地球科学

行星的水塔在压力下

位于高海拔的天然水储备为近20亿人提供了水。随着全球变暖和人口的增长,它们将如何发展?有缺水的威胁吗?为了找出答案,科学家们直接在野外或通过卫星将其观测值相乘,并完善其模型。

沃尔特·伊默泽尔 对于科学N°521
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在一个帐篷内,海拔5300米,夜晚漫长。晚上8点左右, 达巴特是尼泊尔的一种传统大米和扁豆菜肴,我们的Yala冰川探险队的十个人躲在我们临时营地小帐篷内的睡袋里避难。很难入睡,因为心脏经常因猛击而对高度引起的缺氧做出反应。这就是为什么我经常在晚上花很多时间听雪崩的隆隆声或冰裂的声音,同时又想知道是否应该从睡袋里出来出去放松一下自己,并回顾一下。 。太阳升起后,营地恢复了生机,我们正沿着冰川的陡坡上山,在海拔5,600米的地方安装测量设备。

我的团队包括来自尼泊尔国际山区综合开发中心的同事,每年两次带领他们前往这些地区,即郎塘谷流域。我们在大本营和高海拔地区建立的自动气象站可测量降水,积雪深度,辐射,温度,相对湿度和风。它们使郎塘谷成为亚洲受到最佳监视的高海拔流域之一。每隔六个月,我们将访问气象站,以确保维护测量仪器并检索其数据:由于缺少蜂窝网络,并且由于地形而导致的卫星信号接收不佳,因此无法进行遥测。在执行此任务期间,我们将在冰上三米高处固定一个金属框架,然后安装传感器,该传感器将通过测量空气温度和空气量来连续测量冰或雪的升华(冰直接转化为水蒸气)。每秒含有十次水蒸气。

这些考察活动有助于我们收集必要的信息,以更好地了解高海拔地区的水循环:雪落在山顶上,逐渐形成冰川,冰川缓慢向下游流动。释放后,水流到河流,这些河流为海拔高的人口,森林,梯田文化,山谷底部的农田等提供了养料,然后才到达平原的大城市和工业区。

当我们开始研究时,对高原水循环的了解还很少。我们不知道有多少水来自雨水或雪,多少冰川积雪,或通过融化释放水。此外,我们不明白为什么覆盖着侵蚀的岩石碎片的黑色冰川融化的速度与白色冰川一样快。我们需要弄清山区水循环的所有这些方面,以便根据一年中的时间来估算从积雪和冰川中逸出的水量,并确定这些水流将来如何变化。

位于海拔5300米的亚拉冰川大本营是每两年一次探险的起点,该探险队安装设备并从散布在山区的测量仪器中收集数据。

©沃尔特·伊默泽尔(Walter Immerzeel)

研究人员正在尼泊尔喜马拉雅山的亚拉冰川上建立一个海拔5600米的气象站,以测量积雪和融雪。融化的水向下滴流,并向不断增长的河流供水,这些河流在通往恒河三角洲和孟加拉湾的途中,为水力发电大坝,灌溉作物和向数百万人供水提供了水。

©乌斯马尔·赫勒曼(Usmar Helleman)

Lang塘谷形成了一个小的分水岭,流失了许多峰顶和冰川。从这个分水岭涌出的Trishuli河,为最近在中坡修建的几座水坝和下游的灌溉土地供水。它的水流向恒河三角洲数百公里,该恒河三角洲向印度约4亿人口供水,然后排入印度东部的孟加拉湾。喜马拉雅山拥有成百上千个与郎塘相当的流域。

在其他山脉,如阿尔卑斯山,安第斯山脉或落基山脉,蓄水和径流的动态相同。我们的研究首次于2019年12月在线发表,然后在期刊上发表 自然,从中国塔里木盆地到秘鲁拉普纳山区的78个“天然水塔”,提供了全世界将近20亿人使用的大部分淡水。数值模型表明,气候变化可能威胁这些重要来源。流动的水量取决于空气中的颗粒分布,这些颗粒会引起云的形成,降水机制,土地和冰川上的积雪,融雪和冰川,这在很大程度上取决于气温。但是,与气候变化和可持续发展有关的大多数政策都忽视了山区水资源的作用。但是,既然我们已经系统地研究了地球上的主要自然水塔,情况可能会发生变化。

恒河三角洲

融化的水向下滴流,并向不断增长的河流供水,这些河流在通往恒河三角洲和孟加拉湾的途中,为水力发电大坝,灌溉作物和向数百万人供水提供了水。

©制图专家

季风的主导作用

山脉的功能就像水塔,因为在高海拔地区降雨和降雪比平原多,但大部分水都以固体形式暂时存储在那里。由于冰雪缓慢而稳定地融化,因此它们是可靠且可预测的来源,可以缓解干旱的影响。

