高原水塔效應對青藏高原及周邊地區地下水的補給影響

李惠林

摘要：本文基于Gravity Recovery and Climate Experiment（GRACE）重力衛星對地下水變化的高精度觀測，同時利用降水，雪水當量和典型冰川物質平衡的數據，對青藏高原及周邊地區地下水受高原水塔補給的具體情況進行研究，同時給出地下水、降水、雪水當量和典型冰川物質平衡分布情況和變化趨勢。經相關性分析后發現，與地下水的變化值顯著相關的僅有降水量，即說明了僅有降水對地下水有明顯的補給效應，而融雪量和典型冰川融水對地下水的變化影響不大。此結果對指導人類生產生活活動具有一定意義。

關鍵詞：GRACE重力衛星;高原水塔;補給效應

1.引言

地下水在自然生態水系和人類社會中具有重要影響，是衡量水資源總體狀況的重要參數。對自然界而言，地下水位會影響生態、土壤沙化程度等;對人類社會而言，健康的地下水位可以使經濟社會穩定發展，防止地面塌陷等災害的發生。因此，了解地下水的變化規律，未來發展趨勢和地下水變化的原因至關重要。

2.數據

2.1GRACE產品

本文選取了GRACE衛星，Level-2中由CSR發布的每月地球重力場的數據來進行地下水變化量的估算，該數據集包括了從2002年4月到2016年3月的數據，其中2003.6，2011.1，2011.6，2012.5，2012.10，2013.3，2013.8，2014.2，2014.7九個月數據缺失，缺失數據使用相鄰兩個月采用拉格朗日插值算法進行插值處理。如Table1所示。

2.2降水產品

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

2.3雪水當量產品

本文使用Canadian Meteorological Centre （CMC） Daily Snow Depth Analysis Data， Version 1（Brown， R. D. and B. Brasnett. 2010， updated annually）來進行雪水當量（SWE）的估算。該數據集中包括從1998年到2019年的每日積雪深度，月平均積雪深度（cm）和預估的雪水當量（SWE;mm）數據。如Table 1所示。

2.4冰川產品

本文選擇中國科學院青藏高原研究所的青藏高原及周邊地區典型冰川的物質平衡數據來對典型冰川的物質平衡進行估算，并且使用Global Land Ice Measurements from Space（GLIMS）的Randolph冰川目錄（RGI）來進行典型冰川經緯度坐標的確定。

3.分析與結果

3.1青藏高原及其周邊地區地下水變化分布及趨勢

3.1.1地下水變化值的分布情況

1.青藏高原及周邊地區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。說明在冬春時節地下水儲量變化較小，高低波動不明顯;而在夏秋時節地下水變化較大，波動較明顯。

2.從四個季度來看，極大值區域從阿爾金山脈、祁連山脈向四川盆地運動，且極大值在不斷增加;極小值區域由第一節度的雙極小值轉變為靠近喜馬拉雅山脈西南側的單極值區，且極小值先增大后減小。

3.1.2地下水的變化趨勢

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，波動范圍在±100mm之間。總體上，2005-2014年青藏高原及周邊地下水的變化呈現略微的增加趨勢，約增加了6mm。

從各月的變化值來看，青藏高原及周邊地下水的變化呈現較強的周期性：冬春季節地下水儲量減少，夏秋時節儲量增加。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

首先研究降水的時空分布特征。

從青藏高原及其周邊地區年平均降水空間分布來看，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，青藏高原南部最大年降水可達3230mm·y-1，高原以南25.3°N，91.7°E處乞拉朋齊地區降水可達8306mm·y-1，而北部最低降水僅為21.375mm·y-1。

為進一步分析青藏高原及其周邊地區2003-2014年降水變化規律的周期性.從年總降水量趨勢線來看，2003-2014年青藏高原整體降水呈增加趨勢，但變化不顯著，僅以0.2892mm·y-1的速率增加.2008年滑動平均最大值為12年最低，說明這一年降水比常年少。

3.2.2雪水當量的分布及變化

從總體趨勢線來看，2003-2014年青藏高原整體積雪呈增加趨勢.從月雪水當量變化線來看，高原雪水當量總體呈上升趨勢;從三點滑動平均線來看，2007年以前變化較不明顯，剛達到平均值或在平均值一下，2004年出現極小值，說明這一年積雪比其他時段少，自2008年開始雪水當量逐年增加。

3.2.3典型冰川的分布及物質平衡的變化

青藏高原冰川由北向南，自西向東逐漸減少。30°N以北的三個冰川（七一冰川、小冬克瑪底冰川、慕士塔格冰川15號冰川）年平均變化率為正，呈增加趨勢，七一冰川變化率最大，物質變化率的年平均變化率大于100mm.其余三個冰川（槍勇冰川、帕隆12號冰川、NM551冰川）年平均變化率為負，說明這三個冰川呈減少的趨勢，其中帕隆12號冰川物質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，其中七一冰川的冰川體積和物質平衡分別在2008和2010年有回升，其余均為負增長;槍勇冰川只在2007年有短暫回升，總體冰川呈減少趨勢;帕隆12號冰川總體呈下降趨勢，冰川物質收支總體為負;NM551冰川體積和物質平衡減少，在2010年開始上升;小冬克瑪底冰川體積和物質平衡在2008年前增加，2008年后開始下降;慕士塔格冰川15號冰川體積呈下降趨勢，物質收支為正，在2010年轉為負。

3.3青藏高原地下水的自然補給效應

地下水含量與雪水當量差值的相關系數為-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量差值無顯著相關性;地下水含量與典型冰川物質變化的相關系數為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變化無顯著相關性;地下水含量與降水量的相關系數為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性很顯著，通過95%的顯著性水平檢驗。

4.結論

本文通過對地下水變化的研究，考慮了降水，冰川融水，融雪對地下水補給作用的影響后，僅降水與地下水變化有較強的正相關關系，其余兩者與地下水變化值的相關性不大。

本文認為出現此現象可能是以下三種因素導致的：

①事實情況就是如此，僅降水對地下水有顯著的補給作用。

②因為數據分辨率的原因導致顯著性不強，如某地雪水當量數據因為分辨率較低，無變化，使其與地下水的相關性差。

③因為降水的補給量遠超其余兩者，所以掩蓋了另外兩者的影響。

參考文獻

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