2003—2012年新疆陆地水储量时空变化

利用2003年1月至2012年12月120个月的GRACE数据,基于高斯平滑和平滑滤波手段,辅以TRMM降水量、河网分布、蒸散发、径流等数据,反演了新疆陆地水储量,分析了10年间陆地水储量的时空变化情况.结果表明:2003—2012年新疆地区陆地水储量持续减少,但后半期水储量的减幅有所减缓;陆地水储量具有明显降低趋势的地区范围逐步向新疆东部迁移,水储量具有上升趋势的面积有逐渐增加的倾向,但是这种显著上升趋势所涵盖的面积没有占据研究区的主导地位;GRACE的年周期值和陆地水储量深度值的波动趋势一致;TRMM降水变化趋势与GRACE反演的陆地水变化趋势相辅相成,相互验证.该项研究可为新疆合理用水及缺水地区水资源合理的开发等提供理论依据.     

2002-2010年长江流域GRACE水储量时空变化特征

利用高斯平滑滤波对2002年4月-2010年12月逐月GRACE卫星的时变重力场数据反演得到长江流域大尺度陆地水储量变化,对其时空变化进行研究,并将结果与全球陆面同化数据(GLDAS)模拟结果进行比较。其结论为:根据GRACE数据反演与GGLDAS模拟得到的水储量结果在大多数区域变化趋势相同,两者具有一致性,相关性达到0.89(P<0.05)。GRACE水储量研究结果表明:①2002-2010年长江流域水储量呈增加趋势,平均增长速率为0.43mm/月,相当于约95.04亿m³/年。长江上游增长速率为0.53mm/月,相当于约67.13亿m³/年;中游增长速率为0.51mm/月,相当于25.73亿m³/年;下游增长速率为0.36mm/月,相当于9.14亿m³/年。近9年长江流域水储量共增加约855.33亿m³。②从多年平均水储量空间分布来看,长江流域冬季月份(12、1、2、3月)水储量处于亏损状态,7-9月水储量处于盈余状态,4-6月下游至上游地区由亏损向盈余状态过渡,而10-11月则从上游至下游地区由盈余向亏损状态过渡。③全流域、上游及中游水储量逐月增长速率最大值出现在9月,分别为1.01cm/a、1.37cm/a、1.05cm/a;而下游地区则出现在7月,增长速率为1.62cm/a。     

基于GRACE重力卫星反演地表负荷形变及GPS验证研究

利用前60阶GRACE重力卫星时变重力场资料和"去相关"、高斯滤波方法解算了中国区域内72个月(2005年1月-2010年12月)的地表负荷形变。为验证GRACE解算结果的可靠性,将解算结果与区域内27个GPS台站实际观测的形变量数据进行对比分析,精度验证表明:1)利用GRACE反演地表负荷形变量是可行的,52%的GPS台站与GRACE估计的相关系数r30%,55%的GRACE解算结果RMSE6mm;2)在中国区域内南部地区的形变反演效果优于北部地区,这可能是由于降水充沛的南部区域的水储量变化比北部大。     

咸海流域陆地水储量时空变化研究

采用2002—2016年GRACE(Gravity recovery and climate experiment)重力卫星JPL-RL06M数据分析咸海流域陆地水储量变化(Terrestrial water storage change, TWSC)时空变化特征,并结合CRU TS4.03气象数据、GLDAS-Noah地表蒸散发数据和高精度土地利用数据探究气候变化与人类活动对陆地水储量的影响。结果表明:(1)2002—2016年咸海流域陆地水储量变化呈现-3.20 mm·a~(-1)下降趋势,春、夏季陆地水储量呈盈余态势,秋、冬季呈现亏损状态;水储量变化在空间上表现为中部和东部盈余,周边亏损的特征。(2)2002—2016年咸海流域降水量呈-1.14 mm·a~(-1)下降趋势,地表温度呈0.11℃·a~(-1)上升趋势;相比气温,水储量变化与降水量相关性更强。(3)2000—2015年,咸海流域耕地面积小幅增加1.65×10~4km~2,水域面积减少;农作物耗水和灌溉需水的增加加剧了咸海流域水量支出,咸海流域蒸散发呈21.63×10~8m~3·a~(-1)增加态势,在空间上与陆地水储量变化的相关系数最高达0.74,是影响陆地水储量变化的主要因素之一。     

