(2020年9月4日)
(a) 陸地水文過程示意圖，(b)地下水變化的影響因素。
全球超過三分之一的水資源來自地下。地下水是重要的淡水補給，特別是在地表水補給有限的中緯度乾旱和半乾旱區。隨著人口的增長，對地下水的需求迅速增加，而氣候變化對水資源造成了額外的壓力，增加了發生嚴重乾旱的可能性。因此，研究地下水儲量如何因氣候驅動和人為影響而發生變化是至關重要的。解決方法
本文使用了一個完全耦合氣候模型(Community Earth System Model—Large Ensemble Project，CESM-LE)，採用了「趨勢」情景(RCP8.5)，評估了整個21世紀氣候驅動對地下水儲量變化的潛在影響。由於CESM-LE沒有考慮水資源使用和管理的人為影響(如抽水、水壩蓄水和調水)，這對揭示人為變暖引起的地下水儲量變化的機制和預測帶來了可能。本文的方法具體可以分為以下六個部分。
根據對區域供水和糧食生產的重要性，選取了世界上最大的7個中緯度蓄水層(圖2a)，評估了它們未來在氣候驅動下的地下水儲量演變。這七個蓄水層是根據GRACE衛星觀測識別出的在過去十年中由於灌溉或其他用水的高需求經歷了嚴重的地下水枯竭的地區(圖4a)。利用「陸地-海洋-大氣」完全耦合的CESM-LE模型的月度模擬結果，得到30個不同的集合成員(ensemble members)。然後根據這30個集合成員的平均值來確定年平均地下水儲量的長期趨勢，其中陰影表示30個成員之間的一個標準差範圍(圖2b)。首先，將月度數據平均為年度數據，然後計算時間序列的線性趨勢(表1，圖2和圖4)。採用Student’s t test進行顯著性檢驗，當p>0.05拒絕原假設(趨勢為0)。不確定性通過30個成員之間的標準差來量化。三個氣候因子(降雨[x1]、融雪[x2]、蒸散發[x3])對地下水自然補給[y]的影響通過以下方程計算，只取置信度在90%以上的進行圖像繪製：三種氣候驅動因素對地下水補給的貢獻通過以下係數進行量化，係數範圍在0到1之間：結果以圖3中三聯體顏色的RGB(紅色：融雪，綠色：蒸散發，藍色：降雨)繪製。
(5) 從衛星數據集估算地下水儲量變化
為了估計過去十年中「真實的」和總體的(氣候驅動和人為影響)地下水儲量，作者根據GRACE的總蓄水量數據，利用GLDAS (the NASA Global Land Data Assimilation System 1.0)提取出冠層水、雪和土壤水分的蓄水量(圖4a)。地下水儲量的變化趨勢是在去除季節因素後計算出來的。
(6) 氣候和人為驅動的地下水儲量變化
為了比較氣候驅動和人為抽水的影響，作者使用了之前研究中的20世紀CESM模擬(圖4b，橙色)，其中包括全球用於滿足工業、灌溉、農業和生活用水需求的地下水抽水。並將此人為抽水模擬與同期(1900 - 1999) CESM-LE的第一個成員進行了比較(圖4b，藍色)。由於CESM-LE沒有模擬人為抽水，因此長期的地下水儲量變化可以完全歸因於人為氣候變化(anthropogenic climate change)和內部氣候變化(internal climate variability)。
研究結果
(1) 主要含水層中氣候驅動的地下水儲量變化
CESM模擬結果表明，地下水儲量的變化不一定只反映降水變化的長期趨勢，相反，這一趨勢還與蒸散發的增強和融雪的減少有關。降雨、蒸散發和融雪是驅動地下水儲量變化的主要機制(圖1)。七個蓄水層的地下水儲量變化特徵如下(表1，圖2)。圖2 地下水儲存的趨勢
(a) RCP8.5情景下由氣候驅動的全球氣候變化的預測趨勢(2006-2100)，(b)相對於現在(2006 - 2015)地下水儲量相應的年時間序列。陰影表示30個集合成員之間一個標準差的範圍(the range of one standard deviation among 30 ensemble members)。
表1 未來水文通量和儲存的趨勢
加利福尼亞的中央山谷(Central Valley)佔美國灌溉土地的六分之一。在乾旱期間，地下水抽取量增加，以彌補地表水供應的減少。CESM-LE的結果表明，如果不考慮抽水的影響，在未來更暖的氣候條件下，該區域流域範圍的地下水儲量由於幾種相互競爭的影響而缺乏長期的趨勢。
位於美國中部的南部平原(Southern Plains)是另一個主要的農業區。CESM-LE預測由於氣候驅動的影響，未來地下水儲量呈顯著下降的趨勢。
中東(Middle East)中北部的地下水儲存與人類開採密切相關，特別是在乾旱時期。結果表明，多個相互作用因素的組合導致了該地區未來地下水補給的下降。而且，在21世紀氣候變暖的情況下，中東地區的地下水儲量持續下降。
印度西北部(Northwestern India)目前正經歷著用於支持灌溉農業的地下水儲量的快速耗竭，該地區印度河和恆河上遊下方的蓄水層是最近全球地下水儲量下降最嚴重的含水層之一。相反，本文的研究結果顯示，僅考慮氣候驅動因素，在21世紀變暖的情況下，地下水資源會不斷增加。降雨增加是主要因素，這表明如果不考慮抽水影響，氣候變化可以促進印度西北部的地下水可持續性。
與印度西北部相似，中國北部平原(North China Plain)21世紀降水量的顯著增加超過了蒸散發的增加和融雪的減少。然而，地下水的補給的季節性循環發生了變化。
