2023年3月1日，国际顶尖学术期刊《自然》在线发表了地表过程与资源生态国家重点实验室张强教授团队的研究成果“Oceanic climate changes threaten the sustainability of Asia’s water tower”，在亚洲水塔水循环研究中取得重要进展。论文以地表过程与资源生态国家重点实验室为第一署名单位，这是实验室近年来取得的又一重要学术突破。
青藏高原是世界海拔最高的高原，被称为“世界屋脊”、“第三极”。青藏高原及其周边亚洲高山区的季节性冰川融水是亚洲地区水资源的重要来源之一，保障了青藏高原周边亚洲地区约8亿人的生产与生活用水，使其免受水资源短缺的影响。因此，青藏高原的亚洲高山区又被称为亚洲水塔。亚洲快速增长的经济体，如中国、印度、巴基斯坦等国家，承载了全球大多数的人口。稳定持续的水资源供给对于上述地区的社会经济平稳发展与粮食安全，具有至关重要的影响。然而，亚洲水塔区陆地水储量在过去几十年呈持续下降趋势，严重影响了亚洲水塔水资源的供给能力，使其周边区域经济、社会、生态等可持续发展面临严重危机。区域水资源的供需失衡将进一步威胁区域粮食安全和社会政治稳定。作为抗旱水源之一，亚洲水塔季节性的冰川融水有助于缓解下游地区的水资源压力。然而，在全球变暖背景下，亚洲水塔区持续减少的冰川存量将严重威胁亚洲水塔冰川融水供给的可持续性，进而可能会引发一系列不可预测的社会、环境和生态危机。
在气候变暖影响下，亚洲水塔区冰川存量加速消失，将进一步影响区域水资源供给的可持续性，并已引起愈益广泛的关注。值得注意的是，气候变暖对于亚洲水塔区水资源供给可持续性的影响具有显著空间异质性。2000-2019年期间，亚洲高山区的冰川存量损失约占全球每年冰川存量总损失（267 ± 16 Gt）的19%，这导致亚洲高山区陆地水储量显著下降，进一步加剧了印度河和雅鲁藏布江流域的水资源压力及其下游区域的水资源危机。同时，受北大西洋的气象干旱登陆的影响，咸海、伊塞克湖和巴尔喀什等流域也同时发生干旱事件。相比之下，青藏高原三江源地区的降水增加促进了青藏高原中部地区陆地水储量的增加。而其中的水循环机理是一个重大科学问题。
亚洲水塔区水资源系统发生了前所未有的变化，这已成为诸多研究的共识。然而，青藏高原陆地水储量演变具有显著空间异质性，而其背后的水循环影响机理与大气动力学驱动机制尚不明晰。以往研究发现，西风带和印度季风为亚洲高山区提供水汽补给，且1979-2010年观察到的喜马拉雅降水减少和帕米尔高原降水增加分别归因于印度季风减弱和西风带增强。除了水汽输送的功能以外，大气环流仍可作为水汽源地气象干旱传播的载体，这一科学认识已在研究团队于2022年发表在Nature Communications上的研究成果“Drying in the low-latitude Atlantic Ocean contributed to terrestrial water storage depletion across Eurasia”中得到系统阐述。同时，已有研究也视中纬度西风带为亚洲高山区冰川存量降低的潜在驱动因素之一。但值得注意的是，唯独青藏高原中部地区的陆地水储量却呈现出显著的增加趋势。鉴于只有有限的水汽到达青藏高原中部地区，研究团队提出了科学假设，即：青藏高原中部地区陆地水储量的增加可归因于亚洲高山区对西风带传输的PME亏缺的拦阻效应。由于冰川消融为亚洲高山区陆地水储量的主要变化因素，研究团队分析认为，亚洲高山区冰川消融与积雪覆盖面积的变化可能改变了亚洲高山区的热力学条件，进而导致亚洲高山区拦阻效应的变化。
由于亚洲水塔对青藏高原及其周边地区水资源保障具有重大意义，因而引起国内外学者的广泛关注，也取得了一系列重要研究成果。综合已有重要研究，尚有以下问题需进一步解决，即：青藏高原陆地水储量演变空间异质性背后的大气动力学驱动机制尚不明确；2013年后青藏高原中部地区观测到的陆地水储量骤减现象发生背后驱动因子尚不明晰。进一步研究并明晰上述两个尚未解决的科学问题，对于深入理解亚洲水塔陆地水储量的时空特征及驱动机理、探讨亚洲水塔的可持续性具有重大理论与现实意义。
研究结果
张强教授团队在深入剖析亚洲水塔水汽循环过程的基础上，全面量化了青藏高原的大气环流过程，系统解决了亚洲水塔研究中尚未解决的难点问题。研究团队全面论述并阐明了青藏高原陆地水储量演变的空间异质性及其背后的大气动力学机制（图1）。研究结果表明，青藏高原南部亚洲高山区的陆地水储量下降主要是受西风带传输的源自北大西洋东南部降水-蒸发（PME）亏缺的影响。此外，研究团队还通过动力学模拟证实了亚洲高山区阻止了PME亏缺进一步向青藏高原中部地区的传播，进而引发了青藏高原中部地区陆地水储量的增加。
图1 青藏高原陆地水储量空间异质性及驱动机制
研究团队证实了青藏高原中部地区陆地水储量在2013年之后的突然下降归因于亚洲高山区拦阻效应的减弱（图2），发现海洋气候变化引发的亚洲高山区的冰雪消融与陆地水储量亏缺改变该地区的热力学条件，并进一步削弱了亚洲高山区对于源自海洋的PME亏缺的拦阻效应。这导致了2009年以来青藏高原陆地水储量亏缺持续从南部山区向北扩张，进而引发了青藏高原中部地区陆地水储量在2013年之后的突然下降。
图2 青藏高原南部山区陆地水储量亏缺北移过程机理
此外，研究团队进一步预测了青藏高原未来可能受陆地水储量亏缺影响的区域（图3）。该预测模型经历史数据验证，准确率高达75%~91%。在不同气候情景下的预测结果表明青藏高原预计有高达84%（SSP245）或97%（SSP585）的区域在本世纪末受陆地水储量亏缺的影响。这将严重威胁到亚洲主要河流水源供给的可持续性，进而可能会加剧下游地区的水资源危机。
图3 未来不同排放情景下青藏高原南部山区陆地水储量亏缺北移过程预估
地表过程与资源生态国家重点实验室张强教授为论文第一/通讯作者，地理科学学部博士研究生申泽西为论文共同第一/通讯作者。论文合作者还包括密歇根州立大学Yadu Pokhrel 副教授，苏黎世联邦理大学Daniel Farinotti 教授，德州农工大学Vijay P. Singh 教授，奥斯陆大学许崇育教授，核工业北京地质研究院吴文欢高工以及北京师范大学地理科学学部博士研究生王港。该研究主要由国家重点研发计划项目（编号：2019YFA0606900）、国家自然基金委重大研究项目（编号：42041006）、新疆维吾尔自治区寒旱区水资源与生态水利工程研究中心（院士专家工作站）项目（编号：2020.A-003）、美国国家自然科学基金项目（编号：1752729）和瑞士国家科学基金共同资助。