2002—2015年西北地区陆地水储量时空变化特征

徐子君，尹立河，胡伏生，贾伍慧，张 俊，王晓勇

（1.中国地质大学（北京） 水资源与环境学院，北京 100083；2.中国地质调查局 西安地质调查中心 中国地质调查局干旱—半干旱区地下水与生态重点实验室，陕西 西安 710054）

1 研究背景

陆地水是经济社会发展的重要水源，对研究水循环、水资源开发利用和防灾减灾都具有重要意义。特别是在西北地区，由于降水稀少，蒸发强烈，陆地水极度匮乏。陆地水储量（Terrestrial Water Storage，TWS）是表征陆地水变化的重要参数之一，是降水、蒸散发、地表径流和地下水等要素的综合反映［1］。常规的地面观测方法时空分辨率低，对中、长时空尺度的陆地水储量变化的估算误差较大。陆地水储量变化会导致地球重力场变化，因此，利用GRACE重力卫星（Gravity Recovery and Cli⁃mate Experiment，GRACE）数据可以反演陆地水储量的变化，这为研究大范围的陆地水储量变化提供了新途径。GRACE重力卫星由美国宇航局和德国空间飞行中心联合研究，于2002年发射。GRACE由两颗卫星组成，通过测量卫星间距离变化，利用地球重力场模型，反演地球时变重力场，进而估算陆地水的变化［2］。

研究表明，GRACE重力卫星可以识别出陆地水储量1.5 cm等效水柱高的变化［3］，且与水文模型的计算结果较为一致［4-5］，因此在国内外广泛应用于研究陆地水储量变化。国外学者利用GRACE重力卫星研究了亚马逊流域［6］、密西西比河流域［7］和尼罗河流域［8］等大尺度流域的陆水储量变化。近年来，国内学者也越来越多应用GRACE卫星数据研究陆地水储量变化，尼胜楠等［9］利用GRACE研究了长江、黄河流域水储量变化；李琼等［10］研究了干旱年西南地区陆地水储量变化。西北地区地处干旱—半干旱地区，降水稀少，近三分之一的地区年降水小于100 mm，水资源短缺是制约经济社会发展的主要瓶颈，因此研究该地区的陆地水储量具有重要意义。虽然也有学者利用GRACE重力卫星数据研究西北地区的陆水储量变化，如在祁连山地区［11］、黑河流域等［12］，但尚没有针对整个西北地区330万km2范围内的陆地水储量变化开展过专门研究。本文以整个西北地区为研究区，利用GRACE重力卫星14年（2002—2015年）的逐月数据，研究陆地水储量的时空变化特征以及影响因素，以期为西北地区水资源的可持续利用提供科学依据。

2 研究区概况

西北地区包括新疆、青海、甘肃、宁夏、陕西及内蒙古西部，地理坐标为31°9′-48°10′N、73°40′-113°11′E，总面积约330万km2（图1）。整个研究区深居亚欧大陆内部，远离海洋，四周分布高山，湿润的海洋水汽难以进入，具有典型的大陆性干旱—半干旱气候特征，降水量小，蒸发量大。西北地区地貌复杂多样，高山、平原与盆地相间分布，沙漠与绿洲共存，受地形影响，降水分布很不均匀。多年平均降水量由东南向西北逐渐减小，在塔里木盆地达到最低值后又有所增加，约三分之一的地区年降水量小于100 mm。该区河流主要有塔里木河等内流河，以及额尔齐斯河、黄河、长江等外流河；湖泊多为内流湖。

