联合GNSS与GRACE/GRACE-FO数据反演中国西南地区陆地水储量变化

GNSS和重力恢复与气候试验(GRACE)及其后续任务(GRACE-FO)给陆地水储量变化(TWSC)研究带来了技术革新,但这两种技术估计的区域TWSC具有不同的时空尺度和精度特性。因此,有必要融合两种观测数据,以获得同一尺度且高精度的TWSC。本文基于GNSS独立反演模型,使用求和算子对喷气推进实验室(JPL)的GRACE/GRACE-FO Mascon数据进行求和运算来构建约束,通过赤池贝叶斯准则选择最优模型参数,构建了一种联合GNSS与GRACE/GRACE-FO数据的区域TWSC反演模型。随后,本文设计数值模拟试验,以验证利用该模型反演中国西南地区TWSC的可行性。结果显示,1000次试验中联合反演估算的均方根误差均值为10 mm,比GNSS独立反演结果低47%。基于此方法,本文联合GNSS与JPL Mascon数据反演了中国西南地区2011年1月—2022年6月的时变TWSC。对比联合反演、GNSS独立反演、GRACE/GRACE-FO和高分辨率全球陆地数据同化系统(GLDAS)的结果,发现联合反演与GLDAS的TWSC周年振幅空间分布特征最吻合,表明联合反演估计的TWSC空间分辨率优于GNSS独立反演和GRACE的结果。最后,结合水平衡方程估算的区域水文收支情况,并通过广义三角帽方法评估陆地水储量等效水柱高的变化率(d(EWH)/d t)的不确定性。结果显示,联合反演估计的d(EWH)/d t不确定性为8 mm/月,较GRACE/GRACE-FO、GNSS独立反演和水平衡方程结果分别低33%、68%和62%。研究结果表明,与GNSS和GRACE/GRACE-FO独立反演方法相比,联合反演能够改善TWSC估值的精度,可为水资源管理决策及水文气候学研究提供更可靠的数据支撑。

黄河流域未来陆地水储量时空演变趋势

在气候变化和人类活动影响下,流域水循环发生了显著变化,水资源保护形势愈加严峻。为解决黄河流域陆地水储量难监测的问题,利用GRACE数据和可变下渗容量(VIC)模型预测黄河流域2030—2100年陆地水储量变化,剖析气候变化对陆地水储量的影响机制。研究表明:1)利用GRACE数据和VIC模型通过组分相加法计算的陆地水储量变化一致性较强,能很好模拟黄河流域陆地水储量时空演变特征;2)2030—2100年黄河流域陆地水储量呈现不显著的增加趋势,SSP585情景陆地水储量的增加幅度最大;3)预测期黄河流域降水量、气温和蒸散发量均比历史时期上升,预测期黄河源区和兰州附近的径流深比历史期减小,虽然预测期黄河流域整体陆地水储量呈现不显著增加趋势,但仅内蒙古部分地区陆地水储量增加。

2002—2020年海河流域陆地水储量变化的时空变化特征

为了探究海河流域陆地水储量变化的时空变化特征,基于2002—2020年GRACE(gravity recovery and cli-mate experiment)卫星和GRACE-FO卫星数据,计算海河流域陆地水储量变化,并通过地下水储量变化估值与地下水位变化的相关性分析GRACE/GRACE-FO卫星数据的可靠性.结果表明:①地下水储量变化估值和地下水位变化之间的相关性较强,相关系数r=0.78.②海河流域陆地水储量变化大致呈现自南向北递减趋势;陆地水储量变化的变化速度为-9.80 mm/a.

