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1 摘要

含水层含有最大的未冻淡水储量，使地下水对地球上的生命至关重要。令人惊讶的是，地下水在时空尺度上对地表变暖的反应知之甚少。作者以扩散热输运为重点，在全球尺度上模拟当前和预测的地下水温度。研究表明，在中等排放路径下，地下水位深处的地下水(不包括永久冻土区)保守预测在2000年至2100年间平均升温2.1摄氏度。然而，由于气候变化和地下水位深度的空间变异，区域浅层地下水变暖模式存在很大差异。最低的比率预计在山区，如安第斯山脉或落基山脉。研究表明，地下水温度的升高会影响河流热状态、地下水依赖生态系统、水生生物地球化学过程、地下水质量和地热潜力。结果表明，按照中等排放路径，到2100年，预计将有7700万至1.88亿人生活在地下水温度超过任何国家设定的最高饮用水温度阈值的地区。

2 研究背景

地下水温度升高的现实

地球的气候系统在温室气体浓度增加的影响下，正在经历全面变暖。海洋吸收了大部分额外热量，但陆地地下水也作为一个重要的热汇。在稳定的气候条件下，季节性的温度变化通常只能穿透地表下10至20米的深度，以下的温度一般会随着深度的增加而上升，符合地热梯度。然而，由于近期的地表变暖，现有的钻孔温度-深度剖面经常显示出逆变现象，即温度随深度的增加而降低，这可以追溯到100米深。这种地表温度变化对地下水温度的影响在深钻孔（例如>300米）的非稳态温度剖面上有所体现，这些数据被用来评估陆地热储存和估计过去的地表温度变化。

地下水温度升高的原因

地下水温度的升高是一个多因素影响的结果。首先，地表温度的升高直接影响了地下水的热传输。随着地表热量的增加，热量通过土壤和岩石层向下传递，导致地下水温度上升。这种影响在地表附近尤为显著，因为热量传递主要通过这一区域发生。

其次，气候变化对地下水温度的影响不容忽视。全球气候变暖导致降水模式和蒸发率的改变，进而影响地下水的补给和流动。这些变化不仅改变了地下水的物理特性，还可能引起地下水化学成分的变化，影响水质。

最后，水文地质条件对地下水温度变化具有调控作用。不同的地质结构，如岩石类型、土壤层厚度以及地下水流路径，都会影响热量在地下的传递效率和模式。例如，在多孔岩石中，热量传递可能更为迅速，而在致密岩石中则相对缓慢。此外，地下水流动路径的深浅和方向也会影响其与地表热量交换的程度，进而影响温度变化的幅度和速度。

3 研究方法

作者开发了一个全球尺度的热量传输模型，专注于模拟地下水温度。这个模型基于热量的扩散传输原理，假设了局部热平衡。模型使用了来自ERA-5数据集的地面表面温度时间序列，以及CMIP6项目中的地面表面温度预测数据。这些数据分别用于分析当前的地下水温度和预测未来的地下水温度变化。作者使用了一维热扩散方程的解析解，来模拟从地表到100米深度的地下温度变化。这个方程考虑了地表温度随时间的阶梯式变化。

为了确保模型的初始条件不受先前气候变化的影响，作者将模型的起始时间设定在1880年，并假设了一个与地热梯度一致的初始温度-深度剖面。作者使用了土壤和岩石的热导率和体积热容来计算热扩散率。这些参数是基于不同的土壤类型和岩石类型，并考虑了水分饱和度的影响。为了评估模型的准确性，作者将模型预测的地下水温度与实际观测数据进行了比较。这些观测数据包括多个地点的年度平均地下水温度和钻孔温度-深度剖面。

作者使用了不同的共享社会经济路径（SSP）情景来模拟未来地下水温度的变化，并考虑了不同的排放路径对未来地下水温度的影响。研究结果通过一个交互式的Google Earth Engine应用程序来展示，用户可以通过该应用程序查看不同深度和年份的平均地下水温度。

4 研究结论与研究建议

作者强调了地下水温度升高是一个全球性问题，需要全球性的解决方案。通过国际合作和科技创新，可以更好地应对气候变化带来的挑战。研究预测，在中等排放情景下，2000年至2100年间地下水温度平均上升了2.1°C。此外，研究还指出了区域性差异，如山区和冻土地区的温度上升速率较低。

文章强调了地下水温度升高对生态系统、水质和人类健康的潜在影响。温度的升高可能会导致地下水中某些有害物质的溶解度增加，影响水质安全，并可能改变地下水生态系统的生物多样性。文章讨论了地下水温度升高可能对社会经济产生的影响，特别是在农业灌溉、饮用水供应和地热能开发等方面。建议开展更多的跨学科研究，以评估这些影响并制定相应的应对措施。

文章提出了对未来研究方向的建议，包括加强地下水温度监测网络的建设，提高对地下水温度变化趋势的认识，以及深入研究地下水温度变化对不同地区生态系统和水质的具体影响。文章建议政策制定者和管理者应考虑地下水温度变化对水资源管理的影响，制定适应气候变化的水资源管理策略，如优化地下水和地表水的使用比例，提高水资源利用效率。