如何實時監測十幾億人口的水源地？|Nature評論文章

　　“第三極”是地球上僅次于北極和南極的冰雪儲地。這片區域包括喜馬拉雅山脈、興都庫什山脈和青藏高原，擁有全世界最高的14座山峰和約10萬平方公里的冰川（面積和冰島相當）。其中的融水灌溉了十條大江，包括印度河、雅魯藏布江、恒河、黃河和長江，供養了世界上五分之一的人口。

尼泊爾的Tsho Rolpa山谷，喜馬拉雅冰川融化水的增加使當地社區面臨風險。

來源： Jonas Gratzer/LightRocket/Getty

　　氣候變化正在威脅這片廣袤的凍土（見下圖）。過去50年里，喜馬拉雅山脈和青藏高原上的冰川不斷萎縮。北部天山山脈的冰川質量已經減少了四分之一，到21世紀中葉可能會減少一半。融水擴大了湖泊的面積。

　　和30年前相比，夏初的河流流量峰值提前到來。氣候模式也發生了改變。印度季風變弱了，因此喜馬拉雅山脈和青藏高原南部的降水變少了；而青藏高原西北部和帕米爾高原的降雪和降雨量增加了。

來源：溫度：T. Yao et al. Bull. Am. Meteorol. Soc. (in the press)； 積雪：S. S. P. Shen et al. Theor. Appl. Climatol. 120, 445?453 (2015)； 冰川：ref. 2； 地圖：J. Gao, T. Yao & W. Wang.

　　研究人員仍然不知道這些變化為什么在這片區域內的不同地方區別這么大，也不知道最后的結果會怎么樣。中亞的一些河流，例如匯入咸海的那些，預計會逐漸干涸。而另外一些河流，如恒河上游、布拉馬普特拉河、薩爾溫江以及湄公河，至少在2050年之前都會慢慢上漲。

　　生活在西藏的人們已經感受到冰山崩塌的影響了。2018年10月，雅魯藏布江——布拉馬普特拉河上游源頭——因為山體滑坡而斷流。孟加拉國甚至也因此遭遇了洪水威脅。

　　要更好地管理風險和水資源，就少不了必要的信息，比如哪些冰川融化得最快；降雪的變化和氣候變暖對冰以及河流湖泊水量的增減會產生哪些影響。

　　監控網絡

　　要在這片面積廣、海拔高的偏遠區域監測水循環不是一件易事。若衛星圖片和氣候模型過于粗糙，則無法解析局部變化。

　　因此，這片區域需要一個監測站網，除了跟蹤氣溫、濕度、氣壓、降水和風速這些傳統的氣象變量之外，還需要通過測量水蒸氣中氫和氧的穩定同位素含量來獲得更多關于水循環的數據，這樣就可以幫助我們判斷大氣中的水分來源于何處，這些水分經過了什么過程，比如蒸發或凝結。

　　“第三極環境計劃”（Third Pole Environment）在這方面邁出了第一步。這是一個國際項目，通過與中國科學院青藏高原研究所合作，從2014年開始已設置了11個地面站和系留氣球。該監測網的規模已經超過了北極和南極的類似項目，幾乎占了目前世界上同類監測站的一半。

2018年5月，科學家在珠穆朗瑪峰北側基地營準備系留氣球，用于觀測空氣中的水蒸氣流動。

來源：Yingsi Li

　　但是要做的不止于此。科學家需要更深入地理解第三極復雜的地形和影響降水與融雪的氣候模式及氣候過程之間的關系。水循環必須從三個維度進行追蹤，即地面和空中的液體水、冰和水蒸氣，同時還要監測其變化。計算機模型也需要根據區域具體情況構建，才能做出準確的預測。

　　尚有不知

　　將水蒸氣流引向第三極的是兩種氣候模式——印度季風和盛行西風。印度次大陸在春夏季變暖的時候，大氣對流會將水分從孟加拉灣、阿拉伯海和印度洋吹向北方。這會在喜馬拉雅山脈等地方形成降水。強西風還會將地中海的水分帶到該區域的北部和西部。在這片區域內，土壤中的水分也會蒸發，還會通過植物蒸騰作用產生。

　　我們正是通過監測水中的穩定同位素才發現了這些模式。縱向來看，這些數據揭示了空氣中的水分是如何聚集起來的，又在大氣邊界層經歷了什么樣的過程。這些信息還記錄下了冰川表面和大氣每天變熱、變冷的時候，水分是如何從中釋放到空氣里的。