近20年京津冀陆地水储量变化特征及其影响因子分析

水资源严重短缺是京津冀地区面临的重要生态环境问题之一,制约着区域协同发展战略的实施。陆地水储量变化深刻影响着水资源的分布和供给,因此,深入认识陆地水储量及其组分的变化特征和原因可以为完善区域水资源管理、实现水资源优化配置提供科学依据,对区域水资源可持续利用具有重要意义。目前,京津冀地区水储量和其组分的变化,以及自然和人为因素的影响特征尚不清楚。本文采用GRACE(Gravity Recovery and Climate Experiment)卫星重力观测数据和全球陆面数据同化系统GLDAS(Global Land Data Assimilation System)数据分析了近20年(2002~2021年)年陆地水储量及其组分的时空变化特征,并结合降水、蒸散发、径流和人类活动用水数据从水循环角度分析了水储量变化的影响因素。结果表明:(1)2002~2021年,北京、天津、河北的陆地水储量(趋势系数分别为-0.71、-0.84、-1.26 cm/a)和地下水储量(趋势系数分别为-1.12、-1.01、-1.55 cm/a)都呈显著减少趋势,而土壤水储量呈现显著增加趋势。(2)北京、天津和河北地下水储量的变化与各自陆地水储量的变化高度一致,相关系数均高达0.8及以上,加之其它分量增加的相反变化趋势,表明地下水储量显著下降是京津冀地区陆地水储量减少的主要原因。(3)3个省/市降水增加对陆地水储量产生正向贡献,蒸散发和径流增加对陆地水储量产生负向贡献。气候/水文因子的综合作用使北京和天津的陆地水储量增加,却造成河北的陆地水储量减少。北京、天津、河北气候变化的贡献率分别为23.60%、33.95%和26.99%,人类活动的贡献率分别为76.40%、66.05%和73.01%,陆地水储量减少主要是人类活动的影响。(4)地下水储量的显著减少是人为活动大量开采地下水的直接结果,表明加强人为用水的管理是京津冀地区水资源可持续利用的关键环节。本文研究结果可为科学掌握京津冀的水储量时空变化规律及影响机制提供数据支撑,为该区域水资源有效管理提供理论依据。

基于GNSS观测的陆地水储量研究进展

介绍了基于质量负荷理论利用GNSS观测反演陆地水储量的方法,阐述了利用GNSS研究陆地水储量的进展、应用和发展趋势,以及GNSS与GRACE、水文模型等的联合研究。随着GNSS观测精度的不断提升和观测网络的迅猛发展,利用GNSS观测研究陆地水储量取得了重要进展。GNSS已成为陆地水储量监测的重要手段,在中国大陆地区利用GNSS研究陆地水储量具有巨大的潜力和前景,但仍需要在时间序列信号精细识别、反演算法优化和多源数据融合等方面深入研究。

塔里木河流域实际灌溉面积变化及其对陆地水储量的影响分析

塔里木河(简称塔河)流域是典型的干旱绿洲农业区,明晰农业灌溉面积增长对流域水储量的影响,对于维护流域生态环境稳定和可持续发展尤为重要。本文提出了基于作物长势的实际灌溉面积遥感监测方法,采用Landsat卫星影像解译了塔河流域2003—2022年实际灌溉面积,利用相关系数及脱钩指数评价了流域实际灌溉面积变化与水储量的相关和依赖关系。研究结果表明:(1)干旱区灌溉与非灌溉植被长势差异显著,以卫星遥感影像计算的作物生育期内最大植被指数(NDVI)为分类指标,采用随机森林分类器辅以一定数量的样本,可实现大范围年实际灌溉面积的快速提取;(2)塔河流域2003—2022年间实际灌溉面积由2989万亩增加到5420万亩,增长比例为81.33%。5个地州中增长量最大的是阿克苏地区,共增了926万亩,增长比例为87.94%;其次是喀什地区,共增长了668万亩,增长比例为77.44%;(3)从相关系数上看,塔河流域2003—2022年间实际灌溉面积与陆地水储量的相关系数为-0.74,5个地州中阿克苏相关性最高,为-0.96,克州最小,为-0.56;(4)从脱钩指数上看,整个流域灌溉面积的增长强依赖于水储量消耗,虽然依赖度近年来有所降低,但未达脱钩状态。从空间上看,喀什、克州、巴州、阿克苏均为强依赖状态,和田为脱钩状态。上述结果表明,对塔河流域大部分地区而言,如果灌溉效率没有显著提升,灌溉面积已不宜继续扩大。本文的研究结果可为塔里木河流域水资源管理与可持续发展提供参考。