此外，南美洲瓜拉尼(Guarani)蓄水層和澳大利亞西北部的坎寧盆地(Canning)的地下水資源正在增加。與其他五個蓄水層相比，這兩個含水層的年降水量較大(大於900 mm yr−1)，降雪的影響非常微弱。在這兩個相對溼潤的地區，降水是蒸散發的主導因素，因此，增加ET (precipitation minus evapotranspiration)導致入滲增加，從而增加地下水儲量。
(2) 繪製氣候驅動因素歸因圖
為了概括21世紀CESM-LE模擬中未來地下水補給的屬性，利用降雨、蒸散發和融雪變化作為預測變量進行了統計回歸。總的來說，地下水補給的變化主要受季風區和溼潤區降雨變化的影響(圖3中藍色部分)。全球以降雪為主的區域主要受緯度和海拔高度的影響(圖3中紅色部分)。在乾旱地區，蒸散發的變化是地下水補給的主導因素(圖3中綠色部分)。圖3 未來地下水補給的歸屬
作者比較了氣候驅動和人為抽水的影響。地下水儲量的減少主要是由於過度抽水和氣候效應的綜合影響，然而，抽水的貢獻可能遠遠超過自然補給(圖4)。
圖4 地下水儲量的趨勢
(a)基於GRACE對地下水儲量趨勢(2003 - 2014)的估計(即GRACE減去GLDAS)，(b)基於CESM模擬的20世紀包含抽水影響的地下水儲量趨勢(橙色)(作者之前的研究)和基於CESM-LE模擬估計的20世紀(藍色)和21世紀(綠色)的地下水儲量趨勢。誤差條代表30個集合成員之間一個標準差的範圍。
個人評價
準確量化地下水儲存變化的氣候驅動和人為影響貢獻對促進區域可持續發展具有十分重要的意義。本研究是使用完全耦合地球系統模型來解決氣候變化對地下水收支影響的開拓性嘗試，對於更好地了解地下水資源的未來變化具有重要意義。本文僅評價了氣候變化對地下水儲量的影響，未來還需要綜合評估氣候變化與人類活動對地下水的共同影響。
原文
Title:
Divergent effects of climate change on future groundwater availability in key mid-latitude aquifers
Groundwater provides critical freshwater supply, particularly in dry regions where surface water availability is limited. Climate change impacts on GWS (groundwater storage) could affect the sustainability of freshwater resources. Here, we used a fully-coupled climate model to investigate GWS changes over seven critical aquifers identified as significantly distressed by satellite observations. We assessed the potential climate-driven impacts on GWS changes throughout the 21st century under the business-as-usual scenario (RCP8.5). Results show that the climate-driven impacts on GWS changes do not necessarily reflect the long-term trend in precipitation; instead, the trend may result from enhancement of evapotranspiration, and reduction in snowmelt, which collectively lead to divergent responses of GWS changes across different aquifers. Finally, we compare the climate-driven and anthropogenic pumping impacts. The reduction in GWS is mainly due to the combined impacts of over-pumping and climate effects; however, the contribution of pumping could easily far exceed the natural replenishment.
Wu, W., Lo, M., Wada, Y., Famiglietti, J.S., Reager, J.T., Yeh, P. J.-F., Ducharne, A. and Yang, Z. 2020. Divergent effects of climate change on future groundwater availability in key mid-latitude aquifers. Nature Communications, 11, 3710.