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缺乏系统分析各水储量分量对TWS变化影响的研究

文章作者:4858美高梅网址 上传时间:2019-09-20

陆地水储量TWS(Terrestrial Water Storage)是指储存在地表以及地下的全部水分,包括积雪、冰川、土壤水、地下水、河流湖泊水以及生物水等,是水循环的重要组成部分。伴随着全球变暖,青藏高原已经发生的冻土退化、冰川退缩、湖泊扩张等现象将对TWS及水循环产生重要影响,进而影响当地生态环境及区域水资源管理和利用。因此,研究青藏高原陆地水储量变化及其原因具有重要的科学和现实意义。

中国科学院测量与地球物理研究所“一二三”规划重点培育方向之一,由研究员汪汉胜首席负责的“地球表层物质平衡的定量评估”团队,与瑞典国土测量局、香港大学地球科学系合作,在青藏高原及周边发现多地区地下水储量增加,相关论文近日在国际著名期刊(Earth and Planetary Science Letters)在线发表,题目为“从GRACE卫星重力数据分离青藏高原及邻区地下水储量的变化”(Groundwater storage changes in the Tibetan Plateau and adjacent areas revealed from GRACE satellite gravity data)。

GRACR (Gravity Recovery and Climate Experiment)重力卫星数据已被广泛应用于研究青藏高原陆地水储量的变化特征,但已有工作大多只集中在单个流域,或者在整个高原尺度上缺乏对空间不均匀性的探讨。在影响水储量变化的原因分析方面,已有研究多集中在单个分量,缺乏系统分析各水储量分量对TWS变化影响的研究;同时,在气象要素对水储量变化的影响方面,仍缺乏定量和深入的分析。

了解青藏高原地下水储量的变化,对高原生态恢复、农牧业发展、地质灾害防治、工程设计和地热开发等具有重要价值,同时对水文循环和全球气候变化研究具有重要意义。长期以来,在青藏高原广阔的地区,由于可利用的水井水位测量数据极少,对地下水状况知之甚少。2002年以来GRACE卫星重力观测使评估整个高原地下水的变化成为可能,现使用的评估方法实际上是一种利用牛顿万有引力、不接触实物的称量法,即卫星在500公里空中感受地下水增减变化的重力信号,再根据重力信号计算地下水储量的变化。一个新的挑战是,卫星的重力观测同时受土壤湿度、冰川与积雪、冻土、湖泊与水库变化等的影响,如何排除这些影响是精确获得地下水储量变化信息的关键。因此,研究团队不仅利用了国际最新的GRACE重力场数据,还利用了多种水文模型提供的土壤湿度和积雪数据、冰川湖泊的ICESat-1卫星测高结果、冻土模型和最新的冰川均衡调整模型,揭示了青藏高原及周边2003-2009年期间的地下水的变化趋势,在金沙江流域、怒江-澜沧江源地区、长江源地区、黄河源地区、柴达木盆地、羌塘自然保护区中部、印度河上游流域和阿克苏河流域,首次发现了地下水呈现增加趋势,每年总增加量为186±48亿立方米,相当于三峡水库175米水位时近一半的库容量。

