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我国科学家用GRACE卫星重力对青藏及周边地区地下水储量研究取得重要进展

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  在国家基金重点项目“喀喇昆仑-喜马拉雅冰川物质平衡的空间大地测量研究”(41431070)资助下,中国科学院测量与地球物理研究所汪汉胜研究团队与瑞典国土测量局Holger
Steffen博士和香港大学胡百卓教授近日在国际著名期刊《Earth and Planetary
Science
Letters》在线发表了利用GRACE卫星重力数据对青藏高原及周边地区地下水储量研究的最新进展,“Groundwater
storage changes in the Tibetan Plateau and adjacent areas revealed from
GRACE satellite gravity
data”(《从GRACE卫星重力数据分离青藏高原及邻区地下水储量的变化》)。论文链接:
X16302898。

中新社北京6月21日电
中外科学家研究发现,青藏高原及周边地区地下水储量增加。2003—2009年期间,每年总增加量为186±48亿立方米,相当于三峡水库175米水位时近一半的库容量。

湖泊、积雪、冰川与河流是青藏高原水循环的重要组成部分。封闭流域湖泊是连接大气圈、冰冻圈、水圈、生物圈的纽带。湖泊对气候变化敏感、快速响应流域环境变化。青藏高原湖泊主要分布在内流区(即羌塘高原,封闭流域),由于很少受到人类活动的干扰,湖泊提供了气候变化的独特指标。过去几十年,青藏高原湖泊面积显示了明显的扩张,这有别于中国其他地区、亚洲其他高原、甚至全球其他地区或流域萎缩模式。目前青藏高原湖泊面积、水位变化已有大量研究报道,然而仍缺乏对过去几十年连续时间尺度湖泊水量变化的研究。同时,受到站点观测资料的限制,青藏高原1200多个大于1平方公里湖泊中只有个别几个湖泊(如:
色林错、纳木错、当惹雍错、玛旁雍错、佩枯错)有定量的水量平衡估算,这对冰冻圈-水文过程的理解非常有限。

  青藏高原地下水储量的变化对高原生态恢复、农牧业发展、地质灾害防治、工程设计和地热开发等具有重要价值,同时对水文循环和全球气候变化研究具有重要意义。长期以来,在青藏高原广阔的地区,由于可利用的水井水位测量数据极少,对地下水状况知之甚少。2002年以来GRACE卫星重力观测使评估整个高原地下水的变化成为可能。然而,卫星的重力观测受土壤湿度、冰川与积雪、冻土、湖泊与水库变化等影响,如何排除这些影响是精确获得地下水储量变化信息的关键。汪汉胜研究团队在充分利用国际最新的GRACE重力场数据的同时,还利用了多种水文模型提供的土壤湿度和积雪数据、冰川湖泊ICESat-1卫星测高结果、冻土模型和最新的冰川均衡调整模型,首次揭示了青藏高原及周边2003-2009年地下水增加趋势(图1),每年总增加量为186±48亿立方米,相当于三峡水库175米水位时近一半的库容量。

记者21日从中国科学院测量与地球物理研究所获悉,这项研究由该所研究员汪汉胜负责的“地球表层物质平衡的定量评估”团队,与瑞典国土测量局、香港大学地球科学系合作完成。相关论文已发表在国际期刊《地球行星科学通讯》。

中国科学院青藏高原研究所、青藏高原地球科学卓越创新中心副研究员张国庆联合国内外科学家,结合遥感、测高、大地测量等数据,对青藏高原过去40多年来(1970s-2015年)每年湖泊面积、水位、水量进行估算。研究表明:青藏高原湖泊面积、水位与水量变化相似,并同时经历了三个阶段,即1970s-1995年间略有减少、1996-2010年间快速增加、近几年来(2011-2015年)增速减缓。
结合GRACE重力卫星数据、土壤水分、雪水当量、冰川物质平衡、冻土消融、湖泊水量,对2003-2009年青藏高原内流区质量平衡与湖泊水量平衡进行了估算。研究显示:湖泊(7.72
± 0.63 Gt/year)与地下水储量(5.01 ± 1.59
Gt/year)增量相似。降水对湖泊水量增加占主体,其次为冰川消融与冻土退化,雪水当量贡献较少。
由于冰川物质平衡ICESat-1数据的限制,目前只对2003-2009年间湖泊水量平衡进行了估算,随着TanDEM-X及即将发射的ICESat-2数据使用,湖泊水量平衡时间尺度可被扩展。另外,随着更多测高数据可利用,如Jason-3、sentinel-3A和3B、ICESat-2、Jason-CS、SWOT等,更多湖泊水位变化可被监测,直接估算湖泊水量平衡成为可能。
该研究主要得到了国家自然科学基金项目的支持,研究成果近期发表于《地球物理研究通讯》(Geophysical
Research Letters)期刊。
论文链接图片 1
图1.
1970s−2015年每年湖泊面积、水位与水量变化。插图显示三个阶段湖泊面积、水位与水量变化率图片 2图2.
2003−2009年间青藏高原内流区质量与湖泊水量平衡

  进一步研究分析表明:在高原东部河源地区,广泛分布的石灰岩和碎屑岩的裂隙孔隙、岩溶和活动断层有利于地下水储存;地下水增加与流域或盆地周边地区的冰/雪、冻土融水和降水增加所产生的径流补给以及高原西部的内流盆地活动断层渗漏有关;对于三江(澜沧江、长江和黄河)源地区,2005年以来中国政府实施生态保护和重建工程所采取的生态移民、限制放牧、森林湿地保护和人工降雨等措施有利于地下水的储积和生态恢复。

长期以来,由于可利用的水井水位测量数据极少,外界对青藏高原广阔地区的地下水状况知之甚少。然而其储量变化,对高原生态恢复、农牧业发展、地质灾害防治、工程设计和地热开发等具有重要价值。

图片 3

汪汉胜表示,GRACE卫星重力观测使评估整个高原地下水的变化成为可能。GRACE卫星是美国国家航空航天局与德国航空中心在2002年合作发射。卫星在距地500千米的空中感受地下水增减变化的重力信号,再根据重力信号计算地下水储量的变化。

研究团队还利用多种水文模型提供的土壤湿度和积雪数据、冻土模型和最新的冰川均衡调整模型等,使所获地下水储量变化信息更为精确。

汪汉胜说,在金沙江流域、怒江—澜沧江源地区、长江源地区、黄河源地区、柴达木盆地、羌塘自然保护区中部、印度河上游流域和阿克苏河流域,首次发现了地下水呈现增加趋势。

冬季河流径流量、降雨资料和一些生态变化的报道,间接支持了他们的研究结果。汪汉胜说,分析表明,2005年以来中国政府在三江源地区实施生态保护和重建工程,所采取的生态移民、限制放牧、森林湿地保护和人工降雨等措施,有利于地下水的储积,反过来地下水的增加也有利于生态恢复。

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