2002—2015年西北地區(qū)陸地水儲量時空變化特征

徐子君，尹立河，胡伏生，賈伍慧，張 俊，王曉勇

（1.中國地質(zhì)大學(xué)（北京） 水資源與環(huán)境學(xué)院，北京 100083；2.中國地質(zhì)調(diào)查局 西安地質(zhì)調(diào)查中心 中國地質(zhì)調(diào)查局干旱—半干旱區(qū)地下水與生態(tài)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710054）

1 研究背景

陸地水是經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展的重要水源，對研究水循環(huán)、水資源開發(fā)利用和防災(zāi)減災(zāi)都具有重要意義。特別是在西北地區(qū)，由于降水稀少，蒸發(fā)強(qiáng)烈，陸地水極度匱乏。陸地水儲量（Terrestrial Water Storage，TWS）是表征陸地水變化的重要參數(shù)之一，是降水、蒸散發(fā)、地表徑流和地下水等要素的綜合反映［1］。常規(guī)的地面觀測方法時空分辨率低，對中、長時空尺度的陸地水儲量變化的估算誤差較大。陸地水儲量變化會導(dǎo)致地球重力場變化，因此，利用GRACE重力衛(wèi)星（Gravity Recovery and Cli?mate Experiment，GRACE）數(shù)據(jù)可以反演陸地水儲量的變化，這為研究大范圍的陸地水儲量變化提供了新途徑。GRACE重力衛(wèi)星由美國宇航局和德國空間飛行中心聯(lián)合研究，于2002年發(fā)射。GRACE由兩顆衛(wèi)星組成，通過測量衛(wèi)星間距離變化，利用地球重力場模型，反演地球時變重力場，進(jìn)而估算陸地水的變化［2］。

研究表明，GRACE重力衛(wèi)星可以識別出陸地水儲量1.5 cm等效水柱高的變化［3］，且與水文模型的計算結(jié)果較為一致［4-5］，因此在國內(nèi)外廣泛應(yīng)用于研究陸地水儲量變化。國外學(xué)者利用GRACE重力衛(wèi)星研究了亞馬遜流域［6］、密西西比河流域［7］和尼羅河流域［8］等大尺度流域的陸水儲量變化。近年來，國內(nèi)學(xué)者也越來越多應(yīng)用GRACE衛(wèi)星數(shù)據(jù)研究陸地水儲量變化，尼勝楠等［9］利用GRACE研究了長江、黃河流域水儲量變化；李瓊等［10］研究了干旱年西南地區(qū)陸地水儲量變化。西北地區(qū)地處干旱—半干旱地區(qū)，降水稀少，近三分之一的地區(qū)年降水小于100 mm，水資源短缺是制約經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展的主要瓶頸，因此研究該地區(qū)的陸地水儲量具有重要意義。雖然也有學(xué)者利用GRACE重力衛(wèi)星數(shù)據(jù)研究西北地區(qū)的陸水儲量變化，如在祁連山地區(qū)［11］、黑河流域等［12］，但尚沒有針對整個西北地區(qū)330萬km2范圍內(nèi)的陸地水儲量變化開展過專門研究。本文以整個西北地區(qū)為研究區(qū)，利用GRACE重力衛(wèi)星14年（2002—2015年）的逐月數(shù)據(jù)，研究陸地水儲量的時空變化特征以及影響因素，以期為西北地區(qū)水資源的可持續(xù)利用提供科學(xué)依據(jù)。

2 研究區(qū)概況

西北地區(qū)包括新疆、青海、甘肅、寧夏、陜西及內(nèi)蒙古西部，地理坐標(biāo)為31°9′-48°10′N、73°40′-113°11′E，總面積約330萬km2（圖1）。整個研究區(qū)深居亞歐大陸內(nèi)部，遠(yuǎn)離海洋，四周分布高山，濕潤的海洋水汽難以進(jìn)入，具有典型的大陸性干旱—半干旱氣候特征，降水量小，蒸發(fā)量大。西北地區(qū)地貌復(fù)雜多樣，高山、平原與盆地相間分布，沙漠與綠洲共存，受地形影響，降水分布很不均勻。多年平均降水量由東南向西北逐漸減小，在塔里木盆地達(dá)到最低值后又有所增加，約三分之一的地區(qū)年降水量小于100 mm。該區(qū)河流主要有塔里木河等內(nèi)流河，以及額爾齊斯河、黃河、長江等外流河；湖泊多為內(nèi)流湖。