中国科学院青藏高原地球科学卓越创新中心、青藏高原研究所研究员苏凤阁课题组及合作者基于GRACE重力卫星数据和带有冰川模块的VIC-glacier陆面水文模型,使得分离TWS各分量(冰川、积雪、土壤水)成为可能。在此基础上分析了青藏高原典型地区(长江源区、黄河源区、雅鲁藏布江上游、印度河上游、高原内流区和柴达木盆地)2003-2014年间陆地水储量的时空变化特征,并结合多源数据分别从水储量分量和气象要素的角度系统分析了影响水储量变化的原因。研究结果表明:1)青藏高原TWS在2003-2014年间呈现高原中北部增加而南部减少的趋势长江和黄河源区在2003-2014年间水储量呈增加趋势,主要由降水增加引起,而雅江呈现水储量减少的趋势,主要由蒸散增大和降水减少共同作用所致;3)从水储量分量的角度看,土壤水增加是长江和黄河源区水储量增加的主要因素,而冰川消融是雅江水储量减少的主要原因高原水储量的季节变化主要受大尺度天气系统和大气水分收支的调控。青藏高原东南部,陆地水储量从3月到8月持续增加,与季风系统的发展一致;西北部则从11月到次年4/5月持续增加,与西风系统的发展一致。该研究基于GRACE和冰川水文模型,分别从气象要素和水储量分量的角度,首次系统揭示了2003-2014年间青藏高原各典型地区陆地水储量的变化特征及可能原因,研究结果有助于更好地理解气候变化对高原陆地水循环的影响,为高原水资源开发利用及下游水资源气候适应性管理提供科学支撑。

值得注意,收集的河流径流量特别是冬季河流径流量、降雨资料和一些生态变化的报道间接地支持了研究结果。分析表明,在高原东部河源地区,分布广泛的石灰岩和碎屑岩的裂隙孔隙和岩溶、活动断层有利于地下水储存;地下水增加与流域或盆地周边地区的冰/雪、冻土融水和或降水增加所产生的径流补给有关;对于三江(澜沧江、长江和黄河)源地区,2005年来中国政府实施生态保护和重建工程,所采取的生态移民、限制放牧、森林湿地保护和人工降雨等措施,有利于地下水的储积,反过来地下水的增加也有利于生态恢复;地下水增加还与高原西部的内流盆地地下水沿北西-南东向活动断层的可能渗漏有关。

该研究第一作者为博士生孟凡冲,近期以Changes in terrestrial water storage during 2003–2014 and possible causes in Tibetan Plateau 为题发表于Journal of Geophysical Research: Atmospheres,该研究得到国家自然科学基金项目(91747201, 41871057, 41701075)、“泛第三极环境变化与绿色丝绸之路建设”专项(XDA20060202)和中科院国际合作局对外合作重点项目(131C11KYSB20160061)的资助。

要更好地评估该地区2009年后地下水变化趋势,需要采用更加先进的卫星测高技术(例如Cryosat-2、ICESat-2)和卫星重力技术(GRACE Follow-on)的观测数据。

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该项研究得到国家自然科学基金重点项目“喀喇昆仑-喜马拉雅冰川物质平衡的空间大地测量研究”和全球变化研究国家重大科学研究计划项目“近百年极地冰层和全球及典型区域海平面变化机理精密定量研究”联合资助。

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论文和支撑材料可通过下列链接免费下载:

图1. 2003–2014年青藏高原陆地水储量变化空间分布。

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图2. 2003-2014年长江源区、黄河源区、雅鲁藏布江、高原内流区、柴达木盆地、印度河上游基于GRACE的陆地水储量的月时间序列。红色和蓝色分别代表有冰川(VIC-glacier模型)和无冰川模拟的长江源区、黄河源区和雅鲁藏布江流域的水储量变化。斜线代表水储量变化趋势。

1 青藏高原及其周边2003-2009 地下水储量变化趋势(毫米/年)

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1-阿富汗-巴基斯坦;2-印度西北部;3-印度中北部;4-孟加拉盆地;7+8-金沙江流域;9-怒江-澜沧江源区;10-长江源区;11-黄河源区;12-柴达木盆地;13-羌塘自然保护区中部;14-印度河上游流域;15-阿克苏河流域

图3. 2003-2014年,青藏高原月均大气整层水汽辐合量。图中箭头代表大气整层水汽通量场 (kg.m-1.s-1)。

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图2地下水从青藏高原内流盆地向东部河源地区渗漏的推测

图4. 青藏高原年内各月陆地水储量变化的空间分布。

粗黑线为活动断层,背景为数字地形,蓝线界定流域盆地,蓝色和白色小块为湖和冰川,数字同图1

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