最新研究揭示全球气候变化对地下水系统的影响机制

最新研究揭示全球气候变化对地下水系统的影响机制

全球气候变化对水资源的影响日益显著，其中地下水作为重要的淡水资源，其变化趋势备受关注。近日，一项发表在《Science of the Total Environment》上的最新研究，通过统计分析方法，揭示了全球气候变化对地下水系统的影响机制，为预测未来水资源变化提供了重要参考。

研究背景与目的

全球变暖通过诱发极端水文事件的发生频率和严重程度，成为全球水资源可利用性和未来水资源供应的重要预测因子。这些极端情况（例如，干旱）对地下水、环境流量以及加剧社会不平等（穷人获得水的机会有限）等一系列其他问题都有潜在影响。因此，了解全球气候对地下水系统的影响至关重要，有助于通过以推动水循环和淡水供应的气候过程知识为基础的政策，重塑全球水市场。

本研究的主要目的是利用统计方法（例如，多元线性回归和小波分析），评估地下水对气候变化的响应，并探讨了确定地下水-气候相互作用的气候热点的可行性（2003 - 2017年）。一般而言，气候变异性在地下水补给分布中起着重要作用，这一点在若干地区（亚马逊河和刚果盆地、西非和南亚）的地下水-降雨关系（r介于0.6至0.8之间，滞后时间为1-5个月）中得到了证明。一些不存在相关关系的地区与主要的区域含水层系统（例如，北非的努比亚砂石）在干旱地区与化石地下水重合。我们的结果还表明，全球范围内的地下水通量是由全球气候遥相关驱动的。在这些气候遥相关中值得注意的是PDO，ENSO，CAR和Nino 4，PDO在某些热点地区（如南美洲）与地下水的关系最强（r= 0.80）。太平洋在调节地下水流量方面的明确作用为更好地预测气候变化对全球淡水系统的影响提供了机会。与非常大的生产性水文系统（亚马逊和刚果流域）相反，在典型的干旱地区，地下水在长期干旱期间可能受到限制，限制了地表水的持久性，无法维持健康的地表-地下水相互作用。

研究方法

本研究采用了一系列统计方法，包括相关分析、时频小波分析、多元线性回归等，对2003-2017年全球地下水水文变化进行了系统研究。具体数据来源包括：

• 气象资料：降雨量基于全球降水气候学中心（GPCC）的月度降水数据；蒸散量取自日本55年再分析系列；15种气候遥相关型和模式（例如，厄尔尼诺/南方涛动、PDO等），包括海面温度产品；
• 陆地水储量：GRACE CSR RL06 mascon数据；
• 地下水变化：水储量组分（SMS、ISW和CP）数据来自GLDAS Noah陆面模型L4 v2.1；
• 地表水：两个联合研究中心（JRC）数据集，每月水历史（JRC每月水历史（MWH）v1.4）和每年水历史数据集（JRC每年水分类历史（YWCH）v1.4）用于分析。

研究结果与讨论

补给的时空变化

研究发现，湿润地区（例如，亚马逊河和刚果盆地、西非和南亚等）由于降雨量大，蒸散幅度大，补给量远高于干旱和半干旱地区。在干旱地区，补给量相当有限，在中东，由于地下水系统通过毛细通量向上/流出，补给值可能为负值。

水文储存对气候变率的响应

GWS和降雨量之间的交叉相关结果显示，亚马逊盆地、西非和中非以及南亚的大部分地区的相关系数最大，为0.80。出现这种情况的相应最大滞后期为0至5个月。一些气候变率热点地区和降雨驱动地下水的其他热带湿润和干湿地区通常显示出最大相关性，范围为0.50至0.80，滞后时间为0至6个月。虽然在这些地区的大部分地区，降雨导致地下水，但在一些典型的干旱地区，包括北非和澳大利亚，地下水导致降雨。

较高的ET速率与降雨量最多的(例如,亚马逊和刚果盆地)地区相吻合，而低ET速率的典型干旱和干旱地区的降雨量较少(图3b - c )，这与这些地区的TWS变化相一致。然而，符合这一论点的一些观测到的TWS变化排除了那些由大型水库存储、冰的融化和与冻土有关的损失等引起的变化。此外，在地下水流失的情况下，当降雨没有迅速补充或其强度与使用或取自含水层的情况不同时，情况尤其如此。偏正相关的区域代表了TWS动力学中降水的优势（图S1，补充信息）。这证实了降水量的增加对应于TWS的增加。相反，负偏相关的位置表明，降水量的增加并不对应于TWS的增加。蒸散量（ET）和GWS之间的负偏相关以及ET和TWS之间的负偏相关表明，ET的增加将降低GWS和TWS。

气候影响相关热点

不同地区地下水的变化是由几种气候模式驱动的，PDO、ENSO、CAR和尼诺指数显示了更广泛的影响。PDO和ENSO的影响范围趋于相似，但PDO与地下水的相关性更强（范围为0.5 - 0.8）。在这些遥相关中，包括所有Nino产品、PDO和ENSO在内的约60 %的遥相关在南美表现出更强的存在性。此外，地下水与俄罗斯东北部某些气候遥相关型(如Nino 3 + 4、Nino 4、ENSO、PDO、CAR等)的关系也表现为中等偏强。Nino产品与地下水之间强烈的空间相关性暗示了来自周围海洋的SST的影响和足迹，以及Nino指数、NTA STA、ENSO、PDO和CAR对地下水的广泛影响的位置被确定为气候-地下水相互作用的潜在热点。

地下水-地表水相互作用

在某些年份观察到的较高补给值与地表水范围的变化检测相一致。例如，2003年至2006年（盆地干旱期）刚果盆地周围的补给值分布与之后的时期相比相对较低（例如，2012-2016年），显示了更高的补给，与同期较高的地表水范围和增益一致。与其他两个时期相比，由于大雨季（2011 - 2012年），2007 - 2012年期间获得地表水的土地面积更多。在地表水范围大幅增加的这段时间内，卫星和现场的MDB地下水变化的平均时间序列反映了所观察到的地表水范围的巨大变化。在所考虑的三个时期，在四个选定的河流流域中确定了地表水范围变化的一些热点。

这项研究不仅揭示了全球气候变化对地下水系统的影响机制，还为预测未来水资源变化提供了重要参考。研究结果表明，全球范围内的地下水通量是由全球气候遥相关驱动的，其中PDO、ENSO、CAR和Nino 4等气候模式对地下水的影响最为显著。这些发现对于制定应对气候变化的水资源管理政策具有重要参考价值。

文章来源：生态环境视界；转自：水土环境