近十年中國陸地水儲量變化及其時空分布規律

嚴家寶 賈紹鳳 呂愛鋒 朱文彬

摘要：利用GRACE重力衛星數據分析了我國及十大流域近十年水儲量變化趨勢、年變化特征、年內分布特征以及時空分布規律，結合TRMM降水數據分析了水儲量與降水的關系。研究結果表明：近十年，中國水儲量變化趨勢具有空間差異性，西南大部、華北平原及黃河中下游、西北準噶爾盆地一帶水儲量呈減少趨勢，東南部、長江大部分區域、長江黃河源頭以及塔里木盆地區域水儲量呈增加趨勢；中國水儲量年變化幅度較小，淮河、海河、珠江、松花江流域振幅較大，西北諸河流域振幅最小，全國除黃河、海河和西北諸河流域外，流域水儲量年變化與降水年變化均呈顯著正相關，東南諸河、珠江、長江流域相關系數均達0.7以上；年內分布上，我國冬春季水儲量虧缺，夏秋季水儲量盈余，3月-4月西南諸河及長江流域水儲量虧缺嚴重，7月-9月則盈余較大，華北平原5月-7月水儲量有虧缺，其他月份則水儲量略為盈余。此外，黃河、長江、東南諸河、西南諸河以及珠江流域水儲量與降水量年內分布一致性較好，西北諸河流域2月-4月份水儲量與降水一致性較差，其他月份一致性較好，而其它流域則一致性較差。

關鍵詞：近十年；中國；十大流域；水儲量；時空分布

中圖分類號：TV213 文獻標志碼：A 文章編號：1672-1683（2016）04-0021-08

Abstract：Water storage change trend，annual change characteristics，intra-year distribution characteristics and spatial-temporal variation characteristics of China and the ten main basins in the last ten years were analyzed using the GRACE （Gravity Recovery and Climate Experiment） data.The relationship between total water storage and precipitation was analyzed by combining the TRMM （Tropical Rainfall Measuring Mission） precipitation data.The results were as follows：In the last ten years，China water storage trend showed some different characteristics.Most of China southwest part，North China Plain and the middle and lower reaches of Yellow River，the Junggar Basin of northwest China all showed a decrease in water storage.Meanwhile，southeast of China，most part of Yangtze River Basin，the origin area of Yellow and Yangtze River and Tarim Basin showed an increase.The annual change range of China water storage was very narrow.The annual change ranges of Huaihe，Haihe，Pearl，Songhuajiang river basins were wide and that of Northwest river basin was the narrowest.The water storage annual change in most of river basins had a significant positive correlation with the precipitation change except Yellow River Basin，Haihe Basin and northwest river basins.The correlation coefficients of southeast river basins，Pearl Basin and Yangtze River Basin were more than 0.7.In intra-annual distribution，China water storage was lack in winter and spring，and adequate in summer and autumn.Southwest river basins and Yangtze River Basin showed a severe deficiency in March and April，and showed more surplus from July to September.North China Plain showed a deficiency from May to July and showed a surplus in other months.Yellow River Basin，Yangtze River Basin，southeast river basins，southwest river basins and Pearl Basin showed a good consistence in intra-annual water storage and precipitation.Northwest river basins showed a good consistence except in the period of February to April.The other basins showed a bad consistence.

Key words：last ten years；China；ten main basins；water storage；spatial-temporal distribution

從垂直分層角度看，區域水儲量由區域地表水儲量、冰川積雪水儲量、土壤水儲量和地下水儲量組成[1]。從水量平衡角度看，陸地水儲量的變化是由降水、蒸散發、徑流等活動過程的綜合反映[2]。水儲量的盈余和虧缺反映了某地水儲量相對于其長期水儲量的正負偏離，分析水儲量的盈虧時空變化分布規律，對了解區域水平衡和干濕狀況具有重要意義。

在GRACE（Gravity Recovery and Climate Experiment）衛星發射前，研究水儲量變化主要依賴于實測數據以及數值計算模型推算。由于實測數據的匱乏，以及空間范圍的限制，研究大尺度的水儲量變化受到制約[3]；數值計算模型需要提供很多參數以及輸入數據，輸出往往也限制在特定水文要素上或特定深度的水量上[4]，如GLDAS模型輸出不同深度土壤含水量的變化，并不能反映整個區域由地表到地下的水儲量變化情況。2002年GRACE衛星的發射，為大尺度水儲量變化研究提供了新途徑[2-3]。研究者利用GRACE衛星反演的水儲量進行規律及趨勢分析[2-3，5–13]、蒸散發估計[14-16]、極端天氣分析[17–19]、地下水儲量變化[20-26]等方面的研究。

