题目：Snowfall Replenishes Groundwater Loss in the Great Basin of the Western United States, but Cannot Compensate for Increasing Aridification
期刊：Geophysical Research Letters
01 研究背景
自1999年以来，美国西南部面临长期干旱，其特征是气温显著升高及降雪量明显减少。随着气温的持续上升，不仅降雪量有所下降，积雪覆盖的天数也相应缩短。同时，湖泊和水库的水位也出现了不同程度的下降。这些变化迫使该地区不得不增加对地下水的依赖，以满足农业灌溉及其他生活生产活动的需求。由GRACE/FO卫星总储水量（TWS，terrestrial water storage）监测结果发现，美国西部大盆地（GB，Great Basin）的地下水损失正在加速。TWS由地下水、地表水、冰雪、土壤水分和大气中的水蒸气组成，其中，降雪与地下水是构成GB地区TWS的关键因素。然而，以往的研究中对雪量变化引起的TWS变化理解有限，不利于准确的水资源管理决策。
基于此，Dorothy K. Hall等人（2024）使用了2002-2023年的GSFC GRACE/FO标准月度数据集、GSFC高分辨率趋势数据集、中分辨率成像光谱仪（MODIS）的标准数据产品以及雪量的替代指标：月平均雪水当量、每月积雪天数以及月平均积雪深度，系统分析了21世纪特大干旱期间GB区域的月尺度和十年尺度的雪量变化与TWS之间的关系，为GB区域的水资源管理提供了科学依据。
02 研究数据和方法
2.1 研究区概况
该研究区域为美国西部大盆地，位于美国西部的封闭盆地（图1）。虽然大部分水在冬季通过降雪进入GB，但融雪形成的水几乎完全通过蒸发、升华和消耗性用水离开。雪和地下水是干旱或半干旱的GB地区TWS的主要组成部分。
图1 研究区位置
2.2 基础数据
该研究使用了空间分辨率为300-500km的RL6v02 GSFC GRACE/FO标准月度数据集和分辨率为110km的新型GSFC高分辨率年度趋势数据集。所有数据产品都插值为500m分辨率网格。基于这些插值后的网格数据，研究计算了2002年4月至2023年9月厘米级水当量（CMWE，centimeters of water equivalent）的变化和趋势，并进一步利用CMWE数据计算了研究区域内的TWS：
式中，mascon cell area in km2为研究区每个网格的面积，单位为km2；CMWE trend converted from am/yr to km/yr为单位由cm/yr转换为km/yr的CMWE趋势数据；number of years为研究期的年限；pencentage/100 of the mascon cell in basin为每个网格在GB区域所占面积的百分比。
MODIS标准数据产品提供了250m、500m或1km分辨率的全球地球地图，并自2000年初以来被广泛用于绘制地球物理变化。本研究中使用了Terra卫星上MODIS传感器的日积雪覆盖范围和地表温度（LST，Land Surface Temperature）数据。
此外，该研究还根据RL06/1v03数据集和RL06.2数据集计算了大气环流月度趋势。
2.3 雪量变化
由于无法直接测量整个GB范围内的雪量，该研究使用了三个替代指标：（1）积雪数据同化系统（SNODAS）的月平均雪水当量（SWE，snow-water equivalent）；（2）由MOD10A1F得出的每月积雪天数；（3）气象站和雪地遥测站（SNOTEL）的月平均积雪深度。假定在单个站点位置的雪深测量是准确的，但由于站点分布的密集程度不同，可能无法提供GB中具有代表性的平均值（图2）。此外，站点可能优先位于山谷中，而不是位于山峰上，因此在雪深测量中存在负偏差。尽管存在一些不确定性，但这三种替代指标在反应降雪峰值时间和相对降雪量方面总体上保持了一致性（图3，表1）。