圖1 研究區(qū)位置及多年平均降水量

3 數(shù)據(jù)與方法

3.1 GRACE數(shù)據(jù)GRACE衛(wèi)星數(shù)據(jù)反演出的重力場模型可應(yīng)用于地球物理學(xué)、氣象學(xué)和海洋學(xué)等研究領(lǐng)域［13］。研究人員通過監(jiān)測地球重力場的變化，計算地球物質(zhì)量的變化，進(jìn)而分析地球大氣層、地表及地球內(nèi)部物質(zhì)量的變化情況［14］。目前GRACE重力衛(wèi)星的數(shù)據(jù)集主要來自美國德克薩斯大學(xué)空間研究中心（Center for Space Research at the University of Texas，CSR）、德國波茨坦地學(xué)研究中心（Geo-Forschungs-Zentrum in Potsdam，GFZ）和噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室（Jet Propulsion Laboratory，JPL），主要有Level-0、Level-1A、Level-1B、Level-2、Level-3等數(shù)據(jù)類型。本文采用CSR提供的Level-2數(shù)據(jù)產(chǎn)品，數(shù)據(jù)版本為RL05。數(shù)據(jù)下載源為https：//grace.jpl.nasa.gov/data/get-data/monthly-mass-grids-land/。數(shù)據(jù)最大階數(shù)為60階，時間跨度從2002年4月到2015年12月共148個月。由CSR發(fā)布的GRACE RL05重力數(shù)據(jù)已消除了潮汐影響（包括海潮、固體潮和地球自轉(zhuǎn)產(chǎn)生的極潮）與非潮汐的大氣和海洋質(zhì)量變化影響［15］，因此，得到的GRACE時變重力場主要反映的是陸地水儲量變化。

由GRACE重力衛(wèi)星提供的球諧系數(shù)解算地球表面時變重力場的原理為［16］：

式中：Δσ(θ ， ?)為地球表面質(zhì)量密度變化；ρa(bǔ)ve為地球平均密度；α為地球平均半徑；kl為l階負(fù)荷勒夫數(shù)；Pˉlm(c o sθ)為規(guī)格化的連帶勒讓德函數(shù)；θ、?分別為地心余緯和地心經(jīng)度；ΔClm、ΔSlm為GRACE提供的球諧系數(shù)變化量。

依據(jù)上述原理，對球諧系數(shù)和解算出的時變重力場數(shù)據(jù)進(jìn)行以下處理得到最終的時變重力場模型。由于GRACE衛(wèi)星得到的C20項的精度較低，由衛(wèi)星激光測距（SLR）得到的C20項代替原始相應(yīng)項進(jìn)行解算［17］。數(shù)據(jù)中的一階相由Swenson等［18］提供的方法估算得出，利用Geruo等［19］提出的模型對數(shù)據(jù)進(jìn)行冰川均衡校正。以基于2004—2009年的月平均重力場作為基準(zhǔn)，來獲取重力場異常值，也就是相對質(zhì)量的變化。重力場異常值為正時表示盈余，負(fù)值表示虧損。盈余即指該月水儲量多于2004—2009年的月平均水儲量，虧損即指該月水儲量少于2004—2009年的月平均水儲量。由于衛(wèi)星軌道誤差、海洋與大氣模式誤差及地球重力場球諧系數(shù)誤差的綜合影響，由上述步驟得到的地球表面質(zhì)量變化存在明顯的南北向條帶誤差和高頻誤差［20］，利用去相關(guān)處理去除條帶狀現(xiàn)象，利用300 km高斯平滑濾波進(jìn)行空間平均處理，空間分辨率為1°×1°。

3.2 降水?dāng)?shù)據(jù)月降水?dāng)?shù)據(jù)來自中國氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)（http：//data.cma.cn/），共利用了165個氣象站點(diǎn)的2002年1月至2015年12月數(shù)據(jù)。由月降水?dāng)?shù)據(jù)計算各站點(diǎn)的多年平均降水量，利用克里金插值方法得到西北地區(qū)2002—2015年多年平均降水量（圖1）。

圖2 2002—2015年西北地區(qū)陸地水儲量變化及月降水量

4 陸地水儲量時空變化分析

4.1 陸地水儲量年內(nèi)與年際變化利用148個月的重力場數(shù)據(jù)繪制西北地區(qū)陸地水儲量變化的時間序列（圖2）（2002—2015年中20個月份衛(wèi)星數(shù)據(jù)有缺失，予以去除）。從年內(nèi)變化看，陸地水儲量呈現(xiàn)季節(jié)性周期變化，最大值出現(xiàn)在夏季，最小值出現(xiàn)在冬季。其中7、8月陸地水儲量達(dá)到年內(nèi)的峰值，12月至次年1月為年內(nèi)的最低值。但每年的變幅差異較大，最大值為5.0 cm等效水高，最小值為1.9 cm。將各年同月的陸地水儲量取平均值發(fā)現(xiàn)，各月份平均值分布在-1.3～1.0 cm之間，平均水儲量盈余月份為6～8月，最大值出現(xiàn)在7月份（約1 cm）；平均水儲量虧損月份為1～5月及9～12月，虧損最大值出現(xiàn)在1月（約-1.3 cm）；5月基本呈現(xiàn)平衡狀態(tài)（圖3）。陸地水儲量的年內(nèi)變化與降雨量的年內(nèi)變化具有較強(qiáng)的同步性，陸地水儲量的峰值對應(yīng)雨季，低值區(qū)對應(yīng)降水較少的冬季，這與前人在西北地區(qū)的研究結(jié)論一致［11-12］，說明西北內(nèi)陸地區(qū)降水是水資源的主要供給水源。