當前，利用GRACE衛星對我國水儲量相關方面研究大多集中在流域尺度上。翟寧[27]、許民[28]、Huang[10]等對長江流域水儲量變化規律進行了分析總結；Zhang[29]對長江流域干旱事件進行分析并與厄爾尼諾現象進行相關分析；許民[14]利用GRACE水儲量數據和實測數據對黃河源區的實際蒸散發量進行估算；尼勝楠[30]結合水文模型以及降水數據對長江和黃河流域水儲量變化規律進行研究；Feng[31]、冉全[21]、任永強[5]、Huang[32]結合陸面模型以及實測數據對海河流域進行地下水儲量變化趨勢及原因進行分析，曹艷萍[20]對黑河流域也做了相似的分析；Wang[33]利用GRACE水儲量變化數據對海河流域近10年發生的干旱災害進行研究；Moiwo[34]結合氣候模型研究喜馬拉雅山及青藏高原地區的水儲量變化，以及對水文、生態的影響；許朋琨[6]對青藏高原地區以及雅魯藏布江流域進行年、季水儲量變化分析；Long[19]利用GRACE數據對西南洪澇和干旱事件進行監測，并利用神經網絡算法對歷史和未來進行反演和預測；李瓊[35]結合全球水文模型和降水信息對2010年西南干旱事件進行分析。利用GRACE衛星數據對全國水儲量變化進行過研究的學者有段建賓[36]、邢樂林[37]、盧飛[38]、Zhao[39]等，這些學者的研究多偏重于GRACE衛星數據處理過程以及典型區域水儲量變化分析，對全國及各流域尺度的詳細闡釋上相對缺乏。高歌[40]利用降水和MODIS潛在蒸散發產品對全國十大流域近50年的水分盈虧量進行時空分析，由于潛在蒸散發與實際蒸散發的意義不同，加之MODIS蒸散發產品在中國西北大片區域缺乏覆蓋，所以與中國實際水儲量變化情況有差別。本文在借鑒這些研究的基礎上，利用GRACE數據產品，對中國及十大流域水儲量變化及其時空規律進行分析，試圖全面了解中國水儲量變化的趨勢及原因。

1 數據與方法

1.1 數據

1.1.1 GRACE數據

GRACE衛星任務是由美德合作的雙星項目，于2002 年發射升空。GRACE任務通過探測2顆衛星之間的距離變化來反演地球重力場的變化[41]。由時變重力場可得到地球表面密度變化，一般情況下，直接將地表密度變化轉為等效水高變化。

目前，有多個機構發布GRACE數據產品。本文選用美國航天局（NASA）噴氣推進實驗室（Jet Propulsion Laboratory，JPL）發布的陸地等效水高格網數據月產品數據[42]，該數據是在官方三個數據處理中心（CSR、GFZ、JPL）發布的Level-2 RL05球諧系數產品的基礎上經過一系列處理[43]得到的，數據精度為1°×1°。本文選用2002年4月到2015年1月三個數據中心產品各141個月（部分月份數據缺失）的數據進行研究。

1.1.2 TRMM降水數據

TRMM（Tropical Rainfall Measuring Mission）衛星實驗計劃是美國和日本合作開展的熱帶降雨測量計劃，1997年發射于日本。TRMM衛星進行全球尺度的熱帶降雨觀測，是第一次用于定量測量熱帶降雨的空間衛星計劃，以期更深入的了解熱帶降雨對全球氣候變化的影響。

TRMM衛星提供三個等級的資料，在研究中使用的較多的是三級融合產品3B42和3B43，分別為3小時降雨數據和月降雨數據，數據空間分辨率為0.25°×0.25°。本文選用2002年4月至2014年12月的TRMM 3B43數據。