图1 研究区位置及多年平均降水量

3 数据与方法

3.1 GRACE数据GRACE卫星数据反演出的重力场模型可应用于地球物理学、气象学和海洋学等研究领域［13］。研究人员通过监测地球重力场的变化，计算地球物质量的变化，进而分析地球大气层、地表及地球内部物质量的变化情况［14］。目前GRACE重力卫星的数据集主要来自美国德克萨斯大学空间研究中心（Center for Space Research at the University of Texas，CSR）、德国波茨坦地学研究中心（Geo-Forschungs-Zentrum in Potsdam，GFZ）和喷气推进实验室（Jet Propulsion Laboratory，JPL），主要有Level-0、Level-1A、Level-1B、Level-2、Level-3等数据类型。本文采用CSR提供的Level-2数据产品，数据版本为RL05。数据下载源为https：//grace.jpl.nasa.gov/data/get-data/monthly-mass-grids-land/。数据最大阶数为60阶，时间跨度从2002年4月到2015年12月共148个月。由CSR发布的GRACE RL05重力数据已消除了潮汐影响（包括海潮、固体潮和地球自转产生的极潮）与非潮汐的大气和海洋质量变化影响［15］，因此，得到的GRACE时变重力场主要反映的是陆地水储量变化。

由GRACE重力卫星提供的球谐系数解算地球表面时变重力场的原理为［16］：

式中：Δσ(θ ， ϕ)为地球表面质量密度变化；ρave为地球平均密度；α为地球平均半径；kl为l阶负荷勒夫数；Pˉlm(c o sθ)为规格化的连带勒让德函数；θ、ϕ分别为地心余纬和地心经度；ΔClm、ΔSlm为GRACE提供的球谐系数变化量。

依据上述原理，对球谐系数和解算出的时变重力场数据进行以下处理得到最终的时变重力场模型。由于GRACE卫星得到的C20项的精度较低，由卫星激光测距（SLR）得到的C20项代替原始相应项进行解算［17］。数据中的一阶相由Swenson等［18］提供的方法估算得出，利用Geruo等［19］提出的模型对数据进行冰川均衡校正。以基于2004—2009年的月平均重力场作为基准，来获取重力场异常值，也就是相对质量的变化。重力场异常值为正时表示盈余，负值表示亏损。盈余即指该月水储量多于2004—2009年的月平均水储量，亏损即指该月水储量少于2004—2009年的月平均水储量。由于卫星轨道误差、海洋与大气模式误差及地球重力场球谐系数误差的综合影响，由上述步骤得到的地球表面质量变化存在明显的南北向条带误差和高频误差［20］，利用去相关处理去除条带状现象，利用300 km高斯平滑滤波进行空间平均处理，空间分辨率为1°×1°。

3.2 降水数据月降水数据来自中国气象数据网（http：//data.cma.cn/），共利用了165个气象站点的2002年1月至2015年12月数据。由月降水数据计算各站点的多年平均降水量，利用克里金插值方法得到西北地区2002—2015年多年平均降水量（图1）。

图2 2002—2015年西北地区陆地水储量变化及月降水量

4 陆地水储量时空变化分析

4.1 陆地水储量年内与年际变化利用148个月的重力场数据绘制西北地区陆地水储量变化的时间序列（图2）（2002—2015年中20个月份卫星数据有缺失，予以去除）。从年内变化看，陆地水储量呈现季节性周期变化，最大值出现在夏季，最小值出现在冬季。其中7、8月陆地水储量达到年内的峰值，12月至次年1月为年内的最低值。但每年的变幅差异较大，最大值为5.0 cm等效水高，最小值为1.9 cm。将各年同月的陆地水储量取平均值发现，各月份平均值分布在-1.3～1.0 cm之间，平均水储量盈余月份为6～8月，最大值出现在7月份（约1 cm）；平均水储量亏损月份为1～5月及9～12月，亏损最大值出现在1月（约-1.3 cm）；5月基本呈现平衡状态（图3）。陆地水储量的年内变化与降雨量的年内变化具有较强的同步性，陆地水储量的峰值对应雨季，低值区对应降水较少的冬季，这与前人在西北地区的研究结论一致［11-12］，说明西北内陆地区降水是水资源的主要供给水源。