SWE数据来自美国国家海洋和大气管理局（NOAA）的SNODAS模型。该研究根据每日SWE数据，计算了GB范围内的SWE月平均值。研究使用了MOD10A1F产品来绘制GB的积雪地图。在每个丰水年（WY，water year）的第1-182天内计算每月积雪覆盖天数。积雪深度来源于NOAA数据和SNOTEL站点数据。研究根据以下标准选择了GB范围内的89个观测站：（1）在2002年4月-2023年9月的研究期内，观测站至少有22年具有雪深数据；（2）研究期间至少75%的时间内观测站具有每日雪深测量数据（图2）。在两个条件都满足的观测站中，雪深与降雪趋势高度相关。由于雪深数据更加稳定，本研究中选择雪深作为雪量变化的指标，并根据每日雪深数据计算了月平均雪深。
图2 观测站分布地图。
图3 2003年11月至2023年5月三个替代指标之间的对应关系。为了增强指标对比，将月SWE值除以1000，月雪深值除以100。
表1 三个替代指标的皮尔逊相关系数（R）
2.4 LST变化
本研究基于MODIS衍生的MOD21A1D（日间）数据集和MOD21A1N（夜间）数据集，计算了2003-2023丰水年GB区域的LST趋势。研究对每天白天和夜间的地表温度值进行了平均，以得到每个网格单元的平均日地表温度。在此基础上，进一步计算了月平均地表温度和地表温度趋势。为填补由于云层和仪器短暂停机时间造成的MODIS数据空白，研究使用了三次样条函数插值方法来绘制GB的LST趋势图。
03 主要发现
3.1 GB区域的TWS变化趋势
由GSFC高分辨率数据集绘制的CMWE趋势图显示，TWS在研究期内呈下降趋势（图4）。加州西南部的中央山谷有一个下降的“热点”，内华达山脉的东塞拉利昂子区域也有急剧下降的趋势（图5）。TWS的损失率在GB西南部最大，东北部最小，且在2012年后损失率增大（图5b、5c、6）。
图4 由GSFC标准月数据集得到的2002年4月至2023年9月CMWE趋势图。颜色代表偏离2002年CMWE基准值的情况。黑色实线包围的区域分别为GB、东塞拉利昂子区域和大盐湖盆地子区域。
图5 由GSFC高分辨率趋势数据集得到的不同时间段的CMWE趋势图：（a）2002-2023年；（b）2002-2011年；（c）2012-2023年。颜色代表偏离2002年CMWE基准值的情况。黑色实线包围的区域分别为GB、东塞拉利昂子区域和大盐湖盆地子区域。
图6 由从GSFC标准数据集得到的2002年4月至2023年9月CMWE偏离2002年基准值的情况：（a）GB；（b）东塞拉利昂子区域；（c）大盐湖盆地子区域。总不确定性（阴影区域）是根据泄漏趋势得出的（Loomis et al 2021）。
通过GSFC GRACE/FO月度数据集分析得，整个GB范围内的TWS损失量为89.3km3（4.2km3/yr）（图4）。同一时期，由GSFC高分辨率数据集得出的GB区域TWS损失量为68.7km3（3.2km3/yr）（图5a）。由此可见，高分辨率数据集通过减少中央山谷中的信号泄漏，更准确地获得了TWS变化总量和变化率。另外，在研究期的后半段，东塞拉利昂子区域的TWS下降的速度明显（图4-6）。去除季节性积雪影响后，进一步得出了GB区域内地下水下降趋势（图6）。大气环流月度趋势也显示出了相似的变化趋势，但变化幅度有所不同（图7）。根据高分辨率气象趋势数据得出的TWS减少量为68.7km3，是米德湖水库当前（2023年12月）水量的6倍多（图8）。
图7 2002年4月至2023年5月，基于三种数据来源计算的CMWE与2002年CMWE基准值的偏差。黑色：GSFC；红色：RL06/1v03；绿色：RL06.2。
图8 根据GSFC高分辨率趋势数据得出的2002-2023年TWS的变化量与米德湖水库自1937年以来的最大变化量、当前变化量的比较。
3.2 雪量变化与TWS变化
该研究将由GSFC标准月度趋势数据得到的月CMWE数据与月度降雪数据进行了对比分析（图9）。尽管降雪量较大的年份（如2011年、2017年、2019年和2023年）减小了研究区TWS下降幅度，但在整个研究期内TWS仍然呈下降趋势（图6a）。月度CMWE数据减去月平均雪深数据后的结果同样显示出该下降趋势（图9）。此外，与月度CMWE近似峰值相比，月平均雪深峰值存在约20天的滞后。