基于GRACE反演南极物质平衡的研究

利用GRACE重力卫星提供的时变重力场反演了南极大陆冰雪质量变化。由于GRACE提供的C20项不准确,本文考虑利用SLR测得的C20项替换,反演结果显示南极西部冰雪在消融,东部基本保持平衡,整个南极以(-0.689±0.172)cm/a的速率在消融。     

基于GRACE数据的黄河流域地下水储量变化与人口暴露研究

近年来黄河流域人与水资源矛盾愈发突出,尤其是地下水储量的过度消耗已成为限制该区域人与自然和谐发展的主要矛盾之一。基于重力反演与气候实验卫星数据和全球陆面数据同化系数数据,根据流域水循环与水量平衡原理,测算2003—2016年黄河流域地下水储量的变化情况,在探究其时空变化特征的基础上,识别了地下水储量下降明显区域的人口暴露度。结果表明：（1） 空间分布上,黄河流域地下水储量西多东少,由西向东下降程度不断加剧,且下降区域呈现由下游向中上游扩散的态势。下降区域主要集中在中东部地区,变化等级以较剧烈减少和剧烈减少为主。（2） 时间变化上,2003—2016年黄河流域地下水储量整体呈下降趋势,年均降幅为5.93 mm·a^-1。其中,2004—2016年为连续下降,2015—2016年的下降幅度最大;另外,地下水储量时间变化存在季节效应,地下水储量下降幅度春季最大、冬季次之、秋季再次之、夏季最小。（3） 地下水暴露风险状态下的地级市人口密度在空间上呈东高西低、中部交错分布的状态,暴露风险人口密度最大地级市共16个;地下水储量下降人口累积百分比呈现明显上升的趋势,在2016年达到最大值。研究结果以期为黄河流域地下水资源可持续利用提供科学参考。     

新疆天山中段南北坡水储量变化对比分析

区域水储量变化同时受多个水文气象要素影响。采用2003年1月至2013年11月GRACE重力卫星的UTCSR-RL05 L-2月数据,对比分析了近11 a新疆天山中段南北坡水储量时空变化特征及影响因素,并用GLDAS模型模拟结果进行验证。研究结果表明:(1)每年5~9月是天山中段水储量的消耗期,11月至翌年3月是水储量的积累期,北坡水储量的变幅大于南坡。(2)近11 a南北坡水储量均呈现增加趋势,北坡水储量增加幅度较大,其年周期的起始时间也较南坡早14 d。(3)在影响南北坡水储量的众多因素中,冬季水储量受降水影响较大,夏季水储量受蒸发影响较大,而雪水当量变化则在冬春季节对水储量产生一定影响,但春季具有延迟性。(4)北坡水储量与降水蒸发差的一致性较好,而南坡相对较差。     

卫星重力用于南极冰盖物质消融评估

2002年3月发射的GRACE重力卫星,以前所未有的精度和分辨率给出了重力场的时空变化。Jason1重复观测获得海平面的变化,GRACE估计海水质量重新分布引起的海面高变化,两者之差获得比容海面高变化,将该结果与WOA05结果作季节性比较,结果表明CSRRL04,GFZRL04和GRGSGL04三者结果与WOA05结果吻合,优于其他GRACE系列数据。将选取的CSRRL04,GFZRL04和GRGSGL04用于南极冰盖质量变化研究,得到南极冰盖冰雪物质变化的空间分布,结果表明西南极Amundsen区域明显地负增长,南极半岛存在着负增长。估算2003年1月-2007年12月南极冰盖冰雪消融的等效体积变化,变化区间为-76km3/a--69km3/a,对应海平面的贡献变化区间为0.17mm/a-0.21mm/a。     