1960-2019年鄱阳湖五河流域陆地水储量变化及其对主湖区水量的影响

流域内地表水、土壤水和地下水等水储量组分相互作用和影响,共同构成了陆地水储量(TWS)的动态变化格局。本文以GRACE卫星数据为基准,利用GLDAS数据解析1960-2019年鄱阳湖“五河”流域TWS的时空变化特征及各组分对其变化的贡献,采用相关分析方法分析TWS对降水的滞后响应关系,并进一步采用多元线性回归分析方法探究了“五河”流域TWS及各组分对鄱阳湖主湖区水量的影响。结果表明:“五河”流域年TWS在1960-2011年(P1)以-0.07 mm/a的下降,而在2012-2019年(P2)以3.37 mm/a的速率上升。相较于P1阶段,P2阶段春、夏季TWS盈余增强,秋、冬季TWS亏损减弱。春、夏季流域西部TWS变化逐渐由地表水转变为地下水储量主导,流域东部TWS变化主要由地下水储量主导;秋、冬季流域TWS变化主要为地下水储量主导,且地表水对TWS变化的贡献减弱。流域TWS对降水变化的响应滞时呈现夏、秋季短(1个月)而冬、春季长(3~6个月)的季节模式。地下水储量和土壤水对TWS变化的贡献增加会延长TWS对降水的响应滞时,而地表水对响应滞时起相反的作用。“五河”流域TWS与鄱阳湖主湖区水量具有显著的正相关性,地表水和地下水储量增加对湖区水体的增长具有正向作用,而土壤水增加对湖区水体的增长具有反向作用。本研究解析了近六十年鄱阳湖“五河”流域陆地水储量的变化及其对主湖区水量的影响,可为流域水安全管理提供参考。

融合GNSS和GRACE/GFO数据反演西南地区陆地水储量变化

为解决单一使用GNSS或GRACE/GFO等技术反演区域陆地储水量变化存在的不足,本文借鉴分解-重构法的思想,提出了一种融合GNSS和GRACE/GFO反演区域陆地储水量变化的方法。利用来自中国陆态网西南地区的90个GNSS测站时间序列数据,融合GNSS和GRACE/GFO反演了中国西南地区2012—2022年的陆地水储量变化,并通过空间分布分析对比其他融合方法及降水数据,验证了本文融合方法的性能。结果表明,融合反演结果在空间分布上综合了GNSS和GRACE/GFO的优点;在时间尺度上,GNSS、GRACE/GFO的反演结果均滞后于降水2个月,而融合反演结果仅滞后于降水1个月,且相应的相关系数也高于GNSS、GRACE/GFO反演结果。因此,本文方法为融合多源数据以获取更可靠的区域陆地水储量变化提供了一种参考。

松花江流域陆地水储量时空变异特征与影响因素探究

松花江流域是我国重要的粮食生产基地和生态区,研究其水源供给与水量变化对实现流域科学配水和生态环境保护具有重要意义。研究采用2003-2020年GRACE与GRACE-FO重力卫星反演的CSR RL06 Mascon数据产品,针对GRACE与GRACE-FO之间缺失的数据,采用已发表的重构数据进行填补,并通过GLDAS模拟水储量数据验证其在研究区的准确性。在此基础上,采用Theil-Sen结合Mann-Kendall趋势检验,分析了流域陆地水储量时空变化特征。同时,利用Pearson相关系数与地理探测器方法,深入探究降水(Pre)、蒸散发(ET)、人口密度(POP)、归一化植被指数(NDVI)、生态分区(Ez)以及高程(DEM)等因子对陆地水储量的影响程度及不同因子的综合影响。并针对不同精度遥感数据进行相关性分析时,重采样带来的误差问题,对传统栅格数据重采样方式进行优化。研究结果表明:①GRACE数据产品在研究区具有较好的准确性,变化趋势线性区间与GLDAS数据具有很高的相关性;②优化后的重采样方式更适用于类似Pearson相关性分析的空间研究,相比于直接使用原始数据的方式,多数数据精度有显著提升;③松花江流域水储量在研究期内呈现增长趋势,极值比增加明显,研究末期,区内水储量空间分布趋于稳定,呈现东北多西南少的基本态势;④造成流域水储量变化的主要单一因子是降水和蒸散发,多数因子共同作用产生的效果外在表现形式均为非线性增强。

