基于GRACE數據監測黃河流域陸地水儲量變化

張璐 江善虎 任立良

摘 要：利用2003—2015年的GRACE重力衛星數據，結合降水量與蒸發量數據，研究黃河流域水儲量的時空變化情況，分析其變化趨勢與影響因素，并將GRACE數據與GLDAS水文模型的反演結果進行比較，驗證GRACE反演結果的準確性。結果表明：研究時段內，黃河流域水儲量呈下降趨勢，水儲量呈現季節性變化，夏秋季水儲量較豐，春冬季較少，空間上由西向東遞減;相比蒸發量，水儲量與降水量相關性更好。

關鍵詞：GRACE重力衛星;陸地水儲量;時空變化;黃河流域

中圖分類號：TV213.4;TV882.1 ? 文獻標志碼：A

doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2020.04.009

Abstract： The GRACE gravity satellite data from 2003 to 2015， combined with precipitation and evaporation data were used to study the temporal and spatial changes of terrestrial water storage in the Yellow River basin in order to analyze its changing trend and influencing factors. The results of GRACE and the GLDAS hydrological model were compared to verify its accuracy. The results show that during the study period， the terrestrial water storage demonstrates a declining trend and decreases from west to east in space; the terrestrial water storage presents seasonal changes clearly， abundant in summer and autumn and less in spring and winter. Comparing with evaporation， the correlation of water storage and precipitation is better.

Key words： GRACE gravity satellite; terrestrial water storage; spatial-temporal change; Yellow River basin

隨著全球氣候變暖，水文循環進程加快，降水強度與蒸發強度都隨之改變[1]。水資源開發利用量不斷增多，人類與水資源的矛盾日益突出，水資源在社會經濟方面所占據的地位不斷提高[2]，農業、工業乃至社會生活的各個方面都與水不可分割。因而，對水質與水量變化監測的要求也相應提高，通常需要通過監測一個區域的陸地水儲量來掌握該區域水資源量的變化狀況。對陸地水儲量監測的方法主要有[3]：①觀察單點土壤含水量以及地表水和地下水位;②遙感衛星;③基于氣象和水文資料，結合相關物理規律進行模擬（如GLDAS模型）;④由美國宇航局和德國航天局合作于2002年發射的GRACE重力衛星。其中，GRACE重力衛星可以從流域到全球范圍內進行陸地水儲量評估，全球觀測尺度統一、分布均勻，彌補了遙感衛星的不足，從而為研究大中尺度流域水儲量提供了新的方法。

流域水儲量是對降水、蒸發、徑流以及地下水變化過程的綜合反映[4]。研究表明，利用GRACE重力衛星可以切實有效監測流域水儲量變化趨勢[5]。近10 a來國內外有大批學者研究GRACE在水儲量方面的應用[6]。Landerer等[7]評估利用GRACE數據來反演陸地水儲量的準確性，并提出在GRACE數據精度和空間分辨率之間取得平衡的方法;Billah等[8]利用GRACE重力衛星觀察南卡羅來納州流域陸地水儲量的變化，并通過水量平衡公式求得流域蒸散發量，評估幾種流域尺度蒸散發量計算方法的準確性。近年來國內也有越來越多的學者利用GRACE數據進行研究，王文等[9]利用GRACE重力衛星數據反演了2002—2013年長江上中游的陸地水儲量;許民等[10]利用GRACE數據反演黃河源區的陸地水儲量變化。

黃河流域脆弱的生態環境嚴重制約流域的社會經濟發展[11]。筆者利用GRACE數據研究黃河流域的水儲量變化，探討陸地水分布時空變化與影響因素之間的關系，以期為流域陸地水量監測提供新方法以及為黃河流域水資源合理配置與利用提供參考。

1 研究區概況與數據資料

1.1 研究區概況

黃河發源于青藏高原東部的巴顏喀拉山脈，全長5 464 km，流域匯水面積為79.5萬km2[12]。研究期2003—2015年年均降水量400 mm，降水集中在6—9月，時空分布不均，多年平均水面蒸發量為1 100 mm。為了便于對比分析，將流域分為3部分：區域Ⅰ位于青藏高原東北部的黃河源區，區域Ⅱ位于黃土高原，區域Ⅲ包括部分黃土高原以及黃淮海平原地區（見圖1）。