塔里木河流域水储量变化及绿洲生态安全评估

绿洲是干旱、半干旱地区最具生态敏感性和独特性的景观类型,是维系人类生存和社会经济发展的重要区域。然而,在气候变化与人类活动双重影响下,干旱区水资源及其绿洲生境正发生剧烈变化。基于2000—2020年MODIS、GRACE卫星数据、土地利用数据和气象观测资料,通过计算植被覆盖度,估算植被初级生产力(NPP)和遥感生态指数(RSEI),系统分析了过去20 a塔里木河(简称塔河)流域陆地水储量和绿洲的动态变化并完成了绿洲区生态安全评估。结果表明：(1)2002—2020年塔河流域陆地水储量以0.27 mm·月^-1的速率减少,空间上塔河流域陆地水储量在北部和西部区域显著减少,而在南部区域显著增加。(2)2000—2020年塔河流域绿洲面积显著增加,面积增加6.49%(0.42×10⁴km²)。塔河流域整体生态环境呈转好趋势,生态等级由较差级别转为中等级别,生态改善区占总流域面积的69%,而生态退化区面积不足5%。塔河流域归一化植被指数(NDVI)由2000年的0.13增至2020年的0.16,近20 a植被覆盖度增加36.79%...     

"三江并流区"水储量的时空变化特征及其对ENSO的响应

青藏高原东南部的"三江并流区"气候环境复杂且敏感,陆地水循环过程空间分异明显,在全球气候变化背景下,区域旱涝灾害频发,水循环过程发生变化,刻画区域水储量时空变化特征有助于揭示灾害事件产生的原因。本文使用GRACE RL06数据、水文模型数据、实测数据等,反演获得了2002年4月—2016年8月"三江并流区"水储量变化时间序列及其多年变化空间分布,分析了水储量异常与旱涝事件的联系,进一步探讨了ENSO对水储量影响的强度及滞后程度,并就水储量反演的不确定性做了讨论。获得如下结论:(1)区域水储量处于下降状态,除个别年份,水储量的亏损超过35 mm/a,区域整体较干旱,土壤水是水储量变化的主要组分,区域干旱事件的发生大多与土壤水的持续下降有关;(2)水储量变化空间分异明显,西南下降、西北上升,怒江流域为水储量严重亏损的区域,水储量持续下降的区域常伴随着干旱事件的发生;(3)ENSO对水储量变化的影响存在2.72个月的时滞,每个月的影响强度为0.95 mm,水储量存在重大亏损的区域,ENSO影响强度相对偏大;(4)使用双重尺度因子能在一定程度上恢复滤波造成的误差,但受数据空间分辨率的影响,反演结果仍只能反映变化趋势,难以刻画水储量变化的细部特征。     

新疆耕地变化对区域碳平衡的影响

基于“Bookkeeping”模型,对1975-2005 年期间新疆耕地变化对区域碳平衡的影响进行了分析。荒漠土地开垦和耕地转移是新疆耕地变化的两种主要方式,1975-2005 年这两种耕地变化方式使新疆碳储量增加了20.6 Tg C,其中土地开垦使区域碳储量增加了51.8 Tg C,而耕地转移则向大气排放了31.2 Tg C。在1975-1985 年期间,新疆耕地大规模转移,区域碳储量的变化趋势受耕地转移的影响较大;1985 年后随新疆土地开垦规模的增加,碳储量变化趋势主要受土地开垦影响。30 年间,新疆碳储量增加主要是由草地开垦为耕地引起,而耕地转移为草地是新疆碳储量减少的主要原因。新疆地区进行合理的水土开发活动有利于区域碳固定,且长期的耕作管理活动会进一步增强耕地的碳汇功能。     

