如何实时监测十几亿人口的水源地？|Nature评论文章
“第三极”是地球上仅次于北极和南极的冰雪储地。这片区域包括喜马拉雅山脉、兴都库什山脉和青藏高原，拥有全世界最高的14座山峰和约10万平方公里的冰川（面积和冰岛相当）。其中的融水灌溉了十条大江，包括印度河、雅鲁藏布江、恒河、黄河和长江，供养了世界上五分之一的人口。
尼泊尔的Tsho Rolpa山谷，喜马拉雅冰川融化水的增加使当地社区面临风险。
来源： Jonas Gratzer/LightRocket/Getty
气候变化正在威胁这片广袤的冻土（见下图）。过去50年里，喜马拉雅山脉和青藏高原上的冰川不断萎缩。北部天山山脉的冰川质量已经减少了四分之一，到21世纪中叶可能会减少一半。融水扩大了湖泊的面积。
和30年前相比，夏初的河流流量峰值提前到来。气候模式也发生了改变。印度季风变弱了，因此喜马拉雅山脉和青藏高原南部的降水变少了；而青藏高原西北部和帕米尔高原的降雪和降雨量增加了。
来源：温度：T. Yao et al. Bull. Am. Meteorol. Soc. (in the press)； 积雪：S. S. P. Shen et al. Theor. Appl. Climatol. 120, 445−453 (2015)； 冰川：ref. 2； 地图：J. Gao, T. Yao & W. Wang.
研究人员仍然不知道这些变化为什么在这片区域内的不同地方区别这么大，也不知道最后的结果会怎么样。中亚的一些河流，例如汇入咸海的那些，预计会逐渐干涸。而另外一些河流，如恒河上游、布拉马普特拉河、萨尔温江以及湄公河，至少在2050年之前都会慢慢上涨。
生活在西藏的人们已经感受到冰山崩塌的影响了。2018年10月，雅鲁藏布江——布拉马普特拉河上游源头——因为山体滑坡而断流。孟加拉国甚至也因此遭遇了洪水威胁。
要更好地管理风险和水资源，就少不了必要的信息，比如哪些冰川融化得最快；降雪的变化和气候变暖对冰以及河流湖泊水量的增减会产生哪些影响。
监控网络
要在这片面积广、海拔高的偏远区域监测水循环不是一件易事。若卫星图片和气候模型过于粗糙，则无法解析局部变化。
因此，这片区域需要一个监测站网，除了跟踪气温、湿度、气压、降水和风速这些传统的气象变量之外，还需要通过测量水蒸气中氢和氧的稳定同位素含量来获得更多关于水循环的数据，这样就可以帮助我们判断大气中的水分来源于何处，这些水分经过了什么过程，比如蒸发或凝结。
“第三极环境计划”（Third Pole Environment）在这方面迈出了第一步。这是一个国际项目，通过与中国科学院青藏高原研究所合作，从2014年开始已设置了11个地面站和系留气球。该监测网的规模已经超过了北极和南极的类似项目，几乎占了目前世界上同类监测站的一半。
2018年5月，科学家在珠穆朗玛峰北侧基地营准备系留气球，用于观测空气中的水蒸气流动。
来源：Yingsi Li
但是要做的不止于此。科学家需要更深入地理解第三极复杂的地形和影响降水与融雪的气候模式及气候过程之间的关系。水循环必须从三个维度进行追踪，即地面和空中的液体水、冰和水蒸气，同时还要监测其变化。计算机模型也需要根据区域具体情况构建，才能做出准确的预测。
尚有不知
将水蒸气流引向第三极的是两种气候模式——印度季风和盛行西风。印度次大陆在春夏季变暖的时候，大气对流会将水分从孟加拉湾、阿拉伯海和印度洋吹向北方。这会在喜马拉雅山脉等地方形成降水。强西风还会将地中海的水分带到该区域的北部和西部。在这片区域内，土壤中的水分也会蒸发，还会通过植物蒸腾作用产生。
我们正是通过监测水中的稳定同位素才发现了这些模式。纵向来看，这些数据揭示了空气中的水分是如何聚集起来的，又在大气边界层经历了什么样的过程。这些信息还记录下了冰川表面和大气每天变热、变冷的时候，水分是如何从中释放到空气里的。
