长江流域1982~2005年陆地水储量变化及时空分布特征

利用PER（Precipitation-Evaporation-Runoff）水量平衡方法结合大尺度陆面水文模型VIC(Variable Infiltration Capacity)模拟了长江流域1982~2005年陆地水储量的时空变化特征。结果表明：PER方法模拟的长江流域陆地水储量变化与重力卫星的观测试验(GRACE)结果呈现良好的一致性,显示该方法的合理性。长江流域在1982~2005年的多年平均气温、降水、蒸散发和径流分别为13.3 °C、1036.8 mm、459.4 mm和576.7 mm,陆地水储量季节和年际变率分别为23.3 mm和37.0 mm,水储量这24年变化的量级在200 mm左右。按照年代对1982~1990年、1991~2000年和2001~2005年这3个时段进行了统计分析,其多年平均气温分别为13.0、13.4和13.9 °C,多年平均降水分别为1031.6、1051.2和1017.4 mm;与此相应的多年平均蒸散发分别为459.8、459.9和457.7 mm,多年平均径流深分别为569.0、590.1和563.8 mm;长江流域陆地水储量的季节变率分别为21.8、26.8和22.9 mm,而年际变率分别为37.7、29.8和17.6 mm。相对于基准时段(1982~1990年),2001~2005年时段的增温速率远大于1991~2000年时段,但该时段降水却呈现减少趋势;然而两个时段的蒸散发变化不大,并且径流与降水变化趋势相同;流域平均来讲,与基准时段相比1991~2000年时段陆地水储量增加而在2001~2005年时段减少,这与降水的变化趋势相同。此外从空间分布来讲,1991~2000年和2001~2005年时段的水储量均在中部和西北呈现减少趋势,其余地区呈现增加趋势,特别地1991~2000年时段在东南地区的增加趋势尤其明显而2001~2005年时段流域的中部区域呈现明显的下降趋势,由此推断长江流域东南部水储量资源丰富,中部一些地区和西北部地区是储水量的脆弱区且对气候变化响应敏感。     

特约主题:湖泊环境与地球化学研究

正编者按语:湖泊是陆地水圈的重要组成部分,也是重要的国土资源。然而,近几十年来,随着全球气候变暖及其不稳定性和人类活动,造成湖泊生态与环境的恶化,湖泊环境已成为当前区域自然环境变化和人与自然相互作用最为敏感、影响最为深刻、治理难度最大的地理单元。另外,湖泊是以水为纽带,将地理学、地质学、构造学、沉积学、生物生态学、气象气候学、地球化学等多学科交叉在一起的一个     

利用新版GRACE时变模型反演珠江流域陆地水储量变化

本文以CSR05、GFZ05、JPL05、ITSG-Grace2016、CSR06、GFZ06、JPL06及ITSG-Grace2018等8种GRACE时变重力场模型作为研究对象,通过300 km高斯滤波和Swenson方法等数据处理策略去除时变模型的噪声,反演2005-01~2012-12珠江流域的陆地水储量变化,并利用ITSG-Grace2018模型、GLDAS水文模型、降水数据、实测地下水数据等资料对珠江流域的陆地水储量变化进行综合分析。结果表明：1）3大官方机构发布的2006版GRACE时变模型的解算精度较2005版有显著改善,ITSG-Grace2018模型的精度也较ITSG-Grace2016有一定的改善,且新版在不同时变模型间的差异更小;2）ITSG-Grace2018模型反演的珠江流域陆地水储量整体呈上升趋势,其季节性变化特征与GLDAS水文模型、降水数据及地下水测井监测数据具有较好的一致性。     

2005—2017年两次强ENSO事件对中国区域陆地水储量变化影响的卫星重力观测

近年来极端气候事件的频发对全球和区域性水循环产生了重大影响,特别是2005—2017年间两次强ENSO(El Nino-Southern Oscillation)事件使得全球陆地水储量出现了较大的年际波动.GRACE(Gravity Recovery and Climate Experiment)重力卫星随着数据质量的提高、后处理方法的完善和超过十年的连续观测,捕捉陆地水储量异常的能力明显提高,这为研究2005—2017年间两次强ENSO事件对中国区域陆地水储量变化的影响提供了观测基础.本文综合利用GRACE卫星重力数据、GLDAS水文模型和实测降水资料分析了中国区域陆地水储量年际变化和与ENSO的关系.研究发现:长江流域中、下游地区和东南诸河流域与ENSO存在较高的相关性,与ENSO的相关系数最大值分别为0.55、0.78、0.70,较ENSO分别滞后约7个月、5个月和5个月.其中长江流域下游地区与ENSO的相关性最强,2010/11 La Nina和2015/16 El Nino两次强ENSO事件使得陆地水储量分别发生了约-24.1亿吨和27.9亿吨的波动.在2010/11 La Nina期间,长江流域下游地区和东南诸河流域陆地水储量异常约在2011年4—5月达到谷值,而长江流域中游地区晚1~2月达到谷值.在2015/16 El Nino期间,长江流域中、下游地区和东南诸河流域陆地水储量从2015年9月到2016年7月持续出现正异常信号.其中,2015年秋冬季(2015年9月至2016年1月)陆地水储量异常明显是受此次El Nino同期影响的结果;2016年春季(4—5月)陆地水异常是受到此次厄尔尼诺峰值的滞后影响所致;2016年7月的陆地水储量异常则与西北太平洋存在的异常反气旋环流有关.     