Inference of mantle viscosity from GRACE and relative sea level data

Gravity Recovery And Climate Experiment (GRACE) satellite observations of secular changes in gravity near Hudson Bay, and geological measurements of relative sea level (RSL) changes over the last 10 000 yr in the same region, are used in a Monte Carlo inversion to infer-mantle viscosity structure. The GRACE secular change in gravity shows a significant positive anomaly over a broad region (>3000 km) near Hudson Bay with a maximum of ∼2.5 μGal yr⁻¹ slightly west of Hudson Bay. The pattern of this anomaly is remarkably consistent with that predicted for postglacial rebound using the ICE-5G deglaciation history, strongly suggesting a postglacial rebound origin for the gravity change. We find that the GRACE and RSL data are insensitive to mantle viscosity below 1800 km depth, a conclusion similar to that from previous studies that used only RSL data. For a mantle with homogeneous viscosity, the GRACE and RSL data require a viscosity between  1.4 × 10²¹  and  2.3 × 10²¹  Pa s. An inversion for two mantle viscosity layers separated at a depth of 670 km, shows an ensemble of viscosity structures compatible with the data. While the lowest misfit occurs for upper- and lower-mantle viscosities of  5.3 × 10²⁰  and  2.3 × 10²¹  Pa s, respectively, a weaker upper mantle may be compensated by a stronger lower mantle, such that there exist other models that also provide a reasonable fit to the data. We find that the GRACE and RSL data used in this study cannot resolve more than two layers in the upper 1800 km of the mantle.     

Influences of environmental changes on water storage variations in Central Asia

The spatio-temporal pattern of the global water resource has significantly changed with climate change and intensified human activities. The regional economy and ecological environment are highly affected by terrestrial water storage (TWS), especially in arid areas. To investigate the variation of TWS and its influencing factors under changing environments, the response relationships between TWS and changing environments (climate change and human activities) in Central Asia have been analyzed based on the Gravity Recovery and Climate Experiment (GRACE) data, Climatic Research Unit (CRU) climate data and Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer (MODIS) remote sensing data products (MOD16A2, MOD13A3 and MCD12Q1) from 2003 to 2013. The slope and Pearson correlation analysis methods were used. Results indicate that: (1) TWS in about 77 % of the study area has decreased from 2003 to 2013. The total change volume of TWS is about 2915.6 × 10⁸ m³. The areas of decreased TWS are mainly distributed in the middle of Central Asia, while the areas of increased TWS are concentrated in the middle-altitude regions of the Kazakhstan hills and Tarim Basin. (2) TWS in about 5.91% of areas, mainly distributed in the mountain and piedmont zones, is significantly positively correlated with precipitation, while only 3.78% of areas show significant correlation between TWS and temperature. If the response time was delayed by three months, there would be a very good correlation between temperature and TWS. (3) There is a significantly positive relationship between TWS and Normalized Difference Vegetation Index (NDVI) in 13.35% of the study area. (4) The area of significantly positive correlation between TWS and evapotranspiration is about 31.87%, mainly situated in mountainous areas and northwestern Kazakhstan. The reduction of regional TWS is related to precipitation more than evaporation. Increasing farmland area may explain why some areas show increasing precipitation and decreasing evapotranspiration. (5) The influences of land use on TWS are still not very clear. This study could provide scientific data useful for the estimation of changes in TWS with climate change and human activities.     

