GRACE与GRACE Follow-On重力卫星数据揭示出的黄河流域2002-2020年干旱特征

研究黄河流域干旱时空变化特征,对认知黄河流域水资源演化规律具有重要意义。本文充分利用GRACE(gravity recovery and climate experiment)与GRACE-FO(GRACE Follow-On)重力卫星在大尺度范围下监测水文信息变化中的优势,基于2002年4月至2020年7月GRACE和GRACE-FO RL06 Mascon数据,计算了黄河流域陆地水储量异常(terrestrial water storage anomaly,TWSA)及对应的水储量亏损赤字(water storage deficit index,WSDI),据此分析了黄河流域上游、中下游干旱事件及其严重性、干旱持续时间、平均与最大水储量赤字等干旱特征,并与其他4种常用干旱指数,标准降水蒸散发指数(standardized precipitation evaporation index,SPEI)、自矫正帕尔默干旱指数(self correct-Palmer drought severity index,sc-PDSI)、标准化降水指数(standardized precipitation index,SPI)和标准化径流指数(standardized runoff index,SRI)识别结果进行了对比分析。研究结果表明:在WSDI识别出的黄河流域上游、中下游分别发生的5期干旱事件及其对应的干旱等级中,存在其他传统干旱指数未识别现象;在黄河流域以往干旱事件识别中,WSDI也展现出了较其他4种传统干旱指数显著的识别优势。相比传统干旱指标多仅依赖于稀疏地表水文监测信息,基于重力卫星监测数据的WSDI干旱指标可在大尺度范围下有效识别出流域干旱特征。

长江流域陆地水储量异常的卫星重力监测与干旱指数对比分析

利用GRACE/GRACE-FO数据对长江流域2003~2021年期间发生的干旱事件进行定量分析,以探究卫星重力监测区域性干旱的可行性。采用3个机构发布的5种GRACE/GRACE-FO数据产品(CSR_SH、JPL_SH、GFZ_SH、CSR_M、JPL_M)反演长江流域陆地水储量异常(TWSA),计算陆地水储量亏损(WSD)和水储量亏损指数(WSDI),结合气象干旱数据(SPI、SPEI、scPDSI)对5种数据产品的结果进行比较,并对2003~2021年长江流域干旱事件进行分析。结果表明,不同机构发布的GRACE/GRACE-FO数据产品对长江流域干旱事件严重等级的划分具有一定差异;WSDI与6个月时间尺度的SPEI相关性最高,相关系数为0.66,与scPDSI相关系数最低为0.54,降水是影响长江流域陆地水储量变化的重要因素;长江流域最严重的干旱事件发生在2019年夏秋季,干旱强度为2.31,持续10个月,水储量累计亏损达到415 Gt,此次干旱事件的WSDI空间分布图显示2019-09干旱最为严重,出现极端干旱区域。WSDI可反映长江流域干旱分布的时空变化,可在监测全球和大尺度区域干旱方面发挥重要作用。

基于GRACE重力卫星数据的珠江流域干旱监测

为探究重力恢复和气候试验任务(Gravity Recovery and Climate Experiment mission,GRACE)卫星数据在干旱研究中的应用潜力,该研究采用基于GRACE重力卫星数据的无量纲的标准化水储量赤字干旱指数(Water Storage Deficit Index,WSDI)对珠江流域2002-2017年进行干旱监测,通过将其和常用干旱指数与实际干旱质心轨迹进行对比,评估其在珠江流域的干旱监测效用。研究结果表明:1)2002-2017年期间,WSDI监测到的旱情与实际发生的旱情基本一致,GRACE重力卫星数据能捕捉到干旱事件的发生、发展和消亡以及其干旱特征;2)WSDI的时间变化及其对气候异常的响应与常用干旱指数吻合良好,具有有着较强的相关性,且能反映研究区长期的综合水分变化。除了SPI-3与SPEI-3外,其他常用干旱指数与WSDI的相关系数都在0.665以上,其中scPDSI相关指数最高,为0.803;3)WSDI与常用干旱指数在空间上描述的干旱事件的干旱质心轨迹基本一致,都能大致反映出了大范围干旱事件的干旱质心从东往西移动的现象。WSDI能从时间和空间上刻画出研究区水文干旱的演变规律,适用于大尺度水文干旱的监测与评估,具有明显的优势和应用潜力。

利用GRACE时变重力场数据监测长江流域干旱

利用2003-01~2014-12 CSR和JPL的RL06 Mascon解、RL06球谐系数(SH)解及level-3等6种GRACE时变重力场模型数据和GPM数据产品,分别计算长江流域的水储量和降雨变化,并利用广义三角帽方法分析GRACE数据的不确定性,同时计算水储量亏损指数(WSDI),以监测和分析长江流域干旱的时空特征,并与改进的帕默尔指数(scPDSI)进行对比。结果表明:目前在反演水储量变化方面,Mascon方法的不确定性小于球谐系数法,JPL_M、CSR_M、CSR_L3、JPL_L3、CSR_SH和JPL_SH的具体不确定性分别为3.51 mm、3.78 mm、5.45 mm、9.87 mm、9.12 mm及10.71 mm;降雨是影响长江流域水储量变化的重要因素,两者的相关系数达0.67,同时两者都具有明显的季节性变化;水储量亏损指数探测到2003-01~2014-12长江流域共历经6次干旱事件,最长时间的干旱始于2003-02,持续24个月;最严重的干旱发生于2006年春季和2011年夏季,强度分别为2.15和1.97;平均水储量亏损指数的空间分布表明,2006-07~2007-06几乎整个长江流域都处于干旱状态,而2011-03~11干旱主要集中于长江流域下游、中游和上游东南地区。