因此,尼泊尔山区储存的水对于生活在其下的人们至关重要。大部分来自季风,六月和九月之间的季风提供了喜马拉雅山脉年降水量的70%至80%。结合气象模型,我们各站的数据揭示了季风与浮雕之间的相互作用。即使在像郎塘这样的小流域中,从东到西都是一个山谷,各地的降雨也大不相同。在进入山谷的大部分温暖潮湿的空气中,在海拔约1350米的山谷起点与海拔2480米的Lama Hotel村之间降雨。我们在这里测量的年降水量约为2500毫米,这使Lama Hotel成为山谷中最潮湿的地方。海拔3900米,向东仅15公里的Kyanjin每年仅接收800毫米的水:尽管距离很近,但接收的水却少了三倍。

山的位置和形状会产生其他局部影响。如果从Kyanjin攀登到位于5300米处的Yala冰川,则降水将再次增加,平均增加40%。所有各种本地或山谷范围的过程都会影响该地区的降雨和降雪分布。因此,例如,如果大部分时间在低海拔地区下雨或大部分在高雪地区下雪,那么在山谷下游随时间推移观察到的河流流量将大不相同。

研究人员,包括作者 (在金属结构上的蓝色外套中),还必须维护经受极端条件的传感器。

©乌斯马尔·赫勒曼(Usmar Helleman)

为了了解天然水塔的动态,我们特别研究了亚拉冰川附近积雪的动态。该地幔中存在的水量(我们称为“雪的水当量”)取决于降雪量,然后取决于风如何分配这些雪,使其融化,重新冻结和升华。安装在我们大本营海拔5300米的测量仪器使估算和量化这些过程中的大多数成为可能。那里的条件可能很严峻:极端的寒冷已经导致电池爆炸,强风已经损坏了传感器,雪崩有时会击倒其安装结构。

在喜马拉雅冬季常见的寒冷,晴天,大风和干燥条件下发生的湍流过程,升华的测量尤其棘手。诸如我们在5600米高处安装的仪器,使我们能够根据湿度和气温的变化对其进行量化。我们发现,在暴露于风的地方,大约21%的积雪永远不会流到河流中,而是在大气中升华。这表明即使在远低于0°C的温度下,积雪也可能收缩。

我们还发现,当气温低于零雪两米时,其表面有足够的能量将其融化。该能量由表面和大气发射的短波太阳辐射,长波(红外)辐射以及湍流提供。有趣的现象也发生在积雪内部:至少有30%的雪在白天变成液态水,因此会冻结一整夜。积雪的融化需要比仅考虑其质量才能计算出的能量多得多的能量。

我们还在雪上安装了一个仪器,用于测量下层岩石自然发出的伽马辐射。雪对这种辐射的衰减使得可以近似估计积雪堆中存储的水量。

有时我们会以意想不到的方式收集数据。大约八年前,一位在塔斯马尼亚州工作的同事在无人驾驶飞机上滑过无人机,因此收集了有关所涉岩石量及其移动速度的有趣信息。我们意识到,同样的方法可以为我们提供覆盖有岩石碎片的冰川数据,这些岩石特别难以接近。是在2013年,我们在Kyanjin上方的冰舌上飞过了第一架无人机。

无人机从不同角度拍摄了数百张该冰川的照片,部分重叠。然后,软件使用它们以十厘米的出色分辨率确定冰面的浮雕。通过每六个月左右重复这些调查直到2019年,我们发现冰川每年变薄约80厘米,而冰川的前缘后退约40米。而且,几乎没有冰块流失。不久,这种冷的物质将不再被视为冰川,而是被当作浪费冰块的舌头,就像停车场尽头的一堆脏雪一样。

从理论上讲,覆盖有碎屑作为隔热材料的冰川在相同高度下的融化速度要比白色冰川慢得多。但是,我们已经确定了此类黑色冰川表面上的奇异区域,这会放大冰川的质量损失,因为那里的融化增加了。我们永远不会在分辨率太低的卫星图像上识别出它们。我们在模型中将所有这些拼图组合在一起,以估计河流中将流多少水。但是,在我们可以预测流量将如何变化之前,我们需要知道当今河流中载有多少水。

流的级别不足以确定其流。为此,我们需要“额定曲线”,它给出了水位与所考虑的河流流量之间的关系。该曲线应足够完整,以指示季风期间的高流量和冬季的低流量。

在这方面获得可靠的数据绝非易事。我们可以使用置于钢管河底的压力传感器,也可以使用安装在水面上方几米处的雷达液位传感器。我们还可以通过以下方法来测量流量:将已知量的盐撒到河中的某个点,然后测量下游几十米处水的电导率的增加。即使条件比在Yala冰川统治下要困难的多,在季风期间也会发生,洪水冲走了我们的测量设备。尽管存在这些困难,但经过多年的努力,今天我们对流入河流的水量有了一个很好的认识。