基于GNSS观测的陆地水储量研究进展

介绍了基于质量负荷理论利用GNSS观测反演陆地水储量的方法,阐述了利用GNSS研究陆地水储量的进展、应用和发展趋势,以及GNSS与GRACE、水文模型等的联合研究。随着GNSS观测精度的不断提升和观测网络的迅猛发展,利用GNSS观测研究陆地水储量取得了重要进展。GNSS已成为陆地水储量监测的重要手段,在中国大陆地区利用GNSS研究陆地水储量具有巨大的潜力和前景,但仍需要在时间序列信号精细识别、反演算法优化和多源数据融合等方面深入研究。     

科尔沁沙地陆地水储量变化的GRACE时变重力场探测

为了实现科尔沁沙地的水资源监测,该文采用2003年7月至2010年12月的GRACE月重力场模型,经过去相关滤波、高斯平滑滤波和GIA改正,利用尺度因子法恢复重力场信号,反演科尔沁沙地的陆地水储量变化,与CPC水文模型反演结果进行对比分析。研究结果表明:由GRACE Release-05Level-2数据反演得到的2003年7月至2010年12月科尔沁沙地陆地水储量下降速率为-13.2±2.6(mm·a-1);CPC水文模型反演的该地区陆地水储量变化曲线与GRACE反演结果呈现出良好的一致性,具有相似的季节变化;2009年秋至2010年春该地区陆地水储量呈现直线减少,并达到最低点,这一现象与该时段中国北方的干旱事件相一致。     

利用卫星观测数据评估GLDAS与WGHM水文模型的适用性

利用2002—2012年的GLDAS和WGHM模型模拟水文产品，以及重力恢复与气候试验卫星（Gravity Recovery and Climate Experiment，GRACE）观测数据，计算了全球范围内30个主要流域的水储量变化时间序列，从模拟数据与观测数据的年周期振幅、长期趋势项及时空分布一致性等几个方面，对GLDAS和WGHM进行了评估。结果表明，GLDAS的4个子模型都表现出了明显的季节性变化，CLM年周期振幅输出最小，MOSAIC和VIC最大，NOAH居中，且最接近4个子模型的平均值。与GRACE结果相比，约80%流域的GLDAS与WGHM模型年周期振幅输出呈明显低估现象，且GLDAS的低估程度大于WGHM，但靠近北极高纬度地区的流域有相反的情况出现。在长期趋势项方面，三者结果差异较大，尤其是对于面积较小且人类活动影响较大的流域，GLDAS与WGHM模型不能充分反映人类活动的影响，模型输出表现较差，GRACE结果更接近实际情况。此外，还研究了流域水储量长期变化趋势与灌溉率的关系，发现呈现明显下降趋势的流域主要集中在高灌溉率（>10%）地区，而灌溉率是影响流域水储量变化的重要因素之一。     

利用GRACE时变重力场数据监测长江流域干旱

利用2003-01~2014-12 CSR和JPL的RL06 Mascon解、RL06球谐系数（SH）解及level-3等6种GRACE时变重力场模型数据和GPM数据产品,分别计算长江流域的水储量和降雨变化,并利用广义三角帽方法分析GRACE数据的不确定性,同时计算水储量亏损指数（WSDI）,以监测和分析长江流域干旱的时空特征,并与改进的帕默尔指数（scPDSI）进行对比。结果表明：目前在反演水储量变化方面,Mascon方法的不确定性小于球谐系数法,JPL_M、CSR_M、CSR_L3、JPL_L3、CSR_SH和JPL_SH的具体不确定性分别为3.51 mm、3.78 mm、5.45 mm、9.87 mm、9.12 mm及10.71 mm;降雨是影响长江流域水储量变化的重要因素,两者的相关系数达0.67,同时两者都具有明显的季节性变化;水储量亏损指数探测到2003-01~2014-12长江流域共历经6次干旱事件,最长时间的干旱始于2003-02,持续24个月;最严重的干旱发生于2006年春季和2011年夏季,强度分别为2.15和1.97;平均水储量亏损指数的空间分布表明,2006-07~2007-06几乎整个长江流域都处于干旱状态,而2011-03~11干旱主要集中于长江流域下游、中游和上游东南地区。