南水北调前后海河流域陆地水储量变化分析北大核心CSCD

基于GRACE及GRACE-FO重力卫星数据,通过滑动T检验确定海河流域陆地水储量突变的特征时间点,分析其时空演变特征;结合多变量趋势分析和贡献率量化法探究陆地水储量变化成因,讨论南水北调工程的贡献。结果表明,在南水北调前(2004-01~2015-01)后(2015-01~2020-10),海河流域陆地水储量的衰减趋势分别为-17.19 mm/a和-13.49 mm/a,缓解约24%,缓解趋势由南到北逐渐增大;人类活动与气候变化对流域陆地水储量变化的贡献率比为7∶3,人为耗水是海河流域陆地水储量常年处于亏损状态的主要原因;调水量的贡献率和趋势呈现年际增大和升高态势,预示南水北调工程在改善区域陆地水储量方面具有巨大潜力。     

2002~2020年刚果河流域陆地水储量变化分析

利用德克萨斯大学空间研究中心（CSR）发布的GRACE时变重力场模型,基于最大信噪比准则确定RL06球谐系数模型（spherical harmonics,SH）的最优高斯滤波半径,在此基础上反演2002-04~2020-05刚果河流域陆地水储量变化,结合水文与降雨、蒸散资料分析其驱动因素。研究结果表明,GRACE模型估计的刚果河流域水储量变化和水文模型估计的地表水储量变化的周年振幅一致,表明刚果河流域的陆地水储量周年变化驱动因素为地表水。对于年际变化,2002-04~2020-05陆地水储量变化呈轻微增加趋势,2002-04~2006-12明显减少,RL06 SH模型估计结果为-2.30±0.24 cm/a;2007-01~2010-12呈现增加趋势,为0.38±0.24 cm/a;2011-01~2020-05水储量增速变大,为0.92±0.12 cm/a,该结果与CSR Mascon估计结果一致。     

基于GRACE RL06数据探测三江源地区陆地水储量变化

利用CSR最新发布的GRACE RL06数据反演2006~2015年三江源地区陆地水储量的时空变化,并结合GLDAS水文模型、TRMM降水数据及地表冻融数据进行对比分析。结果表明,三江源地区的陆地水和地表水在2006~2015年的变化趋势分别为5.2±1.2 mm/a和-3.8±0.9 mm/a;降水与陆地水的变化密切相关,也是造成陆地水储量呈季节性变化的主要原因;冻土作为特殊的蓄水层,影响着三江源地区地表水与地下水之间的水力联系,冻土活动可能造成GRACE与GLDAS水储量之间的差异;根据GRACE与GLDAS水储量在空间趋势上的差异推测,三江源地区高原多年冻土退化,活动层增厚。     

利用GRACE监测中国区域干旱及其影响因素分析

利用2003-01~2012-12的GRACE时变地球重力场模型计算我国长江中下游平原、西南地区和华北平原陆地水储量变化的时间序列。结果表明，长江中下游平原和华北平原的陆地水储量变化量最低值在2011-05，西南地区最低值在2010-03。根据陆地水储量变化的水平衡原理计算3个区域地下水储量变化情况。结果表明，长江中下游平原和西南地区地下水储量呈缓慢增长的趋势，增长速率分别为0.54 mm/月和0.34 mm/月；华北地区呈缓慢减小的趋势，减小速率为0.33 mm/月。3个区域干旱时期地下水储量的亏损情况分别为：长江中下游平原-21.31 mm/月，华北平原-19.88 mm/月，西南地区-15.72 mm/月。最后，用NOAA发布的月降雨和气温数据对3个区域干旱期间的降雨量和蒸发量进行量化，分析3次干旱产生的原因。结果表明，西南地区2010年春季干旱的主要原因是气温异常，长江中下游平原和华北平原2011年干旱的主要原因是降雨量偏少。     