©资料来源:W. W. Immerzeel等人,《自然》,第577,2020年1月

因此,几年来,我们一直将在喜马拉雅流域上获得的结果整合到一个模型中,该模型描述了喜马拉雅河中水流所依赖的所有过程。其他研究人员也在世界其他山区做同样的事情。例如,有大数据集可用于阿尔卑斯山和安第斯山脉。自从加德满都大学和特里布万大学的研究人员在安纳布尔纳峰和珠穆朗玛峰地块的更高集水区收集数据以来,人们对喜马拉雅山正在发生的事情的了解正在增加。此外,在预测时必须考虑到气候变化的影响,例如,由于与云层形成,湿度和反照率(表面反射力)降低有关的大气反馈,山脉的升温速度比平原快。由于减少了积雪。 1.5摄氏度的全球变暖将意味着喜马拉雅山脉的2.1摄氏度的变暖。

识别和分类地球上的大型水塔

除了研究郎塘流域以外,我的团队还对全球范围内的水文进行了模拟,以量化河流的供水量。在2020年发表的这项工作中,我们提出了世界范围内的天然山区水库的分类。如果水库中有丰富的冰川,积雪或湖泊,并且能为下游的大量居民提供支持,我们认为它是“重要的”。其中最重要的天然水塔是科罗拉多州,加拿大西部的弗雷泽河,阿根廷的里奥内格罗,以及供应莱茵河和大埔的阿尔卑斯山的水塔。

这种广泛的模型表明,亚洲分水岭是地球上最重要的河流,亚洲分水岭为诸如阿姆达拉河和印度河等大型河流提供水源。它们也是最脆弱的国家:模型预测这些地区的变暖率很高,以及它们的人口和经济快速增长,这将大大增加水的需求。到本世纪中叶,预计平均水供应量不会下降,部分原因是季风降雨增加,但长期预测却很严峻。我们预测,到本世纪末,除非人类大幅度减少其温室气体排放量,否则将损失50至60%的冰。

在短期内,亚洲这些地区的居民面临的最大挑战将是应对河流政权的变化和自然灾害。在某些流域,融雪可能比以前提前几周开始,迫使农民改种作物或推迟播种。积雪强度较小,则缓冲作用将更为有限。因此,在世界上每年已经遭受洪灾严重的地区,河流的水位有望提高。

山区的极端降雨还会引起更多的山体滑坡,特别是在季风期间。融化的增加使冰川湖充满了边缘,当堤坝的冰ora坝让位给水的压力时,造成了灾难性的洪水。在过去的二十年中,雪崩,山崩和山洪等自然灾害夺去了数千人的生命,并造成数十亿欧元的财产损失。未来极端降水和变暖的增加将加剧这些风险。随着越来越多的人口在越来越高的高度建造城市和水力发电大坝,破坏还将成倍增加。

尽管这些总体趋势很明显,但仍需详细研究每个地区,以便向其居民提供相关信息。连接东帕米尔和喀喇昆仑山脉与昆仑山脉西部的中亚部分异常。冰川在那里稳定,甚至在生长,这在地球上其他任何地方都很少见。去年收集的数据表明,塔里木盆地附近的农业活动和灌溉业的发展可能发挥了作用。取自地下水和泉水以灌溉田地的水蒸发到大气中。作物的蒸散作用进一步增加了大气的湿度。而且这些水蒸气凝结在山上,形成积雪。这再次说明了人类活动如何改变生态系统。

山区有什么政策?

对高海拔水循环的研究已经提高了人们对山水对全世界数十亿人的重要性的认识。当局应立即采取行动以保存它。

第一步是将山脉纳入有关保护地球自然资源的大型讨论中。在地方一级,当局可以建立国家公园以保护高山免受开发。他们可以制定减少污染和烟尘排放的政策,以减少空气中颗粒物的数量。他们还可以建造水库来储存春季雨水或积雪融化的水-只要他们分析这种结构对水文和生态系统的影响。郎塘谷就是一个很好的例子。两年前,山谷中最高的村庄没有电。然后,在一个非政府组织的帮助下,村民们修建了一座水力发电站,现在为他们提供电力和互联网接入。

邻国可以共同努力减少用水需求,并规范跨界河流的取水量。从兴都库什山到喜马拉雅山这八个国家的部长在2020年10月以身作则:在一次山峰会议上,他们书面承诺利用科学来改善山区政策,听取该地区非常不同的人口并与之交谈在国际谈判中发出一种声音。阿富汗,孟加拉国,不丹,中国,印度,缅甸,尼泊尔和巴基斯坦的数百万人的供水取决于从喜马拉雅山的兴都库什山脉延伸的巨大山脉。但是,降雨制度和农业产量已经发生了变化。

这个星球的高峰正在迅速变化。在接下来的几十年中,许多平原居民将不得不适应更极端的天气条件,更大的自然灾害和水资源变化。研究人员,工程师和政治当局必须齐心协力并立即采取行动,以确保山区水资源可持续发展,并确保子孙后代继续从中受益。

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