近20年若尔盖高原陆地水储量变化分析

黄河上游若尔盖高原湿地区多年来存在湿地退化萎缩的趋势,维持若尔盖地区的陆地水储量对湿地区生态环境保护和经济发展有重要意义。为更好地分析近20年来的若尔盖高原地区陆地水储量时空分布和变化情况,运用GRACE重力卫星数据,进行降尺度处理后,结合统计方法,对若尔盖高原地区2003-2020年的陆地水储量时空分布及其与降水的关系进行讨论和分析。研究结果表明:研究时段内,若尔盖陆地水储量呈上升趋势,增长速率为1.37 cm/a,且有明显季节性变化特征;小波分析显示11 a为陆地水储量变化的第一主周期;空间分布上,水储量有从东部地区向西部地区逐渐降低的趋势。计算降水与水储量变化之间的相关性系数为年际尺度0.497和年内尺度0.402,两者为中等相关关系,降水是陆地水储量变化的主要驱动因子之一。

基于VIC和MLP-ANN模型重建中国陆地水储量数据

基于GRACE重力卫星的产品数据为大尺度的陆地水储量研究提供了重要支撑,但由于数据长度有限,无法满足长序列研究需求。基于气象和水文观测数据,利用可变下渗容量曲线(VIC)模型在中国十大水资源分区构建了流域水循环模型,基于模型输出的土壤水和雪水储量,并结合气象观测数据,构建了基于多层感知器的人工神经网络模型(MLP-ANN),重建了中国地区1980—2018年高分辨率(0.25°)的陆地水储量距平(TWSA)月尺度数据集,并利用2003—2018年的GRACE数据对重建的TWSA进行评估。结果表明:①VIC模型总体具有较好的模拟效果,且湿润流域的模拟精度优于半干旱流域;②重建的TWSA在空间分布上与GRACE数据高度一致,可以较好地捕捉到绝大部分流域TWSA的年际变化特征及趋势;③1980—2018年,TWSA在华北平原、辽东、松花江西部、西南及西北部分地区呈显著下降趋势(>5 mm/a),而显著上升趋势主要集中在西部的少部分地区(>20 mm/a)。重建的TWSA数据可为中国地区的水文气象研究提供数据支撑。

昆仑山北坡陆地水储量变化及其驱动因素分析

陆地水储量变化及其驱动机制研究可为区域水资源禀赋和潜力评价提供重要依据,并可为水资源调控与管理保护相关决策提供科学支撑。基于GRACE数据、气象数据、实际蒸散发与人类活动等多源数据对1990—2020年昆仑山北坡陆地水储量动态变化进行分析,定量评估了不同影响因子对昆仑山北坡陆地水储量长期变化的影响。结果表明:(1)昆仑山北坡陆地水储量变化与分异显著,整体以0.123 cm·a^(-1)的速率呈现增长变化,其中,库木库里盆地、克里雅河流域、车尔臣河流域、和田河流域均呈现增加趋势,叶尔羌河流域陆地水储量呈现不同程度的亏损状态。陆地水储量变化呈增加趋势的面积占区域总面积的79.63%,其中,库木库里盆地陆地水储量变化增加趋势最为显著。昆仑山北坡陆地水储量整体在2005-2006年增加速度最快,变化量为2.253 cm。(2)1990-2020年气温、降水量与蒸散发均呈现波动性上升趋势,年均降水量变化显著,空间分布具有异质性。30 a间陆地水储量与年均气温、年均降水量、实际蒸散发呈现不同程度的相关关系,呈现正相关区域分别占比为40.78%、54.19%、44.74%。(3)气象因素中气温和降水量是主导陆地水储量变化的主要因素,双因子交互中气温∩人口密度(0.823)的解释力最强,气象因素中气温∩降水量(0.713)解释力最强,且双因子之间的交互作用明显强于单因子。