利用多元线性回归模型重构中国九大流域陆地水储量变化北大核心CSCD

GRACE与GRACE-FO任务间的数据空缺导致无法连续监测陆地水储量变化。基于此,本文采用多元线性回归模型,以GRACE/GRACE-FO陆地水储量变化数据为参考值,以降水、气温和模型模拟的陆地水储量数据为预测参数,采用3种不同策略重构中国九大流域2002-04~2021-12连续的陆地水储量变化。结果表明,基于去趋势项和去季节项信号重构策略的重构结果略优于去趋势项信号重构策略,且两者结果均优于整体信号重构策略,在人类活动或冰川融化频繁的流域(如海滦河、长江、西南诸河和内陆河流域)这种优势更为明显。此外,重构结果的性能也受GRACE/GRACE-FO数据信噪比和预测参数与GRACE/GRCAE-FO数据的相关性影响。     

利用正向建模方法反演三峡库区水储量变化

针对GRACE数据后处理过程中滤波导致的信号衰减和泄漏，利用模拟数据研究正向建模改正，改正的量级约为1 cm，在利用GRACE反演陆地水储量变化时这一影响因素不可忽略。基于2002-07~2014-12的GRACE Level-2数据反演三峡库区的水储量变化，结果表明，正向建模改正前后GRACE年周期项振幅分别为7.0±2.4 cm和7.2±2.7 cm，改正后信号泄漏有所减小；GRACE和水文模式数据均表现出明显的季节性特征，但GRACE受多种因素的综合影响，其周年项振幅略大于水文模式；水库3次蓄水引起的等效水高变化分别为60.2 mm、28.3 mm、20.5 mm，与利用水位观测估计得到的库区容量变化具有较好的一致性；分析2003~2009年正向建模改正前后GRACE反演得到的三峡地区等效水高变化速度的空间分布发现，改正后库区蓄水信号明显收敛。     

SWARM卫星时变重力场反演及其精度

基于SWARM卫星的精密轨道数据,利用短弧积分法解算2015-01～2021-12共84个月的40阶次TVG-SWARM月时变重力场模型,并与ASU、COST-G、IGG和ITSG等机构的月时变重力场模型进行比较。结果表明：1)从大地水准面阶误差与模型位系数误差谱看,不同SWARM模型的低阶位系数精度相当,特别是前10阶均与ITSG-GRACE/GRACE-FO接近;2)不同SWARM模型与ITSG-GRACE/GRACE-FO模型全球陆地水储量变化趋势空间分布具有较好的一致性,在亚马孙流域、格陵兰岛、密西西比河流域和西西伯利亚等区域,TVG-SWARM与ITSG-GRACE/GRACE-FO模型的趋势差值分别为0.23 cm/a、0.27 cm/a、0.57 cm/a和0.47 cm/a,相关系数均达到0.85以上,并与IGG-SWARM模型结果最为接近。本文研究结果证明了TVG-SWARM模型精度可靠,可以用于监测大尺度陆地水储量变化。     

土地利用和气候变化对海河流域蒸散发时空变化的影响

蒸散发（ET）是水文能量循环和气候系统的关键环节,研究ET的时空变化特征及其响应土地利用和气候变化的驱动机制对于理清流域水资源和气候变化的关系具有重要的意义。本文基于MOD16/ET数据集定量分析了海河流域2000-2014年ET的时空变化特征,并结合时序气温降水数据和土地利用数据,采用相关分析方法定量探索了ET与气候因子的驱动力关系。结果表明：① 海河流域2000-2014年ET表现为较为显著的空间分布格局,呈现出北部和南部高、西北部和中东部低的分布特性。不同土地利用类型的多年ET呈林地>草地>耕地>其他类型的特征;② 2000-2014年海河流域年均ET波动范围为371.96~441.29 mm/a,多年ET的均值为398.69 mm/a,平均相对变化率为-0.41%,整体呈下降趋势;③ 多年月ET与气温和降水均呈单峰型周期性变化趋势,年内月ET呈单峰变化趋势;④ 春秋两季的ET与降水和气温的相关性明显高于其他季节,ET与气温和降水的平均相关系数是-0.17和0.37,表明降水对于ET的响应程度强于气温;⑤ 驱动分区结果表明海河流域ET受气候因子驱动的主要类型是降水驱动型和降水、气温共同驱动型;⑥ 海河流域耕地ET变化气候因子驱动模式主要是降水、气温共同驱动型;林地、草地的驱动模式主要气温驱动型和降水驱动型,其他土地利用类型的驱动模式主要是受其他因素驱动。该研究将对海河流域水资源开发管理和区域气候调节起到科学指导作用。     