圖3 2002—2015年西北地區(qū)陸地水儲量月均變化

圖4 2002—2015年西北地區(qū)月平均陸地水儲量空間分布

從年際變化看，2002—2015年西北地區(qū)的陸地水儲量總體上呈緩慢下降趨勢，下降速率約為0.014 cm/m，因此西北地區(qū)的陸地水儲量每年減小約53.5億m3。雖然西北陸地水總量減少，但具有時空差異性。在空間上，2002—2015年，新疆陸地水儲量減少最多（約44.4億m3），其次為甘肅、陜西、內(nèi)蒙古（西北部）和寧夏，分別減少10.8億、9.6億、8.4億和4.2億m3；2002—2015年青海陸地水儲量增加約23.9億m3。在時間上，局部時間段內(nèi)陸地水儲量也會增加，如2002—2005年和2009—2012年（圖2），分別增加190.8億和106.3億m3/a。通過長序列月降水?dāng)?shù)據(jù)分析（圖2），降水沒有明顯的變化趨勢。因?yàn)殛懙厮畠α康淖兓ǖ乇硭?、地下水、土壤水儲量變化等多個組成要素，對于西北地區(qū)陸地水儲量不斷減少的原因，還需要開展細(xì)致的研究查明。

4.2 陸地水儲量空間變化特征利用GRACE數(shù)據(jù)計算得到2002—2015年的逐月平均陸地水儲量的空間分布（圖4）。春季（3—5月）除西部和準(zhǔn)噶爾盆地西北地區(qū)處于盈余狀態(tài)外，東部及中部大部分地區(qū)均為虧損狀態(tài)。2月中旬—6月份為青藏高原和新疆北部積雪消退期，這個時期西部和準(zhǔn)噶爾盆地西北地區(qū)水儲量的增加主要受冰雪融水匯入研究區(qū)影響［21］，盈余量最大值出現(xiàn)在4月份的昆侖山地區(qū)，達(dá)5.8 cm。夏季（6—8月）隨著降雨量的增加，研究區(qū)陸地平均水儲量均為正值，6月份約為0.2 cm，7月份約為1.0 cm，8月份約為0.4 cm。秋季（9—11月）整個研究區(qū)陸地水儲量總體上處于逐漸減少狀態(tài)，新疆地區(qū)西部虧損狀態(tài)加劇，9、10、11月該地區(qū)最大虧損為-4.7、-6.5和-5.9 cm。冬季（12月—次年2月）研究區(qū)陸地水儲量基本處于一年中的最低值。

4.3 陸地水儲量變化趨勢利用GRACE數(shù)據(jù)，計算了逐年陸地水儲量的變化速率（圖5）。2002—2015年間整個研究區(qū)變化范圍為-13～10 cm，平均值約為-2.5 cm，陸地水儲量總體上呈下降趨勢。2002—2015年陸地水儲量減少區(qū)域約為224萬km2，增加區(qū)域約為106萬km2。增加的區(qū)域主要分布在青海、新疆南部，14年來的最大增加量可達(dá)10 cm。前人也觀測到在甘肅和內(nèi)蒙交界的黑河流域，陸地水儲量呈增加趨勢［12］；青海、西藏和新疆3省區(qū)交界地區(qū)陸地水儲量明顯增加［22］。減少的區(qū)域主要分布在新疆中北部、甘肅、寧夏、陜西和內(nèi)蒙古西部等地區(qū)。其中新疆中部、寧夏和陜西中北部和內(nèi)蒙古南部減少較嚴(yán)重，減少值介于-13～-5 cm；新疆北部、內(nèi)蒙古北部和甘肅大部分地區(qū)減少較輕，減少值介于-5～0 cm。

圖5 2002—2015年西北地區(qū)陸地水儲量變化

5 結(jié)論

（1）西北地區(qū)陸地水儲量總量的季節(jié)變化主要是由降水造成的。隨著夏季降水的增多，6—8月為盈余，7月水儲量盈余達(dá)到一年的最大值（約1 cm）；其他月份的陸地水儲量均為虧損，其中12月—次年1月的虧損最為嚴(yán)重，虧損最大值出現(xiàn)在1月（約-1.3 cm）。

（2）2002—2015年西北地區(qū)陸地水儲量總體上呈下降趨勢，下降速率約為0.014 cm/月，因此西北地區(qū)的陸地水儲量每年減小約53.5億m3。雖然整體上西北地區(qū)的陸地水儲量呈現(xiàn)減少的趨勢，但在局部時段內(nèi)陸地水儲量增加，如2002—2005年和2009—2012年，分別增加190.8億和106.3億m3/a。

（3）2002—2015年西北地區(qū)陸地水儲量減少區(qū)域約為224萬km2，增加區(qū)域約為106萬km2。增加的區(qū)域主要是分布在青海、新疆南部，14年來的最大增加量可達(dá)10 cm；減少的區(qū)域主要分布在新疆中北部、甘肅、寧夏、陜西和內(nèi)蒙古西部等地區(qū)。