高原水塔效應(yīng)對(duì)青藏高原及周邊地區(qū)地下水的補(bǔ)給影響

李惠林

摘要：本文基于Gravity Recovery and Climate Experiment（GRACE）重力衛(wèi)星對(duì)地下水變化的高精度觀測(cè)，同時(shí)利用降水，雪水當(dāng)量和典型冰川物質(zhì)平衡的數(shù)據(jù)，對(duì)青藏高原及周邊地區(qū)地下水受高原水塔補(bǔ)給的具體情況進(jìn)行研究，同時(shí)給出地下水、降水、雪水當(dāng)量和典型冰川物質(zhì)平衡分布情況和變化趨勢(shì)。經(jīng)相關(guān)性分析后發(fā)現(xiàn)，與地下水的變化值顯著相關(guān)的僅有降水量，即說(shuō)明了僅有降水對(duì)地下水有明顯的補(bǔ)給效應(yīng)，而融雪量和典型冰川融水對(duì)地下水的變化影響不大。此結(jié)果對(duì)指導(dǎo)人類生產(chǎn)生活活動(dòng)具有一定意義。

關(guān)鍵詞：GRACE重力衛(wèi)星;高原水塔;補(bǔ)給效應(yīng)

1.引言

地下水在自然生態(tài)水系和人類社會(huì)中具有重要影響，是衡量水資源總體狀況的重要參數(shù)。對(duì)自然界而言，地下水位會(huì)影響生態(tài)、土壤沙化程度等;對(duì)人類社會(huì)而言，健康的地下水位可以使經(jīng)濟(jì)社會(huì)穩(wěn)定發(fā)展，防止地面塌陷等災(zāi)害的發(fā)生。因此，了解地下水的變化規(guī)律，未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)和地下水變化的原因至關(guān)重要。

2.數(shù)據(jù)

2.1GRACE產(chǎn)品

本文選取了GRACE衛(wèi)星，Level-2中由CSR發(fā)布的每月地球重力場(chǎng)的數(shù)據(jù)來(lái)進(jìn)行地下水變化量的估算，該數(shù)據(jù)集包括了從2002年4月到2016年3月的數(shù)據(jù)，其中2003.6，2011.1，2011.6，2012.5，2012.10，2013.3，2013.8，2014.2，2014.7九個(gè)月數(shù)據(jù)缺失，缺失數(shù)據(jù)使用相鄰兩個(gè)月采用拉格朗日插值算法進(jìn)行插值處理。如Table1所示。

2.2降水產(chǎn)品

考慮到研究的區(qū)域是青藏高原及周邊地區(qū)，因此，為了獲得更高的分辨率，我們決定使用2018年GPCC全數(shù)據(jù)月度產(chǎn)品版本（0.25°），該版本根據(jù)基于GTS和歷史數(shù)據(jù)的雨量計(jì)提供月度地面降水量（Schneider等人，2018年）。我們希望這個(gè)數(shù)據(jù)集能提供青藏高原2003.1-2014.12年間的最佳降水特征。如Table1所示。

2.3雪水當(dāng)量產(chǎn)品

本文使用Canadian Meteorological Centre （CMC） Daily Snow Depth Analysis Data， Version 1（Brown， R. D. and B. Brasnett. 2010， updated annually）來(lái)進(jìn)行雪水當(dāng)量（SWE）的估算。該數(shù)據(jù)集中包括從1998年到2019年的每日積雪深度，月平均積雪深度（cm）和預(yù)估的雪水當(dāng)量（SWE;mm）數(shù)據(jù)。如Table 1所示。

2.4冰川產(chǎn)品

本文選擇中國(guó)科學(xué)院青藏高原研究所的青藏高原及周邊地區(qū)典型冰川的物質(zhì)平衡數(shù)據(jù)來(lái)對(duì)典型冰川的物質(zhì)平衡進(jìn)行估算，并且使用Global Land Ice Measurements from Space（GLIMS）的Randolph冰川目錄（RGI）來(lái)進(jìn)行典型冰川經(jīng)緯度坐標(biāo)的確定。

3.分析與結(jié)果

3.1青藏高原及其周邊地區(qū)地下水變化分布及趨勢(shì)

3.1.1地下水變化值的分布情況

1.青藏高原及周邊地區(qū)的地下水變化在第一季度的極值都較小，在第四季度的極值都較大。說(shuō)明在冬春時(shí)節(jié)地下水儲(chǔ)量變化較小，高低波動(dòng)不明顯;而在夏秋時(shí)節(jié)地下水變化較大，波動(dòng)較明顯。

2.從四個(gè)季度來(lái)看，極大值區(qū)域從阿爾金山脈、祁連山脈向四川盆地運(yùn)動(dòng)，且極大值在不斷增加;極小值區(qū)域由第一節(jié)度的雙極小值轉(zhuǎn)變?yōu)榭拷柴R拉雅山脈西南側(cè)的單極值區(qū)，且極小值先增大后減小。

3.1.2地下水的變化趨勢(shì)

青藏高原及周邊地下水在2005年之后變化較平緩，在0上下小幅度波動(dòng)，波動(dòng)范圍在±100mm之間?？傮w上，2005-2014年青藏高原及周邊地下水的變化呈現(xiàn)略微的增加趨勢(shì)，約增加了6mm。