利用广义三角帽法评估GRACE/GRACE-FO反演流域陆地水储量变化的不确定性北大核心CSCD

利用广义三角帽法评估5个最新版本GRACE/GRACE-FO时变重力场模型反演全球流域陆地水储量变化的不确定性,并探讨地理位置、气候类型和流域面积对不确定性的影响。结果表明:1) COST-G、CSR、JPL、ITSG和GFZ时变重力场模型反演全球流域陆地水储量变化的平均不确定性分别是0.41 cm、0.63 cm、0.66 cm、0.81 cm和0.97 cm;2)流域陆地水储量变化的不确定性与流域面积和地理位置存在较强的相关性,与气候类型的相关性较小;3)当观测数据质量较差时,不同模型反演的流域陆地水储量变化存在较大差异。     

气候变化和人类活动对长江流域水储量变化的影响研究

利用2002-08～2016-12 GRACE数据扣除泄漏影响得到的长江流域陆地水储量（TWS）变化，分析其时空变化特征和趋势。结果表明，在此期间长江流域TWS增速为0.13±0.12 cm/a；TWS变化大的区域，如泄漏改正后三峡库区TWS变化由约10 mm/a变为15~20 mm/a，并呈现更大的空间异质性。利用多种气象数据，从气候变化和人类活动角度深入研究长江流域水循环变化。结果表明，降水量与TWS变化在时间和空间上都具有较高的相关性，TWS变化延迟1~2个月；上游源头处温度是影响TWS变化的主导因素，温度升高加速了上游高山冰川融化，使TWS具有增长趋势；三峡工程的蓄水也导致TWS变化；ENSO是长江流域TWS变化的主要影响因素。     

利用GRACE/GRACE-FO重力卫星探测黄河流域水储量能力及极端气候发生的可能性

基于2004~2021年GRACE/GRACE-FO重力卫星数据反演黄河流域陆地水储量时空变化,并构建干旱指数模型和洪水因子模型,对黄河流域的极端气候现象进行分析研究。结果表明,2004~2021年黄河流域的陆地水储量以0.56 cm/a的速度减少,具有明显的季节周期性特征,在夏季和秋季呈盈余状态,春季和冬季呈亏损状态;干旱指数模型监测到期间黄河流域发生极度干旱事件22次、重度干旱事件37次,干旱事件范围涵盖整个黄河流域;洪水因子模型探测到黄河流域共发生洪水事件118次,多出现在夏季和秋季雨水较为丰沛的时候,期间黄河流域陆地水储量能力较弱,降雨量增大。利用GRACE/GRACE-FO重力卫星数据构建的干旱指数模型和洪水因子模型探测的气象结果与实际观测结果较为符合,能真实反映黄河流域发生的极端气候,可为极端气候研究提供有利工具。     

