基于GRACE數(shù)據(jù)監(jiān)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(wèi)星數(shù)據(jù)，結(jié)合降水量與蒸發(fā)量數(shù)據(jù)，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(shù)據(jù)與GLDAS水文模型的反演結(jié)果進行比較，驗證GRACE反演結(jié)果的準確性。結(jié)果表明：研究時段內(nèi)，黃河流域水儲量呈下降趨勢，水儲量呈現(xiàn)季節(jié)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(fā)量，水儲量與降水量相關(guān)性更好。

關(guān)鍵詞：GRACE重力衛(wèi)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(huán)進程加快，降水強度與蒸發(fā)強度都隨之改變[1]。水資源開發(fā)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(jīng)濟方面所占據(jù)的地位不斷提高[2]，農(nóng)業(yè)、工業(yè)乃至社會生活的各個方面都與水不可分割。因而，對水質(zhì)與水量變化監(jiān)測的要求也相應(yīng)提高，通常需要通過監(jiān)測一個區(qū)域的陸地水儲量來掌握該區(qū)域水資源量的變化狀況。對陸地水儲量監(jiān)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(wèi)星;③基于氣象和水文資料，結(jié)合相關(guān)物理規(guī)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(fā)射的GRACE重力衛(wèi)星。其中，GRACE重力衛(wèi)星可以從流域到全球范圍內(nèi)進行陸地水儲量評估，全球觀測尺度統(tǒng)一、分布均勻，彌補了遙感衛(wèi)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(fā)、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(wèi)星可以切實有效監(jiān)測流域水儲量變化趨勢[5]。近10 a來國內(nèi)外有大批學(xué)者研究GRACE在水儲量方面的應(yīng)用[6]。Landerer等[7]評估利用GRACE數(shù)據(jù)來反演陸地水儲量的準確性，并提出在GRACE數(shù)據(jù)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(wèi)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(fā)量，評估幾種流域尺度蒸散發(fā)量計算方法的準確性。近年來國內(nèi)也有越來越多的學(xué)者利用GRACE數(shù)據(jù)進行研究，王文等[9]利用GRACE重力衛(wèi)星數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)反演黃河源區(qū)的陸地水儲量變化。

黃河流域脆弱的生態(tài)環(huán)境嚴重制約流域的社會經(jīng)濟發(fā)展[11]。筆者利用GRACE數(shù)據(jù)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(guān)系，以期為流域陸地水量監(jiān)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(qū)概況與數(shù)據(jù)資料

1.1 研究區(qū)概況

黃河發(fā)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(fā)量為1 100 mm。為了便于對比分析，將流域分為3部分：區(qū)域Ⅰ位于青藏高原東北部的黃河源區(qū)，區(qū)域Ⅱ位于黃土高原，區(qū)域Ⅲ包括部分黃土高原以及黃淮海平原地區(qū)（見圖1）。

1.2 數(shù)據(jù)來源

（1）GRACE數(shù)據(jù)。GRACE數(shù)據(jù)為美國宇航局根據(jù)CSR、GFZ以及JPL 3家機構(gòu)發(fā)布的GRACE RL05數(shù)據(jù)制作的TELLUS數(shù)據(jù)。該數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)缺失，缺失的數(shù)據(jù)用線性插值法補全。使用該數(shù)據(jù)時，每個網(wǎng)格上要乘以一個比例因子進行糾正，3組數(shù)據(jù)取均值。

（2）GLDAS數(shù)據(jù)。GLDAS數(shù)據(jù)來自美國宇航局GLDAS地球科學(xué)數(shù)據(jù)和信息服務(wù)中心，目前GLDAS基于地表觀測與衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)，利用Mosaic、CLM、NOAH、VIC 4種陸面模型，模擬生成地表狀態(tài)變量與通量數(shù)據(jù)[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(shù)據(jù)之和作為GLDAS計算得到的水儲量，蒸發(fā)量采用該模型模擬的結(jié)果，GLDAS數(shù)據(jù)空間分辨率為1°×1°，與GRACE數(shù)據(jù)作相同處理。

3.3.2 蒸發(fā)對區(qū)域水儲量的影響

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

4 結(jié) 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(jié)性變化明顯，水儲量最大值多出現(xiàn)于秋季，最小值多出現(xiàn)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(xiàn)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(qū)域Ⅰ、區(qū)域Ⅱ和區(qū)域Ⅲ的水儲量分布存在較大差異。流域大部分區(qū)域水儲量多年均值呈下降趨勢，水儲量發(fā)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(fā)。水儲量變化滯后于降水量變化。區(qū)域Ⅰ人類活動影響較小，降水量和蒸發(fā)量與水儲量的相關(guān)性較好;區(qū)域Ⅱ和區(qū)域Ⅲ人口集中，用水量大，情況較為復(fù)雜，水儲量與降水量和蒸發(fā)量的相關(guān)性都較小。

目前，GRACE重力衛(wèi)星數(shù)據(jù)被廣泛應(yīng)用于水文研究中，GRACE重力衛(wèi)星的發(fā)展可以不斷提高水文監(jiān)測手段。同時，黃河流域水資源供需不平衡，利用GRACE衛(wèi)星數(shù)據(jù)進行流域水儲量監(jiān)測，實時掌握水儲量狀況，可以更好地利用水資源，減少災(zāi)害損失。

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【責任編輯 張華興】