我们现在对这些不同过程在水分平衡里所发挥的作用还缺乏定量的理解；也不清楚水在固、液、气三相间转化了多少，对这片区域的水文学又有什么影响。我们对影响冰川的物理过程也不甚了解，例如气凝胶和表面沉积物对冰的积累和融化有什么影响。我们无法预测有多少融水会进入湖泊和河流中，也不知道湿土是否会增加局部降水。这片区域复杂多变的地形使得这些问题更加难以解答。
接下来便是气候变化。过去几十年来，来自东亚的西风带高速气流在冬季有所增强，而夏季的印度季风则有所减弱。这两个趋势会影响降雪的分布，从而影响到反射率（又叫反照率）、能量平衡（进入和离开地球系统的能量差）以及地表的水平衡。
人们通过构建全球气候模型来模拟大气循环的大尺度特征。但是，这些模型却难以复现第三极的气候模式，这就要求使用新的模型和数据进行优化。这片区域里只有0.1%的冰川和湖泊设有监测站。海拔高于5000米的地区连气象站都很少，更不用说水同位素检测器了。
科学家在珠穆朗玛峰附近设置仪器，用以监测大气水蒸气中的稳定同位素。
来源：Fei Li
下一步
第一要务是扩展气象和同位素监测站网络。目前已经计划于年内在第三极再设置20个监测站，增加覆盖面积；随着认识的深入，还可能进一步新增监测站。这些监测站是中国泛第三极环境计划（Pan-TPE）的一部分，其中包含了从挪威到尼泊尔的各个国家的科学家。项目预算为5年14.8亿元人民币，旨在研究第三极、伊朗高原、高加索山脉和喀尔巴阡山脉的环境变化。
另一个项目——第二次青藏高原综合科学考察研究（“青藏科考”）——则会从2019年开始获得5年43.5亿元人民币，用以研究青藏高原的环境变化。在项目运行的10年里，仪器、人员和维护费用很可能会从每年800万元人民币增加到每年1.5亿元人民币左右。
大多数监测站会沿着两根轴线设置。一条是南北向的15个监测站，间隔100-500千米，从热带印度洋延伸到孟加拉国和尼泊尔，再到天山山脉。这一条线会监测季风相关的气候过程。另一条是东西向的，从伊朗高原到中国的黄土高原，设12个监测站，每个间隔200-500千米，用来研究西风带的影响。河流流域会监测降雪、降雨、冰川融化、湖泊和河流流量，以及冰积物、永久冻土和地下水的水平。
海拔、大气循环和水蒸气之间的互作会通过三个热点区域每小时的测量数据进行跟踪：帕米尔山脉（以西风带为主），喜马拉雅山脉（受印度季风影响）和横断山脉（东亚季风盛行）。每个站点都会建立海拔相差200米的10个站点。
设置和维护这一监测网相当具有挑战性。必须保证设备稳健，并且应采用最新技术，包括高速激光同位素光谱法测量仪和高分辨率光学雷达系统。必须定期校准仪器，训练200名以上的专业人员来执行操作。
第二要务是共享数据，将数据纳入全球或地区气候模型之中。需要为第三极开发新一代的地球系统模型，其中需要包含大气圈、冰冻圈、水圈和生态圈。模型应当能在超高分辨率下计算交互，并涵盖水的稳定同位素、气溶胶和生物地球化学循环。
除此之外，还应当计算不同的人类活动和气候政策场景的区域性影响，比如涉及温室气体排放、气溶胶、土地使用方式变化和水资源管理；还需要量化河川径流变化和水质变化。此类模型可以指导区域性政策的制定，以应对气候变化，保护和恢复生态系统及生态系统服务，保护生态多样性。
从气候学到社会科学，全球不同学科领域的科学家必须通力合作。当地居民的需求必须放在首要位置。研究人员应当帮助公众理解气候和环境正在发生的变化，让他们能够制定相关策略来控制风险，做出适应调整。例如，2016年西藏西部阿鲁冰川崩塌时，正是科学家做出的评估让当地政府得以建立一套危险预警体系，并转移了有危险的当地居民。
全球变暖的影响已经波及第三极，而科学必须走在保护环境的前沿。