顾及GNSS测站分布特征的陆地水储量异常反演

针对基于单一模型数据无法准确反演小尺度区域内陆地水储量异常(TWSA)的问题,提出一种顾及全球卫星导航系统(GNSS)测站分布特征的陆地水储量异常反演方法:以河北省GNSS垂向形变序列和地壳水文负载(HYDL)形变模型数据为基础,结合地壳负载模型反演得到河北省2011—2020年间的陆地水储量异常模型TWSAGNSS-HYDL时空变化特征;然后利用地球重力恢复与气候实验(GRACE)卫星数据反演的陆地水储量异常反演模型TWSAGRACE进行验证。结果表明,2组数据的周年振幅时空分布呈现较好的一致性;TWSA的周年振幅凸起点均位于河北省的东南部和西南部;利用小波分析对2组TWSA进行分析,可知2个序列存在约350 d的共振周期,并且在相位上存在很好的一致性;TWSAGNSS-HYDL和TWSAGRACE的皮尔森相关系数和均方根误差分别为0.67 cm和1.8 cm。提出的方法可准确评估河北省水储量的时空特征,并为填补GRACE和GRACE-Follow On(FO)重力卫星之间的空白期提供参考。

淮河流域陆地水储量与干旱指标分析

基于GRACE卫星数据、MODIS数据和降水数据分析了2003—2016年淮河流域陆地水储量、植被指数和降水的多年时空变化,并探究标准化陆地水储量指数(SWSI)、标准化降水指数(SPI)与条件植被指数(VCI)对流域干旱的指示性。结果表明:淮河流域陆地水储量呈显著下降趋势,降水量微弱下降,植被覆盖率显著上升;SPI与VCI相关性较高,与SWSI变化较为一致;SWSI与SPI指示的不同等级干旱月份数量基本相当,明显小于VCI;SPI对淮河流域历史干旱存在漏报,VCI指示的干旱等级略偏高;SWSI整体表现较为良好,能够有效监测淮河流域旱情。

基于GRACE数据的2002-2016年长江流域陆地水储量变化分析

GRACE技术已广泛用于陆地水储量变化研究,对于探测区域水量平衡关键参数具有重要的使用价值和研究意义。基于2002/04-2016/06共158期GRACE RL05月重力场模型,首先分析了不同滤波算法对南北条带误差的削弱作用,并探讨了Mascon和尺度因子等恢复GRACE数据信号泄露的方法,从而获取了长江流域的长期陆地水储量变化时间序列。实验结果表明:长江流域水储量长期呈上涨趋势,然而各支流呈现出明显的空间异质性,即上游为持续上涨、中下游为先下降后上涨。分别利用3种GRACE数据分析了长江流域水储量变化,联合气象站实测数据验证长江流域水储量与降水减去蒸发高度相关,并说明了Mascon和尺度因子法可以一定程度恢复GRACE数据。初步分析了三峡水库的两次蓄水对库区水储量变化的影响,然而由于GRACE数据空间分辨率低,难以与DEM模拟的库区容量取得完全一致的结果。

利用GRACE时变重力场探测2010年中国西南干旱陆地水储量变化

GRACE(Gravity Recovery And Climate Experiment)卫星计划为监测陆地水储量变化提供了有效技术手段.本文采用2003至2010年共计8年的GRACE月重力场模型反演中国西南区域陆地水储量变化,与GLDAS(Global Land Data Assimilation System)全球水文模型进行对比分析,其结果在时空分布上均符合较好,同时在2009年秋至2010年春该区域陆地水储量均呈现明显减少,与该时段云贵川三省的干旱事件相一致;比较分析了2009年秋至2010年春GRACE反演陆地水储量变化与TRMM(Tropical Rainfall Measuring Mission)合成数据计算的月降雨量的时空分布,两组结果均与西南干旱事件对应时段与区域十分吻合;对近8年的陆地水储量变化与月降雨量数据进行相关性分析,其结果表明陆地水储量变化与降雨量强相关,即降雨量是导致陆地水储量变化的主要因素;分析该区域地表温度变化,结果显示2009年9月至2010年3月地表温度均比历史同期高,地表温度的升高加剧了陆地水储量的减少.

