我国北方不断加剧的地下水变化及其生态-气候环境影响

In recent decades, the accelerated variability in groundwater has been significantly impacting eco-climate environments in northern China. The mechanisms for the interactions of groundwater-ecosystem-climate system are also modified constantly, in company with enhanced climate change and human activities. As there is no reliable observations and complete tools for studying the coupled groundwater-ecosystem-climate system, it is still not clear what and how the groundwater change is happening in northern China, and also what and how these changes will affect regional eco-climate environments. In the project, we propose to compile the in-situ groundwater data and remote sensing products from multiple sources, and build a data set for the study. We will develop the schemes of anthropogenic water withdrawal and vegetation type changes in coupled groundwater-land-climate model (ParFlow-CLM-COSMO). With these data sets and tools, we will perform systematic studies of the impact of the groundwater change on ecosystem and climate interactions. The proposed study will increase our knowledge on the impact of groundwater change on ecosystem and climate environments, enhance our understanding of the physical mechanisms of the groundwater-ecosystem-climate interactions, and contribute to solving the fundamental science questions facing climate change and evaluation of ecosystem and environment changes.

近几十年来，不断加剧的地下水变化已经对我国北方地区造成了一系列显著的生态和气候环境影响。随着气候变化与人类活动的持续增强，地下水-生态-气候相互作用机制也在不断发生变化。目前，由于缺乏可靠的观测和完善的地下水-生态-气候耦合的研究工具，对不断加剧的地下水变化的趋势和强度，以及对区域生态和气候环境造成的影响和作用机制的认识尚不清楚。鉴于此，本项目拟整编多部门地下水观测资料和遥感反演产品，建立数据基础；发展地下水-陆面-气候耦合模式（ParFlow-CLM-COSMO）中人为取用水和植被生态演变影响气候的描述方案。基于此，综合观测和数值试验开展我国北方地下水变化及所引起的生态、气候相互作用过程变化和影响研究。本项目的实施有助于深化对北方地下水变化时空特征和生态气候环境效应的认知，以及人为活动影响地下水-生态-气候相互作用的物理机制的理解，促进气候变化及其生态效应评估所面临的基础性科学问题的解决。

我国北方地下水的变化与区域生态和气候环境具有密切的联系。近几十年来，随着经济的快速发展，跨区输出了大量的水资源，加之气候变化的影响，我国北方水资源短缺的问题越来越突出。导致地下水开采加剧，一些地区地下水供水量占比甚至超过70%，过度开采形成了大面积的地下水 “漏斗”区。这种剧烈的地下水变化，对地处干-湿气候过渡带，陆-气相互作用强，气候波动显著的北方地区而言，势必对区域生态环境和气候变化进一步产生深刻的影响。目前对地下水变化的时空特征和影响及其机制尚缺乏清晰认识。地下水相关物理过程深入“再认识”区域发展战略所关切的“水”问题的关键理论基础。因此从地下水-生态-气候耦合系统的视角来认识区域地下水变化，及其生态气候影响，具有基础性科学意义，更是突破“水问题”应用性技术的基本环节。. 本项目为一年期项目，主要研究内容集中在北方地区多部门地下水变化观测资料的整编和地下水的模拟可行性评估。经过项目一年的实施，收集整编了国土资源部观测的中国区域地下水观测资料980余个站点2005-2016年的月平均资料；内蒙古气象局观测的内蒙古地区83个观测井自2005年以来的地下水位逐月观测资料。这些资料为进一步的模拟评估研究提供了地下水位的基准数据。另外，项目还收集了重要流域的径流观测月平均数据，区域土壤湿度温度，GRACE等卫星反演和模式模拟的陆地水储量各分量变化数据。项目利用耦合的LEAFHydro-NoahMP平台，通过建立基于观测和再分析资料ERA5的大气驱动场，以及陆面参数在中国区域的优化，实现了中国区域地下水过程的模拟，模拟生成了中国区域地下水变化数据集。模拟结果在中国区域将地下水位的空间分布扩展到约0-120米的区间，这与当前多数陆面模式的模拟结果比较有了很大的改进，为地下水相关物理过程的数值方案发展和模拟应用提供了空间。这些数据的整编和模拟试验奠定了进一步开展区域地下水模拟研究和影响评估的基础。