(年9月4日)

图1地下水与气候变化

(a)陆地水文过程示意图，(b)地下水变化的影响因素。

科学问题全球超过三分之一的水资源来自地下。地下水是重要的淡水补给，特别是在地表水补给有限的中纬度干旱和半干旱区。随着人口的增长，对地下水的需求迅速增加，而气候变化对水资源造成了额外的压力，增加了发生严重干旱的可能性。因此，研究地下水储量如何因气候驱动和人为影响而发生变化是至关重要的。

解决方法

本文使用了一个完全耦合气候模型(CommunityEarthSystemModel—LargeEnsembleProject，CESM-LE)，采用了“趋势”情景(RCP8.5)，评估了整个21世纪气候驱动对地下水储量变化的潜在影响。由于CESM-LE没有考虑水资源使用和管理的人为影响(如抽水、水坝蓄水和调水)，这对揭示人为变暖引起的地下水储量变化的机制和预测带来了可能。本文的方法具体可以分为以下六个部分。

(1)七个主要蓄水层根据对区域供水和粮食生产的重要性，选取了世界上最大的7个中纬度蓄水层(图2a)，评估了它们未来在气候驱动下的地下水储量演变。这七个蓄水层是根据GRACE卫星观测识别出的在过去十年中由于灌溉或其他用水的高需求经历了严重的地下水枯竭的地区(图4a)。(2)气候驱动的地下水储量变化利用“陆地-海洋-大气”完全耦合的CESM-LE模型的月度模拟结果，得到30个不同的集合成员(ensemblemembers)。然后根据这30个集合成员的平均值来确定年平均地下水储量的长期趋势，其中阴影表示30个成员之间的一个标准差范围(图2b)。(3)趋势的回归方法首先，将月度数据平均为年度数据，然后计算时间序列的线性趋势(表1，图2和图4)。采用Student’sttest进行显著性检验，当p0.05拒绝原假设(趋势为0)。不确定性通过30个成员之间的标准差来量化。(4)贡献的回归方法三个气候因子(降雨[x1]、融雪[x2]、蒸散发[x3])对地下水自然补给[y]的影响通过以下方程计算，只取置信度在90%以上的进行图像绘制：三种气候驱动因素对地下水补给的贡献通过以下系数进行量化，系数范围在0到1之间：

结果以图3中三联体颜色的RGB(红色：融雪，绿色：蒸散发，蓝色：降雨)绘制。

(5)从卫星数据集估算地下水储量变化

为了估计过去十年中“真实的”和总体的(气候驱动和人为影响)地下水储量，作者根据GRACE的总蓄水量数据，利用GLDAS(theNASAGlobalLandDataAssimilationSystem1.0)提取出冠层水、雪和土壤水分的蓄水量(图4a)。地下水储量的变化趋势是在去除季节因素后计算出来的。

(6)气候和人为驱动的地下水储量变化

为了比较气候驱动和人为抽水的影响，作者使用了之前研究中的20世纪CESM模拟(图4b，橙色)，其中包括全球用于满足工业、灌溉、农业和生活用水需求的地下水抽水。并将此人为抽水模拟与同期(-)CESM-LE的第一个成员进行了比较(图4b，蓝色)。由于CESM-LE没有模拟人为抽水，因此长期的地下水储量变化可以完全归因于人为气候变化(anthropogenicclimatechange)和内部气候变化(internalclimatevariability)。

研究结果

(1)主要含水层中气候驱动的地下水储量变化

CESM模拟结果表明，地下水储量的变化不一定只反映降水变化的长期趋势，相反，这一趋势还与蒸散发的增强和融雪的减少有关。降雨、蒸散发和融雪是驱动地下水储量变化的主要机制(图1)。七个蓄水层的地下水储量变化特征如下(表1，图2)。

图2地下水储存的趋势

(a)RCP8.5情景下由气候驱动的全球气候变化的预测趋势(-)，(b)相对于现在(-)地下水储量相应的年时间序列。阴影表示30个集合成员之间一个标准差的范围(therangeofonestandarddeviationamong30ensemblemembers)。

表1未来水文通量和储存的趋势

加利福尼亚的中央山谷(CentralValley)占美国灌溉土地的六分之一。在干旱期间，地下水抽取量增加，以弥补地表水供应的减少。CESM-LE的结果表明，如果不考虑抽水的影响，在未来更暖的气候条件下，该区域流域范围的地下水储量由于几种相互竞争的影响而缺乏长期的趋势。