GRACE估算陆地水储量季节和年际变化

利用最新公布的GRACE GFZ RL04数据,分析了2003年1月～2007年12月全球27条流域和陆地水储量的季节性和年际变化.结果表明,相近流域季节性变化相位接近.2003年1月～2007年12月陆地水储量季节性变化为1572.4km^3,其中变化最大流域为亚马逊河,其次分别为鄂毕河、尼罗河和尼日尔河等流域.5年来GRACE陆地水储量的年际变化为-75.4±40.3 km^3/a,其中亚马逊河、勒拿河和马更些河等流域的年际变化呈现正增长,而刚果河、密西西比河、恒河、育空河和雅鲁藏布江等流域则相反.GRACE与GLDAS数据均表明2006年后陆地水储量年际变化存在明显增加.

2005—2017年两次强ENSO事件对中国区域陆地水储量变化影响的卫星重力观测

近年来极端气候事件的频发对全球和区域性水循环产生了重大影响,特别是2005—2017年间两次强ENSO(El Nino-Southern Oscillation)事件使得全球陆地水储量出现了较大的年际波动.GRACE(Gravity Recovery and Climate Experiment)重力卫星随着数据质量的提高、后处理方法的完善和超过十年的连续观测,捕捉陆地水储量异常的能力明显提高,这为研究2005—2017年间两次强ENSO事件对中国区域陆地水储量变化的影响提供了观测基础.本文综合利用GRACE卫星重力数据、GLDAS水文模型和实测降水资料分析了中国区域陆地水储量年际变化和与ENSO的关系.研究发现:长江流域中、下游地区和东南诸河流域与ENSO存在较高的相关性,与ENSO的相关系数最大值分别为0.55、0.78、0.70,较ENSO分别滞后约7个月、5个月和5个月.其中长江流域下游地区与ENSO的相关性最强,2010/11 La Nina和2015/16 El Nino两次强ENSO事件使得陆地水储量分别发生了约-24.1亿吨和27.9亿吨的波动.在2010/11 La Nina期间,长江流域下游地区和东南诸河流域陆地水储量异常约在2011年4—5月达到谷值,而长江流域中游地区晚1~2月达到谷值.在2015/16 El Nino期间,长江流域中、下游地区和东南诸河流域陆地水储量从2015年9月到2016年7月持续出现正异常信号.其中,2015年秋冬季(2015年9月至2016年1月)陆地水储量异常明显是受此次El Nino同期影响的结果;2016年春季(4—5月)陆地水异常是受到此次厄尔尼诺峰值的滞后影响所致;2016年7月的陆地水储量异常则与西北太平洋存在的异常反气旋环流有关.

长江流域陆地水储量与多源水文数据对比分析

从趋势性、滞后性及相关性三方面,对2002—2013年间GRACE重力卫星反演的长江上游与中游陆地水储量与模型模拟土壤含水量、实测降水和实测径流数据进行了对比分析,并从干旱强度及发展时间两方面评估了标准化陆地水储量指数SWSI、标准化降水指数SPI、标准化径流指数SRI和标准化土壤含水量指数SSMI对区域性干旱的表征能力。结果表明:长江上游地区陆地水储量与降水、径流和土壤水蓄量均无显著变化,而中游地区陆地水储量则与水库蓄量同样具有显著性增加,反映人类活动对中游地区陆地水储量变化有很大影响;各指标指示的各等级干旱月份数量基本相当,但各指标反映的特旱具体月份有较大差别,基于GRACE数据构建的SWSI指标对特大干旱的指示性不好;对比各指标对上游与中游地区干旱事件发展时间,体现出水文干旱、农业干旱对气象干旱存在一定的迟滞关系。

红柳江区域陆地水储量变化及其驱动因素分析

本文利用CSR-RL06和Tongji-Grace2018时变重力场模型反演了2003年1月—2016年12月红柳江区域陆地水储量变化,并联合降水、蒸散、径流和人类活动耗水等多源数据建立了区域水量平衡方程,定量评估了该区域陆地水储量变化的主要驱动因素。结果表明:①考虑人类活动耗水为区域陆地水储量输出项时,由水量平衡方程闭合差计算的均方根误差降低了39%。②气象水文因素贡献率仅于2009、2011和2016年为负,其均值为-22.5%,其余年份正贡献率均值为47.7%;人类活动耗水贡献率始终为负,其均值为-34.8%。③龙滩水库蓄水变化与该区域陆地水储量变化相关系数为0.66,均存在一年和两年主周期信号。