1.2 數據來源

（1）GRACE數據。GRACE數據為美國宇航局根據CSR、GFZ以及JPL 3家機構發布的GRACE RL05數據制作的TELLUS數據。該數據為基于2004年1月—2009年12月均值的距平，時間跨度為2003年1月—2015年12月，空間分辨率為1°×1°，其中部分月份數據缺失，缺失的數據用線性插值法補全。使用該數據時，每個網格上要乘以一個比例因子進行糾正，3組數據取均值。

（2）GLDAS數據。GLDAS數據來自美國宇航局GLDAS地球科學數據和信息服務中心，目前GLDAS基于地表觀測與衛星遙感數據，利用Mosaic、CLM、NOAH、VIC 4種陸面模型，模擬生成地表狀態變量與通量數據[13]。本文利用NOAH模型模擬的2003年1月—2015年12月的4層土壤水（0～0.1、0.1～0.4、0.4～1.0、1.0～2.0 m）、雪水當量與冠層水數據之和作為GLDAS計算得到的水儲量，蒸發量采用該模型模擬的結果，GLDAS數據空間分辨率為1°×1°，與GRACE數據作相同處理。

3.3.2 蒸發對區域水儲量的影響

黃河流域蒸發量較大，研究期內呈輕微上升趨勢（見圖6（a）），蒸發量月最大值逐年上升，而水儲量月最大值逐年減小，蒸發量與水儲量相關性不顯著（r=0.16，p>0.01）。流域蒸發量最大值多出現在8—9月，此時蒸發量與水儲量相關性最顯著（r=0.43，p<0.01），蒸發對水儲量影響最大;2月流域蒸發量最小，但此時流域降水量稀少，因而水儲量不升反降。區域Ⅰ月平均蒸發量（40.04 mm）大于區域Ⅱ的（31.07 mm）、區域Ⅲ的（38.78 mm）以及整個黃河流域的（35.01 mm），因此蒸發對區域Ⅰ的水儲量影響較大，對區域Ⅱ、區域Ⅲ以及整個黃河流域的影響較小。區域Ⅰ水儲量與蒸發量多年變化趨勢一致（見圖6（b），且顯著相關（r=0.53，p<0.01）;區域Ⅱ水儲量與蒸發量的變化趨勢不一致（見圖6（c）），基本不相關（r=0.03，p>0.05）;區域Ⅲ水儲量與蒸發量的變化曲線相差較大（見圖6（d）），也基本不相關（r=-0.14，p>0.05）。總體而言，蒸發對水儲量的影響小于降水的。

4 結 語

（1）研究時段（2003年1月—2015年12月），黃河流域水儲量月變化較為無序，季節性變化明顯，水儲量最大值多出現于秋季，最小值多出現于冬季。流域水儲量呈下降趨勢，2004—2006年水儲量降幅較大，原因是黃河流域出現大旱。2006年后水儲量下降趨勢減緩。

（2）水儲量空間變化受降水分布、地理位置、地形地貌、人類活動等因素的影響，黃河流域區域Ⅰ、區域Ⅱ和區域Ⅲ的水儲量分布存在較大差異。流域大部分區域水儲量多年均值呈下降趨勢，水儲量發生虧損，水儲量由西向東遞減。降水量空間分布總體上南多北少，降水量與水儲量的空間分布并不完全一致。

（3）降水量與水儲量變化具有一致性，降水對水儲量變化的影響大于蒸發。水儲量變化滯后于降水量變化。區域Ⅰ人類活動影響較小，降水量和蒸發量與水儲量的相關性較好;區域Ⅱ和區域Ⅲ人口集中，用水量大，情況較為復雜，水儲量與降水量和蒸發量的相關性都較小。

目前，GRACE重力衛星數據被廣泛應用于水文研究中，GRACE重力衛星的發展可以不斷提高水文監測手段。同時，黃河流域水資源供需不平衡，利用GRACE衛星數據進行流域水儲量監測，實時掌握水儲量狀況，可以更好地利用水資源，減少災害損失。

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【責任編輯 張華興】