气候变化对“亚洲水塔”过去和未来水储量的影响
2022年8月15日，“西风-季风协同作用及其影响”任务“西风-季风协同作用对亚洲水塔变化的影响”专题清华大学水利系龙笛研究员团队，在国际著名期刊《自然•气候变化》(Nature Climate Change)上以“Climate change threatens terrestrial water storage over the Tibetan Plateau”为题，发表了气候变化对青藏高原过去和未来水储量的影响，及对下游地区供水能力威胁的最新研究成果。论文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。
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。青藏高原各类陆地水储量(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。青藏高原同时也是全球气候变化最敏感的地区之一，气候变化使“亚洲水塔”水储量在过去二十年间显著失衡，冰崩、泥石流、冰湖溃决等自然灾害频率和强度不断增加，给“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。
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)。此前，龙笛课题组关于藏东南冰川的研究也显示2003 ‒ 2020年间藏东南地区(念青唐古拉山中东段、喜马拉雅山东部、横断山交界处)冰川水储量以48.6亿m3/年的速度减少，且近十年来在加速消融1，二者的结果可相互印证。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，是过去近二十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”，但“亚洲水塔”水储量损失显著(见图2)。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。
图图2 青藏高原水储量及气候因子变化预估。(a‒c)机器学习模型重建/预估的陆地水储量变化趋势：(a)2002‒2020年，(b)2021‒2030年，(c)2031‒2060年。(a)、(b)中点画符号表示趋势显著(Mann-Kendall检验5%置信区间)。(d‒g)21世纪中叶(2031‒2060)与21世纪初叶(2002‒2030)各变量的差异：(d)陆地水储量，(e)年降水量，(f)年平均气温，(g)年辐射量。预估结果均为SSP2‒4.5下9个CMIP6模型输出结果的均值
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，由于阿姆河及印度河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3)。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3 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
该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。
原文链接：https://www.nature.com/articles/s41558-022-01443-0
参考文献：
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.