從各月的變化值來(lái)看，青藏高原及周邊地下水的變化呈現(xiàn)較強(qiáng)的周期性：冬春季節(jié)地下水儲(chǔ)量減少，夏秋時(shí)節(jié)儲(chǔ)量增加。這與上述的地下水特征分布相吻合。

3.2降水，融雪，典型冰川物質(zhì)平衡的分布及變化

3.2.1降水的分布及變化

首先研究降水的時(shí)空分布特征。

從青藏高原及其周邊地區(qū)年平均降水空間分布來(lái)看，高原總體年平均降水量空間上呈自北向南，自西向東逐漸增加的趨勢(shì)，青藏高原南部最大年降水可達(dá)3230mm·y-1，高原以南25.3°N，91.7°E處乞拉朋齊地區(qū)降水可達(dá)8306mm·y-1，而北部最低降水僅為21.375mm·y-1。

為進(jìn)一步分析青藏高原及其周邊地區(qū)2003-2014年降水變化規(guī)律的周期性.從年總降水量趨勢(shì)線來(lái)看，2003-2014年青藏高原整體降水呈增加趨勢(shì)，但變化不顯著，僅以0.2892mm·y-1的速率增加.2008年滑動(dòng)平均最大值為12年最低，說(shuō)明這一年降水比常年少。

3.2.2雪水當(dāng)量的分布及變化

從總體趨勢(shì)線來(lái)看，2003-2014年青藏高原整體積雪呈增加趨勢(shì).從月雪水當(dāng)量變化線來(lái)看，高原雪水當(dāng)量總體呈上升趨勢(shì);從三點(diǎn)滑動(dòng)平均線來(lái)看，2007年以前變化較不明顯，剛達(dá)到平均值或在平均值一下，2004年出現(xiàn)極小值，說(shuō)明這一年積雪比其他時(shí)段少，自2008年開(kāi)始雪水當(dāng)量逐年增加。

3.2.3典型冰川的分布及物質(zhì)平衡的變化

青藏高原冰川由北向南，自西向東逐漸減少。30°N以北的三個(gè)冰川（七一冰川、小冬克瑪?shù)妆?、慕士塔格冰?5號(hào)冰川）年平均變化率為正，呈增加趨勢(shì)，七一冰川變化率最大，物質(zhì)變化率的年平均變化率大于100mm.其余三個(gè)冰川（槍勇冰川、帕隆12號(hào)冰川、NM551冰川）年平均變化率為負(fù)，說(shuō)明這三個(gè)冰川呈減少的趨勢(shì)，其中帕隆12號(hào)冰川物質(zhì)變化率的年平均減少率在100mm以下。

2006-2010年青藏高原冰川總體呈減少趨勢(shì)，其中七一冰川的冰川體積和物質(zhì)平衡分別在2008和2010年有回升，其余均為負(fù)增長(zhǎng);槍勇冰川只在2007年有短暫回升，總體冰川呈減少趨勢(shì);帕隆12號(hào)冰川總體呈下降趨勢(shì)，冰川物質(zhì)收支總體為負(fù);NM551冰川體積和物質(zhì)平衡減少，在2010年開(kāi)始上升;小冬克瑪?shù)妆w積和物質(zhì)平衡在2008年前增加，2008年后開(kāi)始下降;慕士塔格冰川15號(hào)冰川體積呈下降趨勢(shì)，物質(zhì)收支為正，在2010年轉(zhuǎn)為負(fù)。

3.3青藏高原地下水的自然補(bǔ)給效應(yīng)

地下水含量與雪水當(dāng)量差值的相關(guān)系數(shù)為-0.005，顯著性水平為0.934，接近于1，則代表地下水含量與雪水當(dāng)量差值無(wú)顯著相關(guān)性;地下水含量與典型冰川物質(zhì)變化的相關(guān)系數(shù)為0.001，顯著性水平為0.972（五年），接近于1，則代表地下水含量與典型冰川物質(zhì)變化無(wú)顯著相關(guān)性;地下水含量與降水量的相關(guān)系數(shù)為0.130，顯著性水平為0.022<0.05，表明地下水含量和降水量之間的正相關(guān)性很顯著，通過(guò)95%的顯著性水平檢驗(yàn)。

4.結(jié)論

本文通過(guò)對(duì)地下水變化的研究，考慮了降水，冰川融水，融雪對(duì)地下水補(bǔ)給作用的影響后，僅降水與地下水變化有較強(qiáng)的正相關(guān)關(guān)系，其余兩者與地下水變化值的相關(guān)性不大。

本文認(rèn)為出現(xiàn)此現(xiàn)象可能是以下三種因素導(dǎo)致的：

①事實(shí)情況就是如此，僅降水對(duì)地下水有顯著的補(bǔ)給作用。

②因?yàn)閿?shù)據(jù)分辨率的原因?qū)е嘛@著性不強(qiáng)，如某地雪水當(dāng)量數(shù)據(jù)因?yàn)榉直媛瘦^低，無(wú)變化，使其與地下水的相關(guān)性差。

③因?yàn)榻邓难a(bǔ)給量遠(yuǎn)超其余兩者，所以掩蓋了另外兩者的影響。

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