位于美国中部的南部平原(SouthernPlains)是另一个主要的农业区。CESM-LE预测由于气候驱动的影响，未来地下水储量呈显著下降的趋势。

中东(MiddleEast)中北部的地下水储存与人类开采密切相关，特别是在干旱时期。结果表明，多个相互作用因素的组合导致了该地区未来地下水补给的下降。而且，在21世纪气候变暖的情况下，中东地区的地下水储量持续下降。

印度西北部(NorthwesternIndia)目前正经历着用于支持灌溉农业的地下水储量的快速耗竭，该地区印度河和恒河上游下方的蓄水层是最近全球地下水储量下降最严重的含水层之一。相反，本文的研究结果显示，仅考虑气候驱动因素，在21世纪变暖的情况下，地下水资源会不断增加。降雨增加是主要因素，这表明如果不考虑抽水影响，气候变化可以促进印度西北部的地下水可持续性。

与印度西北部相似，中国北部平原(NorthChinaPlain)21世纪降水量的显著增加超过了蒸散发的增加和融雪的减少。然而，地下水的补给的季节性循环发生了变化。

此外，南美洲瓜拉尼(Guarani)蓄水层和澳大利亚西北部的坎宁盆地(Canning)的地下水资源正在增加。与其他五个蓄水层相比，这两个含水层的年降水量较大(大于mmyr?1)，降雪的影响非常微弱。在这两个相对湿润的地区，降水是蒸散发的主导因素，因此，增加ET(precipitationminusevapotranspiration)导致入渗增加，从而增加地下水储量。

(2)绘制气候驱动因素归因图

为了概括21世纪CESM-LE模拟中未来地下水补给的属性，利用降雨、蒸散发和融雪变化作为预测变量进行了统计回归。总的来说，地下水补给的变化主要受季风区和湿润区降雨变化的影响(图3中蓝色部分)。全球以降雪为主的区域主要受纬度和海拔高度的影响(图3中红色部分)。在干旱地区，蒸散发的变化是地下水补给的主导因素(图3中绿色部分)。

图3未来地下水补给的归属

(3)气候驱动与人为抽水对地下水储量的影响

作者比较了气候驱动和人为抽水的影响。地下水储量的减少主要是由于过度抽水和气候效应的综合影响，然而，抽水的贡献可能远远超过自然补给(图4)。

图4地下水储量的趋势

(a)基于GRACE对地下水储量趋势(-)的估计(即GRACE减去GLDAS)，(b)基于CESM模拟的20世纪包含抽水影响的地下水储量趋势(橙色)(作者之前的研究)和基于CESM-LE模拟估计的20世纪(蓝色)和21世纪(绿色)的地下水储量趋势。误差条代表30个集合成员之间一个标准差的范围。

个人评价

准确量化地下水储存变化的气候驱动和人为影响贡献对促进区域可持续发展具有十分重要的意义。本研究是使用完全耦合地球系统模型来解决气候变化对地下水收支影响的开拓性尝试，对于更好地了解地下水资源的未来变化具有重要意义。本文仅评价了气候变化对地下水储量的影响，未来还需要综合评估气候变化与人类活动对地下水的共同影响。

原文

Title:

Divergenteffectsofclimatechangeonfuturegroundwateravailabilityinkeymid-latitudeaquifers

Abstract：

Groundwaterprovidescriticalfreshwatersupply,particularlyindryregionswheresurfacewateravailabilityislimited.ClimatechangeimpactsonGWS(groundwaterstorage)couldaffectthesustainabilityoffreshwaterresources.Here,weusedafully-coupledclimatemodeltoinvestigateGWSchangesoversevencriticalaquifersidentifiedassignificantlydistressedbysatelliteobservations.Weassessedthepotentialclimate-drivenimpactsonGWSchangesthroughoutthe21stcenturyunderthebusiness-as-usualscenario(RCP8.5).Resultsshowthattheclimate-drivenimpactsonGWSchangesdonotnecessarilyreflectthelong-termtrendinprecipitation;instead,thetrendmayresultfromenhancementofevapotranspiration,andreductioninsnowmelt,whichcollectivelyleadtodivergentresponsesofGWSchangesacrossdifferentaquifers.Finally,we



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