《自然-氣候變化》氣候變化威脅青藏高原陸地蓄水量

Xueying Li et al., in 2022 Nature Climate Change

青藏高原（TP）作為亞洲的水塔，滿足了近20億人的大部分水需求。獨特的高海拔地形和以季風(fēng)和高空西風(fēng)為主的大氣環(huán)流為該地區(qū)帶來了寶貴的淡水資源。陸地儲水量（TWS）包括所有形式的地表水和地下水，在水文運輸和水可用性等方面至關(guān)重要。但TWS對氣候變化高度敏感，易受極端氣候的影響。整個青藏高原的長期TWS變化主要是由冰川質(zhì)量平衡、湖泊體積變化和地下水變化引起。過去二十幾年中，氣候逐漸變暖且濕潤，青藏高原的TWS也發(fā)生了明顯變化。盡管TWS的變化是全球水塔脆弱性的一個關(guān)鍵指標(biāo)，過去的研究受限于觀測和模擬的不確定性，仍未充分探索歷史氣候和未來氣候?qū)�TWS的影響。且以往研究大多僅限于TWS的一部分（如，冰川質(zhì)量或湖水儲存），或使用單種方法對其進行量化（如，觀測分析、遙感建模或診斷分析）。在過去二十幾年中，GRACE和GRACE‒FO衛(wèi)星產(chǎn)品逐漸成熟，為大規(guī)模量化TWS的變化提供了前所未有的機會。

本文旨在探究歷史氣候和未來氣候?qū)η嗖馗咴璗WS變化的影響，研究區(qū)域包括7個外流盆地和5個內(nèi)流盆地。該研究結(jié)合自上而下（基于GRACE衛(wèi)星數(shù)據(jù)）和自下而上（基于TWS的3個組分，冰川、湖泊和地下水）的方法，發(fā)現(xiàn)GRACE JPL Mascons水儲量反演結(jié)果具有較高的可靠度。將該數(shù)據(jù)與陸面模型（LSM）和全球氣候模型的結(jié)果相結(jié)合，采用機器學(xué)習(xí)建模，量化了本世紀(jì)初至中葉（2002‒2060年）的青藏高原TWS變化，并從溫度、降水和地表短波輻射三個方面探討其背后的氣候機制。在此基礎(chǔ)上，該研究還探究了未來青藏高原水資源的供需關(guān)系。

研究結(jié)果表明，2002‒2017年間青藏高原的TWS以約 100億m³/yr的速度下降，但青藏高原外流區(qū)（約160億m³/yr下降）和內(nèi)流區(qū)（約56億m³/yr上升）的變化存在顯著差異（圖1）。TWS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；TWS的上升則主要由湖泊擴張、喀喇昆侖‒西昆侖山冰川質(zhì)量增加引起（圖2）。

圖1 青藏高原的湖泊、冰川和主要河流流域

圖2 各組分對TWS變化的貢獻

基于機器學(xué)習(xí)的未來預(yù)測結(jié)果發(fā)現(xiàn)，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），到21世紀(jì)中期，大多數(shù)青藏高原盆地的TWS下降幅度將大大減少，但阿姆河和印度河盆地可能繼續(xù)經(jīng)歷持續(xù)的TWS損失，成為未來TWS短缺的熱點地區(qū)（圖3）。雖然總體上青藏高原未來的TWS下降趨勢將變緩，水儲量可能達(dá)到“新平衡”，但未來的TWS損失仍顯著，達(dá)2300億m³。這些變化主要受到降水、溫度和表面短波輻射的綜合影響。在21世紀(jì)初至中期期間，中國太平洋地區(qū)大部分地區(qū)的年降水量穩(wěn)定，恒河‒雅魯藏布江和薩爾溫‒湄公河地區(qū)水量有所增長（圖3e）。整個青藏高原出現(xiàn)變暖趨勢，沒有顯著熱點（圖3f），但阿姆河流域和印度河流域可能對氣候變暖更加敏感。

圖3 反演和預(yù)測未來TWS變化和及其氣候驅(qū)動因素

為探究TWS變化對水資源供需方面的影響，作者考慮了兩種水源，即自然供水能力（NSC，定義為降水減去實際蒸散量）和儲存供水能力（SSC，定義為上游地區(qū)的TWS）。研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，阿姆河及印度河流域未來的NSC略有下降，SSC分別下降約120%和80%（圖4），但其工業(yè)和生活用水需求均在增加，說明這兩個盆地可能成為“亞洲水塔”水資源短缺最嚴(yán)重的地區(qū)。黃河流域雖然也依賴于上游供水，但氣候變化下上游的供水能力有所提高，使得未來黃河流域的水資源供需平衡較為穩(wěn)定。

圖4 亞洲主要流域需水和供水能力變化預(yù)估結(jié)果

最后文章也提到，TWS變化不僅影響了水的可用性，還影響了自然災(zāi)害風(fēng)險（例如，冰川塌陷和冰湖潰決），影響著下游人口密集地區(qū)的水資源分配。本文探究了全球變暖和西風(fēng)‒季風(fēng)協(xié)同作用下青藏高原TWS多時空尺度的變化，為高山淡水供應(yīng)的水文過程提供了更深的認(rèn)識，對制定氣候適應(yīng)性決策具有重要參考價值。

轉(zhuǎn)載于《氣象學(xué)家》公眾號。