存在显著差异。陆地水储量下降主要由南部兴都库什‒喜马拉雅‒念青唐古拉山脉的冰川后退、怒江‒澜沧江流域土壤和地下水储量下降导致；陆地水储量上升主要由北部羌塘盆地湖泊扩张、喀喇昆仑‒西昆仑山冰川质量增加导致(见图1)。气候变暖、季风变化、地表短波辐射及降水相态变化的共同作用，是过去近20年间青藏高原陆地水储量显著变化的主要原因。

图1 青藏高原主要湖泊、冰川、河流分布

淡紫色表示内流区，淡黄色表示外流区，柱状图表示采用GRACE JPL Mascons估算的2002—2017年主要流域陆地水储量变化：红色柱状图表示水储量减少，蓝色柱状图表示水储量增加，柱体大小表示变化速率(Gt/年)

以21世纪中叶(2031—2060年)和初叶(2002—2030年)为对比时段，研究结果表明，尽管总体上青藏高原未来陆地水储量变化趋势将变缓，其南北差异扩大的速率在未来有所减弱，即水储量可能达到“新平衡”(New Equilibrium)，但“亚洲水塔”水储量损失显著。在中等共享社会经济路径‒典型浓度路径组合情景下(SSP2‒4.5)，青藏高原未来陆地水储量净损失可达2300亿m3，亚洲主要流域阿姆河、印度河、恒河‒雅鲁藏布江及怒江‒澜沧江流域未来水储量净损失分别达230亿m3 、1050亿m3 、660亿m3和260亿m3，这将严重威胁“亚洲水塔”的供水能力。总体而言，在恒河‒雅鲁藏布江、怒江‒澜沧江及长江流域，由于下游地区需水量可由下游天然供给满足，因此上游水塔的水储量变化带来的供水威胁较小。尽管黄河流域的下游需水量较大依赖于上游补给，但是未来水资源供需平衡基本不变。然而，由于阿姆河(中亚最大的内陆河)及印度河(发源于中国，流经巴基斯坦、印度)流域未来降水变化较小，但气温显著上升，这两个流域可能成为“亚洲水塔”水资源短缺最严重的地区。以现阶段下游地区的总需水量为基准，未来陆地水储量显著下降将导致阿姆河、印度河上游水塔的供水能力分别下降约120%和80% (见图2)。水储量供给能力下降意味着未来需更多的替代水源，如大规模开采地下水或实施调水工程。考虑到阿姆河和印度河流域的地下水超采、人口快速增加、以及沿河国家的用水纠纷现状，两个流域的水资源保护迫在眉睫。

图2亚洲主要流域需水和供水能力变化预估结果

柱状图表示下游需水量(D)、上游及下游天然供给能力(NSCu和NSCd)、上游水储量供给能力(SSC)及地表水储量供给能力(SSCs)，在未来(2031—2060年)和现阶段(2002—2030年)的差异占需水基准值(2002—2030年的年均需水量)的百分比

习近平总书记指出：“青藏高原是世界屋脊、亚洲水塔，是地球第三极，是我国重要的生态安全屏障、战略资源储备基地，是中华民族特色文化的重要保护地。”准确评估气候变化对“亚洲水塔”历史和未来水储量的影响，对实现青藏高原可持续发展，守护世界最后一方净土具有重要意义。本研究提供了全球变暖和西风‒季风协同作用变化下，青藏高原陆地水储量多时空尺度变化的最新科学认识，一定程度填补了该区未来水储量变化预估及水资源危机评估的空白，对解析“亚洲水塔”水循环改变及其生态、环境、资源效应，揭示受水资源短缺威胁的重点区域，制定“亚洲水塔”失稳的减缓和适应性对策具有参考价值。

本研究由基金委“西南径流”重大研究计划集成项目(92047301)和“第二次青藏高原综合科学考察”(2019QZKK0105)项目共同资助。论文第一完成单位为清华大学水利系，通信作者为清华大学水利系龙笛研究员，第一作者为李雪莹博士生，合作者包括李兴东博士生、田富强教授、孙章丽博士、王光谦教授，以及美国德克萨斯大学Bridget Scanlon教授、美国宾夕法尼亚州立大学Michael Mann教授。

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水利水电技术（中英文）

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