Dynamic evaluation of groundwater resources in Zhangye Basin

Groundwater resource is vital to the sustainable development of socio-economics in arid and semi-arid regions of Northwest China. An estimation of the groundwater resources variation in Zhangye Basin was made during 1985–2013 based on long-term groundwater observation data and geostatistical method. The results show that from 1985 to 2013, groundwater storage exhibited tremendous dissimilarity on temporal and spatial scale for the whole Zhangye Basin, especially before and after implementation of the water diversion policy. Trend of groundwater storage varied from quick to slow decline or increase. The accumulative groundwater storage decreased nearly 47.52×10~8 m~3, and annual average depletion rate reached 1.64×10~8 m~3/a. Among which, the accumulative groundwater storage of the river and well water mixed irrigation district decreased by 37.48×10~8 m~3, accounting for about 78.87% of the total groundwater depletion of the Zhangye Basin. Accumulative depletion of groundwater storage varied in respective irrigation districts. Though groundwater resources depletion rate slowed down from 2005, the overall storage in the whole basin and respective districts during 1985–2013 was still in a severe deficit such that, the groundwater resource was in a rather negative balance, which could threaten the local aquifer. This is the joint effect of climate change and human activities, however human activities, such as water diversion policy and groundwater exploitation, became increasingly intense. Our research results could provide a reasonable estimation for the groundwater balance in Zhangye Basin, providing a scientific basis for water resources unified planning and, this method can provide a relatively reliable way of estimation for large scale groundwater resources.     

陆地生态系统模拟研究中IBIS模型开发应用的回顾和展望

全球动态植被模型(DGVM)是研究生态系统复杂过程和全球变化的强有力工具。本文基于过去20多年全球已发表的文献,对得到广泛关注和应用的DGVM之一——集成生物圈模拟器(Integrated Biosphere Simulator,IBIS)的开发、改进、发展及应用进行了总结。IBIS是一个在全球变化等多领域中有着广泛应用的模型。自1996年诞生以来,IBIS在陆地生态系统的碳、氮、水循环,植被动态、陆气耦合、水域系统耦合和气候变化影响等多个方面取得了验证和应用。本文较为系统地阐述了IBIS模型在V2.5版本后的不同发展方向,主要针对IBIS模型在水文过程(蒸散、土壤水分、地下水、径流)、植被动态(植被功能型、土地覆盖变化)、植被生理过程(植被物候、光合作用、植被生长、碳分配)、土壤生物地球化学过程(土壤碳氮循环及反馈、温室气体排放等)以及包括土地利用变化、干扰与管理等人类活动过程等方面的改进与发展进行了全面的综述;在此基础上,对模型在生态系统生产力、碳水收支、水分利用效率、温室气体排放、自然干扰(干旱、火灾、虫害)和人类活动(土地利用变化、农业经营)等方面的应用,以及模型的技术性改进方面进行了回顾;最后对模型的前景和进一步发展提出了一些见解。     

Accuracy evaluation of two precipitation datasets over upper reach of Heihe River Basin, northwestern China

As an important forcing data for hydrologic models, precipitation has significant effects on model simulation. The China Meteorological Forcing Dataset (ITP) and Global Land Data Assimilation System (G...     

珠三角核心区农田耕层土壤有机碳库储量时空变化特征及其影响因素识别

土壤有机碳库动态变化对区域乃至全球碳平衡具有显著影响,快速城市化地区社会经济迅速发展中土地利用/覆被变化剧烈,其农田耕层土壤有机碳库变化问题倍受关注。选择珠三角核心区为研究区域,基于1980与2015年农田耕层土壤有机碳含量数据,以乡镇为单元分析农田耕层土壤有机碳库储量的时空变化特征,并通过地理探测器定量识别其影响因素的主导因素。结果表明：1）珠三角核心区农田耕层土壤有机碳库储量1980―2015年间损失巨大,损失量达67.16%,同时其空间变化具有典型的城镇集群指向特征,即距离城镇集群越近,损失程度越大;2）珠三角核心区农田耕层土壤有机碳库储量的时空异质性变化受到气候变化、地形状况、水文环境、社会经济发展、土地利用变化和农田景观变化等多种因素的影响,且其影响力存在较大差异,各因素贡献力（q统计量）介于0.004~0.256之间;3）珠三角核心区农田耕层土壤有机碳库时空变化主导影响因素的贡献力表现为农田景观变化＞二三产增长胁迫＞水网密度＞土地结构变化。