尽管GB境内的积雪存在较大的年际波动，但在2022-2023年（WY 2023）冬季之前的研究期内，三个雪量替代指标中有两个显示出下降趋势。从2002-2022年，月平均雪深减少了约81mm。若将WY 2023计算在内，2002年至2023年的月平均雪深减少了约10mm。MODIS日积雪图显示，在纳入WY 2023之前，GB的积雪量明显减少（图10）。WY 2023的积雪量是加州有记录以来最大的积雪量之一，内华达山脉南部的许多地区的积雪量超过了正常水平的200%。
图9 2003-2023年GB区域的月CMWE（去除了CMWE的下降趋势，以增强这一关系的可视化）和月平均雪深。为了CMWE与积雪深度单位匹配，积雪深度以毫米为单位且除以10。
图10 根据MODIS MOD10A1F积雪产品得出的大盆地积雪覆盖天数的变化:a）WY2003-2022;b）WY 2003-2023。红色表示积雪覆盖天数减少的趋势，蓝色表示积雪覆盖天数增加的趋势。
3.3 LST变化
在过去的几十年里，美国西部的空气和地表温度一直在上升，这导致了提前融雪和包括GB境内末端湖泊干旱在内的诸多干旱事件。从2003-2023年以来，GB的平均日地表温度上升了1.64°C（图11）。
图11 根据OD21A1D和MOD21A1N产品得出的2003-2023年GB昼夜平均LST。
04 主要结论
1.2002-2023年，GB区域内TWS呈现减少趋势，其中中央山谷和东塞拉利昂子区域的减少趋势尤为显著。空间分布上，西南部区域的TWS减少量较大，而东北部区域的减少量较小。自2012年起，整个研究区的TWS减少趋势有所加剧。
2.在研究期内，根据GSFC GRACE/FO月度数据集，GB区域TWS损失量为89.3km3，而通过GSFC高分辨率数据集分析得出的TWS损失量为68.7km3。
3.降雪量较大的年份减小了研究区TWS下降幅度，但在整个研究期内TWS仍然呈下降趋势。与月度CMWE近似峰值相比，月平均雪深峰值存在约20天的滞后。
05 引发思考
本研究基于2002-2023年的GRACE/FO标准月度数据集和GSFC高分辨率年度趋势数据集，分析了GB区域的TWS总体变化情况，并探讨了月度和十年尺度雪量变化情况与TWS变化情况的关系。研究结果显示，在特定年份，极端降雪事件可能暂时缓解了TWS的下降速率，但从长远角度来看，此类事件并未对GB区域的TWS产生显著性影响。这一发现不仅加深了我们对气候变化背景下水文循环机制的理解，也为未来水资源管理政策的制定提供了重要参考。
编者注
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原文出处
Hall, D.K., Loomis, B.D., DiGirolamo, N.E., Forman, B.A., 2024. Snowfall Replenishes Groundwater Loss in the Great Basin of the Western United States, but Cannot Compensate for Increasing Aridification. Geophys. Res. Lett. 51, e2023GL107913. https://doi.org/10.1029/2023GL107913
参考文献
Loomis, B.D., Felikson, D., Terence, J., Sabaka, Medley, B., 2021. High-Spatial-Resolution Mass Rates From GRACE and GRACE-FO: Global and Ice Sheet Analyses. J. Geophys. ReasearchSolid Earth. https://doi.org/10.1029/2021JB023024
文字来源：胡文杰
图片来源：https://agupubs.onlinelibrary.wiley.com
编辑：胡文杰
审核：谷天顺 李良伟
