基于GRACE数据监测黄河流域陆地水储量变化

张璐 江善虎 任立良

摘 要：利用2003—2015年的GRACE重力卫星数据，結合降水量与蒸发量数据，研究黄河流域水储量的时空变化情况，分析其变化趋势与影响因素，并将GRACE数据与GLDAS水文模型的反演结果进行比较，验证GRACE反演结果的准确性。结果表明：研究时段内，黄河流域水储量呈下降趋势，水储量呈现季节性变化，夏秋季水储量较丰，春冬季较少，空间上由西向东递减;相比蒸发量，水储量与降水量相关性更好。

关键词：GRACE重力卫星;陆地水储量;时空变化;黄河流域

中图分类号：TV213.4;TV882.1   文献标志码：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

随着全球气候变暖，水文循环进程加快，降水强度与蒸发强度都随之改变[1]。水资源开发利用量不断增多，人类与水资源的矛盾日益突出，水资源在社会经济方面所占据的地位不断提高[2]，农业、工业乃至社会生活的各个方面都与水不可分割。因而，对水质与水量变化监测的要求也相应提高，通常需要通过监测一个区域的陆地水储量来掌握该区域水资源量的变化状况。对陆地水储量监测的方法主要有[3]：①观察单点土壤含水量以及地表水和地下水位;②遥感卫星;③基于气象和水文资料，结合相关物理规律进行模拟（如GLDAS模型）;④由美国宇航局和德国航天局合作于2002年发射的GRACE重力卫星。其中，GRACE重力卫星可以从流域到全球范围内进行陆地水储量评估，全球观测尺度统一、分布均匀，弥补了遥感卫星的不足，从而为研究大中尺度流域水储量提供了新的方法。

流域水储量是对降水、蒸发、径流以及地下水变化过程的综合反映[4]。研究表明，利用GRACE重力卫星可以切实有效监测流域水储量变化趋势[5]。近10 a来国内外有大批学者研究GRACE在水储量方面的应用[6]。Landerer等[7]评估利用GRACE数据来反演陆地水储量的准确性，并提出在GRACE数据精度和空间分辨率之间取得平衡的方法;Billah等[8]利用GRACE重力卫星观察南卡罗来纳州流域陆地水储量的变化，并通过水量平衡公式求得流域蒸散发量，评估几种流域尺度蒸散发量计算方法的准确性。近年来国内也有越来越多的学者利用GRACE数据进行研究，王文等[9]利用GRACE重力卫星数据反演了2002—2013年长江上中游的陆地水储量;许民等[10]利用GRACE数据反演黄河源区的陆地水储量变化。

黄河流域脆弱的生态环境严重制约流域的社会经济发展[11]。笔者利用GRACE数据研究黄河流域的水储量变化，探讨陆地水分布时空变化与影响因素之间的关系，以期为流域陆地水量监测提供新方法以及为黄河流域水资源合理配置与利用提供参考。

1 研究区概况与数据资料

1.1 研究区概况

黄河发源于青藏高原东部的巴颜喀拉山脉，全长5 464 km，流域汇水面积为79.5万km2[12]。研究期2003—2015年年均降水量400 mm，降水集中在6—9月，时空分布不均，多年平均水面蒸发量为1 100 mm。为了便于对比分析，将流域分为3部分：区域Ⅰ位于青藏高原东北部的黄河源区，区域Ⅱ位于黄土高原，区域Ⅲ包括部分黄土高原以及黄淮海平原地区（见图1）。

1.2 数据来源

（1）GRACE数据。GRACE数据为美国宇航局根据CSR、GFZ以及JPL 3家机构发布的GRACE RL05数据制作的TELLUS数据。该数据为基于2004年1月—2009年12月均值的距平，时间跨度为2003年1月—2015年12月，空间分辨率为1°×1°，其中部分月份数据缺失，缺失的数据用线性插值法补全。使用该数据时，每个网格上要乘以一个比例因子进行纠正，3组数据取均值。

（2）GLDAS数据。GLDAS数据来自美国宇航局GLDAS地球科学数据和信息服务中心，目前GLDAS基于地表观测与卫星遥感数据，利用Mosaic、CLM、NOAH、VIC 4种陆面模型，模拟生成地表状态变量与通量数据[13]。本文利用NOAH模型模拟的2003年1月—2015年12月的4层土壤水（0～0.1、0.1～0.4、0.4～1.0、1.0～2.0 m）、雪水当量与冠层水数据之和作为GLDAS计算得到的水储量，蒸发量采用该模型模拟的结果，GLDAS数据空间分辨率为1°×1°，与GRACE数据作相同处理。

3.3.2 蒸发对区域水储量的影响

黄河流域蒸发量较大，研究期内呈轻微上升趋势（见图6（a）），蒸发量月最大值逐年上升，而水储量月最大值逐年减小，蒸发量与水储量相关性不显著（r=0.16，p>0.01）。流域蒸发量最大值多出现在8—9月，此时蒸发量与水储量相关性最显著（r=0.43，p<0.01），蒸发对水储量影响最大;2月流域蒸发量最小，但此时流域降水量稀少，因而水储量不升反降。区域Ⅰ月平均蒸发量（40.04 mm）大于区域Ⅱ的（31.07 mm）、区域Ⅲ的（38.78 mm）以及整个黄河流域的（35.01 mm），因此蒸发对区域Ⅰ的水储量影响较大，对区域Ⅱ、区域Ⅲ以及整个黄河流域的影响较小。区域Ⅰ水储量与蒸发量多年变化趋势一致（见图6（b），且显著相关（r=0.53，p<0.01）;区域Ⅱ水储量与蒸发量的变化趋势不一致（见图6（c）），基本不相关（r=0.03，p>0.05）;区域Ⅲ水储量与蒸发量的变化曲线相差较大（见图6（d）），也基本不相关（r=-0.14，p>0.05）。总体而言，蒸发对水储量的影响小于降水的。

4 结 语

（1）研究时段（2003年1月—2015年12月），黄河流域水储量月变化较为无序，季節性变化明显，水储量最大值多出现于秋季，最小值多出现于冬季。流域水储量呈下降趋势，2004—2006年水储量降幅较大，原因是黄河流域出现大旱。2006年后水储量下降趋势减缓。

（2）水储量空间变化受降水分布、地理位置、地形地貌、人类活动等因素的影响，黄河流域区域Ⅰ、区域Ⅱ和区域Ⅲ的水储量分布存在较大差异。流域大部分区域水储量多年均值呈下降趋势，水储量发生亏损，水储量由西向东递减。降水量空间分布总体上南多北少，降水量与水储量的空间分布并不完全一致。

（3）降水量与水储量变化具有一致性，降水对水储量变化的影响大于蒸发。水储量变化滞后于降水量变化。区域Ⅰ人类活动影响较小，降水量和蒸发量与水储量的相关性较好;区域Ⅱ和区域Ⅲ人口集中，用水量大，情况较为复杂，水储量与降水量和蒸发量的相关性都较小。

目前，GRACE重力卫星数据被广泛应用于水文研究中，GRACE重力卫星的发展可以不断提高水文监测手段。同时，黄河流域水资源供需不平衡，利用GRACE卫星数据进行流域水储量监测，实时掌握水储量状况，可以更好地利用水资源，减少灾害损失。

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【责任编辑 张华兴】