1.2 研究方法

本文對GRACE三個數據中心各月數據產品先乘以增益系數，再減去各自2002年4月-2015年1月的平均值，然后對同月份的三個中心數據進行算術平均，得到141個月用等效水高表示的水儲量產品，最后對這141個月產品進行包含缺失值的線性回歸分析，得到2002年4月到2015年1月的線性變化趨勢。對各流域進行分區統計，對缺失數據進行三次樣條曲線插值，并對結果進行顯著性檢驗。

在分析年變化特征時，利用中心點年滑動平均算法對水儲量和降水數據進行滑動，中心點年滑動平均算法公式如下：

TRMM降水數據緯度范圍為50°S～50°N，松花江流域北部部分區域在數據覆蓋范圍之外，筆者對2003年1月至2014年12月共144個月的TRMM在松花江流域剩余部分區域的降水量進行統計，并與對應的GPCP2.2（Global Precipitation Climatology Project）月降水產品在松花江流域的降水進行線性回歸分析，得到回歸系數為1.002，相關系數為0.996，說明以松花江剩余部分區域的TRMM產品計算整個松花江流域降水是可行的。

2 結果與分析

2.1 近十年中國水儲量變化趨勢

2.1.1 變化趨勢空間分布特點

2002年4月到2015年1月，全國水儲量變化趨勢空間分布表現出明顯的西北-東南走向的條帶分布規律，空間分布同Feng[31]和Zhao[39]的結果一致。東北部松花江流域北部大部分區域，中部從西北塔里木盆地、到可可西里、長江和黃河源頭、再到我國東南部大部分區域，以及最南部云南南部的一小片地區水儲量增加，其中新疆東南部、阿爾金山自然保護區附近、昆侖山沿線區域以及長江中下游、岳陽-武漢-九江-蕪湖段區域增幅明顯，水儲量增量在2～3 cm/a；而把三個水儲量增加區域隔斷的有兩個水儲量減少條帶，一是北方從西北諸河流域北部到黃河流域、東部海河流域、遼河流域、淮河北部，二是西南諸河流域，從西藏南部到云貴高原，甚至往東南發展到海南島，其中喜馬拉雅山沿線與印度、尼泊爾交界區域水儲量減少量為2～3 cm/a，天山山脈北部、烏魯木齊東部部分區域水儲量減少量為3～6 cm/a。

水儲量減少原因存在區域差異。西南諸河流域水儲量減少的主要原因是降水減少[44-45]和冰川質量減少[46]；黃淮海區域是我國的產糧基地，農業灌溉消耗大量的地表和地下水，致使地下水嚴重超采[31，47]；新疆西北部水儲量減少的一方面原因為冰川減少[46]，由全球耕地分布圖[50]和地下水灌溉耕地分布圖[49]可以看到，在新疆西北部（灌溉）耕地與水儲量減少區域基本吻合，筆者認為水儲量減少的另一方面原因為農業灌溉以及蒸發的影響。

2.1.2 全國及十大流域變化趨勢

對2002年4月到2015年1月全國和十大流域線性變化趨勢進行統計（表1）。中國近10年水儲量呈微弱負增長，平均年減少速率約為0.65 mm等效水高。各流域上，東南諸河、松花江、長江以及珠江呈增加趨勢，平均年增加速率分別為3.22 mm/a、2.74 mm/a、1.96 mm/a和1.72 mm/a，其中東南諸河和松花江增長趨勢顯著；西南諸河、海河、淮河、黃河、遼河以及西北諸河均呈顯著減少趨勢，平均年減少速率分別為6.48 mm/a、6.41 mm/a、4.16 mm/a、3.03 mm/a、1.32 mm/a和0.86 mm/a。

2.2 水儲量年波動特征

圖1為中國及十大流域水儲量年滑動和降水距平累積年滑動變化曲線。全國來看，近十年水儲量變化較為平穩，振幅為2.44 cm；2003年初到2004年初，松、遼、西北諸河、黃、淮、海河流域水儲量急劇增加，其中淮、海、松花江流域增幅較大，分別達到14.56 cm、9.92 cm和7.09 cm；黃、淮、海河流域從2004年到2014年水儲量持續波動減少，其中海河流域和淮河流域在2004年初到2007年初、海河流域在2013年初到2014年、淮河流域在2012年初到2014年減少幅度較大，并在2014年達到極低值；2002年底到2004年，珠江流域及東南諸河流域水儲量則急劇減少，減少幅度分別為12.49 cm和7.03 cm；松花江流域、遼河流域、西北諸河流域、長江流域、東南諸河流域在2003年到2014年水儲量在均值（圖中0值）附近上下波動，其中松花江流域波動幅度最大，達到11.95 cm，其次為東南諸河，為8.83 cm，波動最小的為西北諸河，波動幅度為2.33 cm；西南諸河流域近十年水儲量處于下降趨勢，在2005年初和2008年底有兩個快速下降階段，2009年末2010年初水儲量達到極低值，2010年到2014年，水儲量在極低值附近波動。

