【论文精选】114:气候变化对法国大东部地区地下水补给的长期影响

文摘   2023-05-29 22:30   陕西  

摘要:在本研究中,应用地理信息系统(GIS)程序评估了气候变化对法国大东部地区地下水补给的影响,该分析包括反映长期气候状况的高分辨率气候模型。利用两个参数,De Martonne干旱指数和有效降水量,被组合成一个5×5的矩阵,以评估过去(1990s)、现在(2020s)和未来(2050s)气候变化对地下水补给的影响。结果表明

当前和未来的强烈干旱化和有效降水(<650毫米)的枯竭揭示了气候变化对大东部地区含水层补给的负面影响。

气候影响严重和非常严重的地区将在2020年代和2050年代增加,这些地区主要分布在该地区的西部、中北部和东北部,占据了莱茵河、奥贝河和马恩河流域。

气候变化影响较小的地区主要分布在孚日山脉和阿登山脉。


1.研究区域

  大东部地区位于法国东北部(如图)。大东部地区的中部、北部、南部和东部是高架地区,东南部是沃斯山脉。莱茵河、奥贝河和马恩河是穿越研究区域的主要河流。大东部地区属于温带气候,降水量为500–2000毫米/年,沃斯日山脉的降水量大于2000毫米。



2.数据


2.1气候数据

   气候模型的最终产品得出了15个大气海洋全球气候模型(AOGCMs)的集合平均值,组成CMIP15多模型的5个AOGCM的集合平均值包括CanESM2, CCSM4, INM-CM4, ACCESS1.0,MPI-ESM-LR, GFDL-CM3 和 GISS-E2R等气候模型。

全球气候模型输出应用了变化因子(CF)方法,而不是偏差校正。

2.2 含水层数据     

  在大东部地区,地质由节理和岩溶石灰岩、页岩、砂岩、砾岩、泥灰岩和粘土以及深成岩组成。

2.3
地形数据

     大东部地区的数字高程模型(DEM)显示的海拔高度从51米到1298米不等,其中最高的位于沃斯日山脉。该地区的地形对斜坡的坡度、水流和渗透具有重要影响,而渗透过程受地形的岩性和形态控制。



3.研究指标参数
3.1De Martonne aridity index (IDM)
  IDM对于局部尺度的气候表征和水分评估非常有用提出,通常用于气候学和农业研究。

其中:PP­年平均降水量(mm);T是年平均气温(°C)

下表显示了根据De Martonne1925)划分的气候类型。

3.2 参考蒸发蒸腾量(ETo)

基于温度和降水月数据的网格,使用Thornthwaite(1948)方法计算月ETo和进一步的年度ETo:

其中:ETo为月参考蒸散量(mm);Ti是月平均温度(°C);如果平均值为0,则ETo=0。温度<0;I是热指数(方程式3);α是热指数的复函数(方程4)。

为了在空间尺度上计算ETc(等式5),Kc值被分配给每种土地覆被类型:

其中:ETc是作物蒸散量(毫米);ETo是参考蒸散量(毫米);Kc是作物系数(无量纲)。

注:对于Kc的选取有具体表格参考,因篇幅有限,具体可查原文献。

3.3 作物实际蒸散发

应用了Budyko1974)方法:


AETc为实际土地覆盖蒸散量(mm);PP为年总降水量(mm);是干燥指数:


3.4 可用水量

     根据年降水量和AETc之间的差异,创建了水可用图(公式7)。所有计算均在 ArcGIS 10.5 环境中以高空间分辨率(1 km2):

其中 :WA为可用水量(mm);PP为年总降水量(mm);AETc为实际土地覆盖蒸散量(mm)。

4. 评估气候对地下水补给影响的矩阵方法

  为了评估气候变化对地下水补给的影响,采用5×5矩阵法将IDM与有效降水相结合。这种方法是在NISTOR-CEGW矩阵方法之后采用的,该方法结合了IDM和有效降水,以评估气候变化对地下水资源的影响。