图3 2002—2015年西北地区陆地水储量月均变化

图4 2002—2015年西北地区月平均陆地水储量空间分布

从年际变化看，2002—2015年西北地区的陆地水储量总体上呈缓慢下降趋势，下降速率约为0.014 cm/m，因此西北地区的陆地水储量每年减小约53.5亿m3。虽然西北陆地水总量减少，但具有时空差异性。在空间上，2002—2015年，新疆陆地水储量减少最多（约44.4亿m3），其次为甘肃、陕西、内蒙古（西北部）和宁夏，分别减少10.8亿、9.6亿、8.4亿和4.2亿m3；2002—2015年青海陆地水储量增加约23.9亿m3。在时间上，局部时间段内陆地水储量也会增加，如2002—2005年和2009—2012年（图2），分别增加190.8亿和106.3亿m3/a。通过长序列月降水数据分析（图2），降水没有明显的变化趋势。因为陆地水储量的变化包括地表水、地下水、土壤水储量变化等多个组成要素，对于西北地区陆地水储量不断减少的原因，还需要开展细致的研究查明。

4.2 陆地水储量空间变化特征利用GRACE数据计算得到2002—2015年的逐月平均陆地水储量的空间分布（图4）。春季（3—5月）除西部和准噶尔盆地西北地区处于盈余状态外，东部及中部大部分地区均为亏损状态。2月中旬—6月份为青藏高原和新疆北部积雪消退期，这个时期西部和准噶尔盆地西北地区水储量的增加主要受冰雪融水汇入研究区影响［21］，盈余量最大值出现在4月份的昆仑山地区，达5.8 cm。夏季（6—8月）随着降雨量的增加，研究区陆地平均水储量均为正值，6月份约为0.2 cm，7月份约为1.0 cm，8月份约为0.4 cm。秋季（9—11月）整个研究区陆地水储量总体上处于逐渐减少状态，新疆地区西部亏损状态加剧，9、10、11月该地区最大亏损为-4.7、-6.5和-5.9 cm。冬季（12月—次年2月）研究区陆地水储量基本处于一年中的最低值。

4.3 陆地水储量变化趋势利用GRACE数据，计算了逐年陆地水储量的变化速率（图5）。2002—2015年间整个研究区变化范围为-13～10 cm，平均值约为-2.5 cm，陆地水储量总体上呈下降趋势。2002—2015年陆地水储量减少区域约为224万km2，增加区域约为106万km2。增加的区域主要分布在青海、新疆南部，14年来的最大增加量可达10 cm。前人也观测到在甘肃和内蒙交界的黑河流域，陆地水储量呈增加趋势［12］；青海、西藏和新疆3省区交界地区陆地水储量明显增加［22］。减少的区域主要分布在新疆中北部、甘肃、宁夏、陕西和内蒙古西部等地区。其中新疆中部、宁夏和陕西中北部和内蒙古南部减少较严重，减少值介于-13～-5 cm；新疆北部、内蒙古北部和甘肃大部分地区减少较轻，减少值介于-5～0 cm。

图5 2002—2015年西北地区陆地水储量变化

5 结论

（1）西北地区陆地水储量总量的季节变化主要是由降水造成的。随着夏季降水的增多，6—8月为盈余，7月水储量盈余达到一年的最大值（约1 cm）；其他月份的陆地水储量均为亏损，其中12月—次年1月的亏损最为严重，亏损最大值出现在1月（约-1.3 cm）。

（2）2002—2015年西北地区陆地水储量总体上呈下降趋势，下降速率约为0.014 cm/月，因此西北地区的陆地水储量每年减小约53.5亿m3。虽然整体上西北地区的陆地水储量呈现减少的趋势，但在局部时段内陆地水储量增加，如2002—2005年和2009—2012年，分别增加190.8亿和106.3亿m3/a。

（3）2002—2015年西北地区陆地水储量减少区域约为224万km2，增加区域约为106万km2。增加的区域主要是分布在青海、新疆南部，14年来的最大增加量可达10 cm；减少的区域主要分布在新疆中北部、甘肃、宁夏、陕西和内蒙古西部等地区。