從GRACE水儲量年滑動值和降水距平年滑動值的線性相關分析結果看，中國東南部相關系數較高，東南諸河流域、珠江流域、長江流域的相關系數分別達到0.75、0.72和0.72，全國及十大流域除黃河流域、海河流域、西北諸河流域外均通過0.05的相關性顯著性檢驗。黃河流域、海河流域以及西北諸河流域相關性較差的原因在本文2.3節進行解釋。

2.3 水儲量年內分布特征

2.3.1 水儲量年內分布空間變化特征

圖2為2002年到2015年平均各月水儲量空間分布。總體上來看，冬季（12月-2月）和春季（3月-5月）全國水儲量較為虧缺，夏季（6月-8月）和秋季（9月-11月）水儲量較為盈余。從各月變化看出，12月-次年1月水儲量虧缺范圍覆蓋全國除黃淮海交匯區域以外的大部分區域，其中長江流域、東南諸河流域、西南諸河流域以及珠江流域虧損較多；2月-3月，西北塔里木盆地及其西北部區域、東北、華北以及東部沿海水儲量由微弱虧缺轉為微弱盈余，西南諸河流域云南范圍虧損加重；4月-6月，黃淮海區域水儲量由微弱盈余變為虧損，并逐步加重，東南諸河流域水儲量逐漸由虧損變為盈余，并逐步向長江流域及內陸延伸，西南虧損范圍逐步縮小并減輕；7月-9月，全國大部分區域水儲量為盈余狀態，其中長江流域、東南、西南水儲量盈余量較大，黃淮海區域水儲量逐步變為盈余，西北、東北和東南水儲量開始轉為微弱虧缺； 10月-12月，水儲量虧缺范圍由西北、東北、東南向中國中部延伸，水儲量虧缺范圍逐步覆蓋全國除黃淮海交匯區域以外的大部分區域，長江下游虧缺量較重。

2.3.2 全國及十大流域水儲量年內分布特征及其與降水的對應關系

圖3為2002年到2015年全國及十大流域水儲量年內分布。全國來看， 6月-10月水儲量為盈余狀態，其中8月份水儲量最高，達到3.03 cm，11月-次年5月，水儲量處于虧缺狀態，1月出現最小值，為-1.78 cm。流域上，松花江流域2月-5月和8月，水儲量均為盈余狀態，其余月份均為虧損狀態，3月份水儲量最多，10月份水儲量最少；遼河流域、海河流域、淮河流域4月-7月份水儲量虧缺，6月虧缺量最大，其余月份基本處于盈余狀態；西北諸河流域2月-8月份水儲量有盈余，9月-次年1月水儲量為虧缺，7月和11月分別為最大盈余和最大虧缺月份；黃河流域、長江流域、西南諸河流域、珠江流域、東南諸河流域年內分布基本一致，夏秋季水儲量盈余，冬春季水儲量虧缺，中國東南部盈虧轉換時間較早、中部及南部盈虧變換時間次之、西北部及西南部盈虧轉換時間較晚。

年內振幅上，全國振幅為4.81 cm，全國十大流域依次從高到低分別為珠江流域（18.36 cm）、西南諸河流域（17.27 cm）、長江流域（12.31cm）、淮河流域（9.84 cm）、東南諸河流域（6.41cm）、海河流域（5.97 cm）、黃河流域（4.13 cm）、遼河流域（3.65 cm）、松花江流域（3.49 cm）和西北諸河流域（1.81 cm）。從虧損轉為盈余月份上看，松花江流域和遼河流域盈虧月份較為反復，松花江在2月由虧損轉為盈余，8月出現虧損轉盈余異常，遼河流域無明顯盈虧轉換月份；其他流域由虧損轉為盈余起始月份從早到晚依次為2月（西北諸河流域）、4月（東南諸河流域）、6月（珠江流域、長江流域）、7月（黃河流域、西南諸河流域）、8月（海河流域、淮河流域）；由盈余轉虧損起始月份分別為9月（西北諸河流域）、10月（東南諸河流域）、12月（黃河流域、長江流域、西南諸河流域、珠江流域）、次年4月（海河流域、淮河流域）。

