Глобальный набор временных рядов для изучения подземных вод в составе Земной системы

Почему скрытая вода важна в повседневной жизни

Большая часть пресной воды, от которой зависят люди и экосистемы, скрыта под нашими ногами в виде подземных вод. Они поддерживают течение рек в сухой сезон, обеспечивают водой сельское хозяйство и города, а также питают болота и леса, когда осадков мало. Тем не менее по сравнению с погодой или уровнями рек мы удивительно мало знаем о поведении подземных вод в мире и о том, как они меняются в ответ на изменения климата и антропогенную эксплуатацию. В этой статье представлен новый глобальный набор данных под названием GROW, объединяющий сотни тысяч измерений подземных вод и связывающий их с другими компонентами Земной системы, что значительно упрощает ученым и планировщикам изучение этих скрытых запасов воды.

Новое глобальное окно в мир подземных вод

Проект GROW собирает более 200 000 временных рядов по подземным водам из скважин в 55 странах в единую, гармонизированную базу. Большая часть данных поступает из Северной Америки, Индии, Европы и Австралии, где сети наблюдений хорошо развиты. Для каждой скважины в наборе фиксируется глубина уровней грунтовых вод или высота уровня подземных вод во времени с дневной, месячной или годовой периодичностью. Около половины записей охватывают как минимум одно десятилетие, а некоторые простираются более чем на столетие. Собрав эти измерения и представив их в единообразном формате, GROW дает беспрецедентный обзор того, как уровни подземных вод поднимаются и опускаются в самых разных климатах и ландшафтах.

Связь подземных вод с остальной планетой

Подземные воды не существуют изолированно. На них влияют осадки и испарение, тип пород и почв внизу, близлежащие реки и озера, снег и лед, растительность, а также человеческая деятельность, такая как сельское хозяйство и откачка. Чтобы зафиксировать эти связи, команда GROW добавила к каждой записи о подземных водах 36 дополнительных переменных. Эти переменные сгруппированы в шесть компонентов Земной системы: атмосфера, геосфера, гидросфера, криосфера, биосфера и антропосфера. Например, каждая скважина связана с данными по осадкам, потенциальному испарению, температуре воздуха, покрытию земли, потреблению воды, снежному покрову и другим показателям. Это позволяет исследователям изучать вопросы о том, как климатические зоны формируют подпитку, как землепользование влияет на уровни грунтовых вод или как таяние снега и ледников подпитывает подземные хранилища.

Очистка, стандартизация и пометка данных

Объединение столь большого количества измерений из разных агентств и исследований — не просто свалка данных в таблицу. Авторы применяют подробную процедуру контроля качества, чтобы сделать данные «готовыми к анализу». Они удаляют пустые и дублирующиеся записи, стандартизируют способ ссылок на уровни грунтовых вод и гармонизируют временные интервалы так, чтобы каждый временной ряд имел регулярные дневные, месячные или годовые шаги. Допускаются пропуски только в пределах скромного лимита, а оставшиеся пробелы заполняются осторожно, с правилами, направленными на минимизацию искажений природных шаблонов. Команда также проводит автоматические проверки для пометки подозрительных особенностей, таких как длинные участки одинаковых показаний, внезапные скачки или необычные пики, которые могут указывать на сбои датчиков или иные ошибки. В целом почти одна из пяти исходных временных серий отбрасывается за несоответствие этим стандартам, и сохраняются 34 различных флага, помогающих пользователям фильтровать и оценивать оставшиеся данные.

Что набор данных показывает о покрытии и смещениях

Авторы тщательно исследуют, где и при каких условиях расположены скважины в GROW. Большинство скважин извлекают относительно мелкие подземные воды — обычно менее 10 метров ниже поверхности — и сосредоточены в умеренных и сухих климатах с сильным влиянием человека, таких как сельскохозяйственные угодья и городские районы. Регионы с меньшими ресурсами и программами мониторинга, включая многие вододефицитные очаги, представлены слабо. Также реже встречаются высокогорья, полярные регионы и глубокие водоносные горизонты. В статье подчеркивается, что эти пробелы и смещения имеют значение: они означают, что глобальные выводы, основанные на GROW, могут занижать такие проблемы, как истощение подземных вод в слабо мониторируемых районах, а процессы, связанные со снегом, льдом или вечной мерзлотой, труднее анализировать с высокой статистической уверенностью.

Как исследователи и планировщики могут использовать GROW

Несмотря на эти ограничения, GROW открывает новые возможности для изучения подземных вод в глобальном масштабе. Поскольку набор данных стандартизирован и свободно доступен, ученые могут применять единые методы в разных регионах, чтобы искать общие драйверы изменений уровней грунтовых вод или выделять группы скважин с похожим поведением в сходных экологических условиях. Совокупная информация о подземных водах и компонентах Земной системы хорошо подходит для машинного обучения и других методов анализа данных, которые способны выявлять скрытые закономерности и проверять гипотезы о том, как подземные воды реагируют на климат и землепользование. Моделисты также могут использовать GROW для калибровки и валидации крупных гидрологических и климатических моделей, улучшая их способность описывать подземные воды. Авторы представляют GROW как первый статический выпуск долгосрочной инициативы и приглашают мировое сообщество вносить дополнительные данные, особенно из регионов, которые пока отсутствуют.

Почему эта работа важна для общества

Для неспециалиста ключевое сообщение таково: понимание подземных вод необходимо для обеспечения водоснабжения, защиты экосистем и планирования в условиях изменения климата, но нам не хватало глобальных покомпонентных данных с временной изменчивостью, подобных тем, что существуют для осадков, рек или температуры. GROW помогает заполнить этот пробел, превращая разрозненные записи со скважин в согласованный, детально аннотированный ресурс. Хотя он еще не охватывает все регионы или типы водоносных горизонтов, он дает ученым и лицам, принимающим решения, мощный новый инструмент, чтобы увидеть, как меняются скрытые запасы воды планеты, исследовать причины этих изменений и, в конечном счете, направлять более устойчивое использование этого жизненно важного, но часто недооцененного ресурса.

Цитирование: Bäthge, A., Vargas, C.R., Lischeid, G. et al. A Global-Scale Time Series Dataset for Groundwater Studies within the Earth System. Sci Data 13, 401 (2026). https://doi.org/10.1038/s41597-026-06966-1

Ключевые слова: подземные воды, глобальная гидрология, водные ресурсы, влияние климата, данные о Земной системе