　　我們現在對這些不同過程在水分平衡里所發揮的作用還缺乏定量的理解；也不清楚水在固、液、氣三相間轉化了多少，對這片區域的水文學又有什么影響。我們對影響冰川的物理過程也不甚了解，例如氣凝膠和表面沉積物對冰的積累和融化有什么影響。我們無法預測有多少融水會進入湖泊和河流中，也不知道濕土是否會增加局部降水。這片區域復雜多變的地形使得這些問題更加難以解答。

　　接下來便是氣候變化。過去幾十年來，來自東亞的西風帶高速氣流在冬季有所增強，而夏季的印度季風則有所減弱。這兩個趨勢會影響降雪的分布，從而影響到反射率（又叫反照率）、能量平衡（進入和離開地球系統的能量差）以及地表的水平衡。

　　人們通過構建全球氣候模型來模擬大氣循環的大尺度特征。但是，這些模型卻難以復現第三極的氣候模式，這就要求使用新的模型和數據進行優化。這片區域里只有0.1%的冰川和湖泊設有監測站。海拔高于5000米的地區連氣象站都很少，更不用說水同位素檢測器了。

科學家在珠穆朗瑪峰附近設置儀器，用以監測大氣水蒸氣中的穩定同位素。

來源：Fei Li

　　下一步

　　第一要務是擴展氣象和同位素監測站網絡。目前已經計劃于年內在第三極再設置20個監測站，增加覆蓋面積；隨著認識的深入，還可能進一步新增監測站。這些監測站是中國泛第三極環境計劃（Pan-TPE）的一部分，其中包含了從挪威到尼泊爾的各個國家的科學家。項目預算為5年14.8億元人民幣，旨在研究第三極、伊朗高原、高加索山脈和喀爾巴阡山脈的環境變化。

　　另一個項目——第二次青藏高原綜合科學考察研究（“青藏科考”）——則會從2019年開始獲得5年43.5億元人民幣，用以研究青藏高原的環境變化。在項目運行的10年里，儀器、人員和維護費用很可能會從每年800萬元人民幣增加到每年1.5億元人民幣左右。

　　大多數監測站會沿著兩根軸線設置。一條是南北向的15個監測站，間隔100-500千米，從熱帶印度洋延伸到孟加拉國和尼泊爾，再到天山山脈。這一條線會監測季風相關的氣候過程。另一條是東西向的，從伊朗高原到中國的黃土高原，設12個監測站，每個間隔200-500千米，用來研究西風帶的影響。河流流域會監測降雪、降雨、冰川融化、湖泊和河流流量，以及冰積物、永久凍土和地下水的水平。

　　海拔、大氣循環和水蒸氣之間的互作會通過三個熱點區域每小時的測量數據進行跟蹤：帕米爾山脈（以西風帶為主），喜馬拉雅山脈（受印度季風影響）和橫斷山脈（東亞季風盛行）。每個站點都會建立海拔相差200米的10個站點。

　　設置和維護這一監測網相當具有挑戰性。必須保證設備穩健，并且應采用最新技術，包括高速激光同位素光譜法測量儀和高分辨率光學雷達系統。必須定期校準儀器，訓練200名以上的專業人員來執行操作。

　　第二要務是共享數據，將數據納入全球或地區氣候模型之中。需要為第三極開發新一代的地球系統模型，其中需要包含大氣圈、冰凍圈、水圈和生態圈。模型應當能在超高分辨率下計算交互，并涵蓋水的穩定同位素、氣溶膠和生物地球化學循環。

　　除此之外，還應當計算不同的人類活動和氣候政策場景的區域性影響，比如涉及溫室氣體排放、氣溶膠、土地使用方式變化和水資源管理；還需要量化河川徑流變化和水質變化。此類模型可以指導區域性政策的制定，以應對氣候變化，保護和恢復生態系統及生態系統服務，保護生態多樣性。

　　從氣候學到社會科學，全球不同學科領域的科學家必須通力合作。當地居民的需求必須放在首要位置。研究人員應當幫助公眾理解氣候和環境正在發生的變化，讓他們能夠制定相關策略來控制風險，做出適應調整。例如，2016年西藏西部阿魯冰川崩塌時，正是科學家做出的評估讓當地政府得以建立一套危險預警體系，并轉移了有危險的當地居民。

　　全球變暖的影響已經波及第三極，而科學必須走在保護環境的前沿。