  矩阵的含义表明,IDM值低的地区和有效降水量低的地区代表易受气候变化对其地下水补给影响的地区。


5.研究结果分析

5.1 1990年代、2020年代和2050年代的气候变化

  分析了1961-1990年(1990年代)、2011-2040年(2020年代)和2041-2070年(2050年代)期间的温度、降水和ETo等气候参数。


①考虑到基线气候模型(1990年代),过去一段时间的年平均气温在4.1至10.7°C之间(图a)。

②在同一时期,大东部地区的年平均降水量在568至2,414毫米之间(图d),而年ETo值在392至548毫米之间(图g)。

③年平均气温高(>10°C)和高年平均温度(>500毫米)的地区与莱茵河、马恩河和奥布河谷重叠。在这些地区,年降水量较低(<600毫米)。

④在孚日山脉和阿登山脉,年平均气温和年平均气温较低(分别为<6°C和<400毫米)。

  总体而言,气候变化对法国东北部大东部地区蒸散和有效降水的影响似乎会产生负面影响,主要是对未来时期的影响。


  
5.2 IDM指数的变化

  在 1990 s,指数值范围为 28.57 至 154.91(图  a),而在 2020 s,IDM 范围为 26.74 至 140.31(图  c),而在 2050 年代,指数范围为 24.65 至 133.32(图 e)。


在 2020 s和 2050 s,IDM 下降,表明 21 世纪逐渐干旱化。因此,在2020s、2050s,西部和东南部的一些地区显示为半湿润。在此期间,IDM非常潮湿和非常潮湿等级的地区减少,半湿润等级的面积扩大。这一细节表明该地区存在气候变化的负面影响。



5.3蒸散量和水的可用性变化

  1990年代大东部地区水资源供应变化如图b所示。数值范围为123至1973毫米,表明中南部,东南部和西北部地区的值很高(>1,000毫米)。


在研究区域的中北部和西南部也存在低可用水量。未来模型的结果显示,与过去时期相比,可用水量(<200毫米)的大片区域。图d和f说明了2020年代和2050年代的可用水量。



5.4有效降水的变化

  这些区域,确定了较低的值(< 100毫米)。西部和东部的有效降水量较低,而孚日山脉的有效降水量较低(<100毫米)。在山区,有效降水量在100至200毫米之间,而北部和西北部很少有地区出现高有效降水量(>600毫米)。

①大东部地区的有效降水量为12至637毫米(1990年代),表明该地区的下莱茵省和阿登省的降水量很高(图a)。

②未来,预计研究区的有效降水量将减少。因此,在10年代和600年代,大东部地区的值将在2020至约2050毫米之间,主要在中部和中北部的空间尺度上发生重大变化(图b和c)。






5.5气候变化对地下水补给的影响

  气候的中等影响在大东部地区的中部、中南部和西北部蔓延(1990年代)。气候变化对地下水补给的影响在该区域的北部、西北部、中南部和东南部都很低和很低。这些地区与孚日山脉、阿登高地和上马恩河、孚日和上莱茵省以南的高地重叠。西部和东部,以及大东部地区的中北部,在 2020 年代和 2050 年代经历了更大的气候变化影响。

在过去一段时间(1990年代),气候变化对大东部地区西部、中北部、东北部和东部地下水补给的影响较高(图a)。

当前(2020年代)和未来(2050年代)的时期经历了高效应的适当模式,此外,在西部和东部地区发现了非常高的影响。马恩省、上莱茵省和下莱茵省受气候变化影响最大(图b和c)。

6.结果与讨论


01

研究结果表明,在20世纪20年代,气候变化对莱茵河谷地下水的影响非常大,而在20世纪50年代,莱茵河谷西部和东部的影响明显增加,尤其是在下莱茵省和上莱茵省以及马恩省。

02

这些气候结果与西部和东部地区的年Kc高值(约1.01-1.42)相结合,导致了更高的年ETc。耕地和林区对年ETc和AETc的增加有很大贡献。

03

年ETc、AETc和有效降水量图受土地覆盖格局的影响。2040年的未来情景没有提供一些土地类别的详细列表,例如森林和城市地区。因此,Hercules模型不包括阔叶林和针叶林之间的差异,也不包括许多人工区域之间的差异。

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