1980—2020年中国九大流域蒸散发及其组分时空评估

蒸散发是地表陆气水分交换的纽带,准确量化蒸散发的时空演变格局对于水资源规划与管理至关重要。本文基于GLEAM模型的蒸散发及其组分数据集,借助7个通量观测站数据、120个流域的流域水量平衡及PML_V2蒸散发产品,在中国九大流域系统评估了GLEAM-ET产品,分析了植被恢复背景下,蒸散发（ET）及其组分（植被蒸腾Ec,截留蒸发Ei,土壤蒸发Es）在1980—2020年的时空演变格局。本文主要得到以下结论：① GLEAM-ET产品在中国九大流域具有较好的适用性,其性能与气候类型有关,干旱区效果优于湿润区。此外,GLEAM与PML_V2模型在九大流域相关性较好（R>0.7）,分布格局与变化趋势整体保持一致。② 全国尺度上,ET均值为416.88 mm,增长速率为1.21 mm/a。Ec与ET均呈自东南向西北递减的分布格局,而Es与其相反。Ec、ET在九大流域均呈显著增加趋势（p<0.001）。Ei、Es在季风区流域分别呈显著增加和显著减小趋势;在内陆区流域呈不显著减小（p>0.05）和显著增加趋势。③在植被恢复背景下,ET组分比例发生了变化。Ec占比变化存在南北差异,南方流域Ec占比均减小,北方流域均增加。Ei占比在各流域均增加,Es占比均减小。黄河流域ET组分对植被恢复的响应最为明显,Ec占比增加了5.21%,Es占比减小了5.56%。     

Water resources response and prediction under climate change in Tao'er River Basin,Northeast China

Climate change has significantly affected hydrological processes and increased the frequency and severity of water shortage, droughts and floods in northeast China. A study has been conducted to quantify the influence of climate change on the hydrologic process in the Tao'er River Basin(TRB), one of the most prominent regions in northeast China for water contradiction. The Soil and Water Assessment Tool(SWAT) model was calibrated and validated with observed land use and hydro-climatic data and then employed for runoff simulations at upper, middle and lower reaches of the river basin for different climate change scenarios. The results showed that a gradual increase in temperature and decrease in annual precipitation in the basin was projected for the period 2020-2050 for both representative concentration pathways(RCP) 4.5 and 8.5 scenarios. The climate changes would cause a decrease in annual average runoff at basin outlet by 12 and 23 million m3 for RCP4.5 and 8.5, respectively. The future runoff in the upstream and midstream of the basin during 2020-2050 would be-10.8% and-12.1% lower than the observed runoff compared to the base period for RCP4.5, while those would be-5.3% and-10.7% lower for RCP8.5. The future runoff will decrease at three hydrology stations for the assumed future climate scenarios. The results can help us understand the future temperature and precipitation trends and the hydrological cycle process under different climate change scenarios, and provide the basis for the rational allocation and management of water resources under the influence of future climate change in the TRB.     

Water discharge variability of Changjiang （Yangtze） and Huanghe （Yellow） Rivers and its response to climatic changes

Influences of large-scale climatic phenomena, such as the E1Nifio/La Nifia-Southem Oscillation （ENSO） and the Pacific Decadal Oscillation （PDO）, on the temporal variations of the annual water discharge at the Lijin station in the Huanghe （Yellow） River and at the Datong station in the Changjiang （Yangtze） River were examined. Using the empirical mode decomposition-maximum entropy spectral analysis （EMD- MESA） method, the 2- to 3-year, 8- to 14-year, and 23-year cyclical variations of the annual water discharge at the two stations were discovered. Based on the analysis results, the hydrological time series on the inter- annual to interdecadal scales were constructed. The results indicate that from 1950 to 2011, a significant downward trend occurred in the natural annual water discharge in Huanghe River. However, the changes in water discharge in Changjiang River basin exhibited a slightly upward trend. It indicated that the changes in the river discharge in the Huanghe basin were driven primarily by precipitation. Other factors, such as the precipitation over the Changjiang River tributaries, ice melt and evaporation contributed much more to the increase in the Changjiang River basin. Especially, the impacts of the inter-annual and inter-decadal climate oscillations such as ENSO and PDO could change the long-term patterns of precipitation over the basins of the two major rivers. Generally, low amounts of basin-wide precipitation on interannual to interdecadal scales over the two rivers corresponded to most of the warm ENSO events and the warm phases of the PDO, and vice versa. The positive phases of the PDO and ENSO could lead to reduced precipitation and consequently affect the long-term scale water discharges at the two rivers.