由圖3中降水與水儲量的對比可以看出，黃河流域、長江流域、東南諸河流域、西南諸河流域以及珠江流域水儲量年內分布與降水量年內分布一致性較好，這些流域除東南諸河流域外，水儲量盈虧狀態轉換均較降水有1月-2月的滯后；松花江流域、遼河流域、海河流域和淮河流域水儲量年內分布與降水年內分布呈負相關，其中海河流域呈顯著負相關；西北諸河流域2月-4月份水儲量與降水一致性較差外，其他月份一致性較好。水儲量與降水的正相關是正常的，因為水儲量來源于降水，降水偏豐應該水儲量也偏大。不太正常的是北方松、遼、海、淮流域水儲量與降水呈負相關，其原因可能主要有兩個：一是北方春夏灌溉消耗了大量地表水和地下水，雖然春季降水開始增多但也抵償不了灌溉蒸發損耗，使得降水增加與水儲量減少相對應，這在黃淮海地區尤其明顯[31，47，50]；二是松花江流域冬春冰凍，蒸發減少，雖然降水不多，但降水很多以冰雪的形式積蓄起來，反而水儲量在增加（西北諸河2月-4月份不一致也可能是此原因），松花江流域4月-5月為春耕時期，水資源消耗大，水儲量開始減少，9月-10月為水稻和玉米成熟季，耗水量減少，水儲量開始增加。

3 結論

（1）近十年，中國水儲量呈微弱減少趨勢，減少速率為-0.65 mm/a。其空間分布格局呈西北-東南的條帶狀分布，北部松花江流域、中部塔里木木盆地、長江流域大部、東南諸河和珠江流域、南部云南南部小部分地區呈增加趨勢；分隔這三個水儲量增加區域的是兩個水儲量減少條帶，北部從新疆北部一直到海河、淮河流域，南部從西藏南部到云貴高原、海南島，西南諸河、海河、淮河、黃河、遼河和西北諸河流域均呈顯著減少趨勢。

（2）水儲量年波動特征上，中國水儲量變化較為平穩，近十年振幅為2.44 cm。淮河流域、海河流域、珠江流域、松花江流域振幅較大，振幅均超過10 cm；西北諸河流域振幅最小，為2.52 cm。由水儲量和年降水的線性相關分析看出，全國及十大流域除黃河流域、海河流域、西北諸河流域外均為正相關，并通過0.05的相關性顯著性檢驗；東南諸河流域、珠江流域、長江流域的相關系數分別達到0.75、0.72和0.72；降水在我國大多流域是引起水儲量變化的重要原因，黃河、海河以及西北諸河流域受其他因素影響，因素可能包括農業灌溉、蒸散發等。

（3）水儲量年內分布上，我國冬春季水儲量較為虧缺，夏秋季水儲量較為盈余。12月和次年1月，全國除黃淮海區域水儲量有盈余外，其他區域基本處于虧缺狀態，其中長江及其南部虧缺較為嚴重；2月-5月，西北和東北區域水儲量轉為微弱盈余，黃淮海區域則由盈余轉為虧缺；6月-9月，水儲量盈余范圍由東南區域向內陸深入，盈余范圍覆蓋全國大部分區域，長江流域、西南諸河流域、珠江流域及東南諸河流域水儲量盈余量大；10月-12月，水儲量開始由盈余變為虧缺，范圍逐步由西北、東北、東南向全國覆蓋。與降水的對比發現，黃河流域、長江流域、東南諸河流域、西南諸河流域以及珠江流域水儲量年內分布與降水量年內分布一致性較好；松花江流域、遼河流域、海河流域和淮河流域水儲量年內分布與降水一致性較差；西北諸河流域2月-4月份水儲量與降水一致性較差外，其他月份一致性較好。

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