1 摘要
含水層含有最大的未凍淡水儲量,使地下水對地球上的生命至關重要。令人驚訝的是,地下水在時空尺度上對地表變暖的反應知之甚少。作者以擴散熱輸運為重點,在全球尺度上模擬當前和預測的地下水溫度。研究表明,在中等排放路徑下,地下水位深處的地下水(不包括永久凍土區(qū))保守預測在2000年至2100年間平均升溫2.1攝氏度。然而,由于氣候變化和地下水位深度的空間變異,區(qū)域淺層地下水變暖模式存在很大差異。最低的比率預計在山區(qū),如安第斯山脈或落基山脈。研究表明,地下水溫度的升高會影響河流熱狀態(tài)、地下水依賴生態(tài)系統(tǒng)、水生生物地球化學過程、地下水質量和地熱潛力。結果表明,按照中等排放路徑,到2100年,預計將有7700萬至1.88億人生活在地下水溫度超過任何國家設定的最高飲用水溫度閾值的地區(qū)。
2 研究背景
地下水溫度升高的現實
地球的氣候系統(tǒng)在溫室氣體濃度增加的影響下,正在經歷全面變暖。海洋吸收了大部分額外熱量,但陸地地下水也作為一個重要的熱匯。在穩(wěn)定的氣候條件下,季節(jié)性的溫度變化通常只能穿透地表下10至20米的深度,以下的溫度一般會隨著深度的增加而上升,符合地熱梯度。然而,由于近期的地表變暖,現有的鉆孔溫度-深度剖面經常顯示出逆變現象,即溫度隨深度的增加而降低,這可以追溯到100米深。這種地表溫度變化對地下水溫度的影響在深鉆孔(例如>300米)的非穩(wěn)態(tài)溫度剖面上有所體現,這些數據被用來評估陸地熱儲存和估計過去的地表溫度變化。
地下水溫度升高的原因
地下水溫度的升高是一個多因素影響的結果。首先,地表溫度的升高直接影響了地下水的熱傳輸。隨著地表熱量的增加,熱量通過土壤和巖石層向下傳遞,導致地下水溫度上升。這種影響在地表附近尤為顯著,因為熱量傳遞主要通過這一區(qū)域發(fā)生。
其次,氣候變化對地下水溫度的影響不容忽視。全球氣候變暖導致降水模式和蒸發(fā)率的改變,進而影響地下水的補給和流動。這些變化不僅改變了地下水的物理特性,還可能引起地下水化學成分的變化,影響水質。
最后,水文地質條件對地下水溫度變化具有調控作用。不同的地質結構,如巖石類型、土壤層厚度以及地下水流路徑,都會影響熱量在地下的傳遞效率和模式。例如,在多孔巖石中,熱量傳遞可能更為迅速,而在致密巖石中則相對緩慢。此外,地下水流動路徑的深淺和方向也會影響其與地表熱量交換的程度,進而影響溫度變化的幅度和速度。
3 研究方法
作者開發(fā)了一個全球尺度的熱量傳輸模型,專注于模擬地下水溫度。這個模型基于熱量的擴散傳輸原理,假設了局部熱平衡。模型使用了來自ERA-5數據集的地面表面溫度時間序列,以及CMIP6項目中的地面表面溫度預測數據。這些數據分別用于分析當前的地下水溫度和預測未來的地下水溫度變化。作者使用了一維熱擴散方程的解析解,來模擬從地表到100米深度的地下溫度變化。這個方程考慮了地表溫度隨時間的階梯式變化。
為了確保模型的初始條件不受先前氣候變化的影響,作者將模型的起始時間設定在1880年,并假設了一個與地熱梯度一致的初始溫度-深度剖面。作者使用了土壤和巖石的熱導率和體積熱容來計算熱擴散率。這些參數是基于不同的土壤類型和巖石類型,并考慮了水分飽和度的影響。為了評估模型的準確性,作者將模型預測的地下水溫度與實際觀測數據進行了比較。這些觀測數據包括多個地點的年度平均地下水溫度和鉆孔溫度-深度剖面。
作者使用了不同的共享社會經濟路徑(SSP)情景來模擬未來地下水溫度的變化,并考慮了不同的排放路徑對未來地下水溫度的影響。研究結果通過一個交互式的Google Earth Engine應用程序來展示,用戶可以通過該應用程序查看不同深度和年份的平均地下水溫度。
4 研究結論與研究建議
作者強調了地下水溫度升高是一個全球性問題,需要全球性的解決方案。通過國際合作和科技創(chuàng)新,可以更好地應對氣候變化帶來的挑戰(zhàn)。研究預測,在中等排放情景下,2000年至2100年間地下水溫度平均上升了2.1°C。此外,研究還指出了區(qū)域性差異,如山區(qū)和凍土地區(qū)的溫度上升速率較低。
文章強調了地下水溫度升高對生態(tài)系統(tǒng)、水質和人類健康的潛在影響。溫度的升高可能會導致地下水中某些有害物質的溶解度增加,影響水質安全,并可能改變地下水生態(tài)系統(tǒng)的生物多樣性。文章討論了地下水溫度升高可能對社會經濟產生的影響,特別是在農業(yè)灌溉、飲用水供應和地熱能開發(fā)等方面。建議開展更多的跨學科研究,以評估這些影響并制定相應的應對措施。
文章提出了對未來研究方向的建議,包括加強地下水溫度監(jiān)測網絡的建設,提高對地下水溫度變化趨勢的認識,以及深入研究地下水溫度變化對不同地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)和水質的具體影響。文章建議政策制定者和管理者應考慮地下水溫度變化對水資源管理的影響,制定適應氣候變化的水資源管理策略,如優(yōu)化地下水和地表水的使用比例,提高水資源利用效率。
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