趙應(yīng)麗 沈 強(qiáng) 馮 偉 汪漢勝 高 凡 賴偉玉 劉甜甜
1 中國(guó)科學(xué)院精密測(cè)量科學(xué)與技術(shù)創(chuàng)新研究院大地測(cè)量與地球動(dòng)力學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 武漢市徐東大街340號(hào), 430077 2 中國(guó)科學(xué)院大學(xué)地球與行星科學(xué)學(xué)院,北京市玉泉路19號(hào)甲, 100049 3 中山大學(xué)測(cè)繪科學(xué)與技術(shù)學(xué)院,廣東省珠海市大學(xué)路2號(hào), 519082
水的運(yùn)移和重分布是水圈與其他圈層進(jìn)行物質(zhì)交換的重要途徑,因此精確評(píng)估陸地水儲(chǔ)量變化是全球水循環(huán)研究的重點(diǎn)。目前常用的陸地水變化觀測(cè)方法主要包括地面站點(diǎn)觀測(cè)、遙感衛(wèi)星觀測(cè)以及水文模型模擬等,但上述方法均存在局限性:地面站點(diǎn)觀測(cè)存在站點(diǎn)分布不均勻、布設(shè)耗時(shí)耗力、觀測(cè)范圍小等缺點(diǎn);遙感衛(wèi)星觀測(cè)僅能獲取土壤淺層水含量,深層地下水的獲取十分困難;水文模型本身就具有一定的不確定性(誤差),且在數(shù)據(jù)資料缺失的地區(qū)很難準(zhǔn)確模擬出陸地水儲(chǔ)量變化。GRACE衛(wèi)星測(cè)量能夠有效避免上述缺點(diǎn)。自2002年以來(lái),相關(guān)學(xué)者利用GRACE衛(wèi)星對(duì)陸地水循環(huán)、冰蓋和冰川質(zhì)量平衡、海平面變化和海底壓力變化等方面進(jìn)行廣泛研究[1-3]。還有學(xué)者利用GRACE重力衛(wèi)星觀測(cè)的全球時(shí)變重力場(chǎng)來(lái)研究流域水儲(chǔ)量變化:胡小工等[4]和許民等[5]分析并預(yù)測(cè)長(zhǎng)江流域陸地水的季節(jié)、時(shí)空變化發(fā)現(xiàn),長(zhǎng)江流域水儲(chǔ)量呈逐月增長(zhǎng)的趨勢(shì);李曉英等[6]結(jié)合GRACE和MODIS數(shù)據(jù)對(duì)長(zhǎng)江流域水儲(chǔ)量變化進(jìn)行研究;嚴(yán)家寶等[7]對(duì)2002~2015年中國(guó)陸地水儲(chǔ)量的變化趨勢(shì)和時(shí)空分布規(guī)律進(jìn)行研究。
流域是研究水儲(chǔ)量變化的重要自然單元,流域尺度水儲(chǔ)量變化的研究,對(duì)包含在該流域內(nèi)的區(qū)域農(nóng)業(yè)灌溉、生活用水以及工業(yè)用水等具有重要意義,同時(shí)有助于促進(jìn)中國(guó)經(jīng)濟(jì)建設(shè)、開(kāi)展天氣預(yù)報(bào)及干旱、洪水等災(zāi)害預(yù)測(cè)。因此,本文以流域?yàn)檠芯繂卧?,利用GRACE數(shù)據(jù)開(kāi)展全國(guó)七大流域(長(zhǎng)江、黃河、珠江、淮河、海河、松花江、遼河)長(zhǎng)時(shí)間水儲(chǔ)量變化研究,以期更全面地了解中國(guó)流域水儲(chǔ)量變化特征。
本文采用得克薩斯大學(xué)空間研究中心CSR發(fā)布的Level-2 RL06版本數(shù)據(jù)的60階GSM產(chǎn)品,并對(duì)C20、C21、C22以及1階項(xiàng)進(jìn)行替換。由于GRACE與GRACE-FO衛(wèi)星中間有1 a多的數(shù)據(jù)間斷期,因此提取國(guó)家青藏高原科學(xué)數(shù)據(jù)中心公布的“中國(guó)區(qū)域基于降水重構(gòu)陸地水儲(chǔ)量變化數(shù)據(jù)集(2002~2019)”第164~174個(gè)月(2017-07~2018-05)的數(shù)據(jù)作為替代,進(jìn)行陸地水儲(chǔ)量變化估計(jì)。
本文采用的降水、氣溫?cái)?shù)據(jù)來(lái)源于國(guó)家青藏高原科學(xué)數(shù)據(jù)中心公布的“中國(guó)區(qū)域地面氣象要素驅(qū)動(dòng)數(shù)據(jù)集”。該數(shù)據(jù)集是基于現(xiàn)有的Princeton再分析數(shù)據(jù)、GEWEX-SRB輻射數(shù)據(jù)、GLDAS數(shù)據(jù)和TRMM降雨數(shù)據(jù),結(jié)合中國(guó)氣象局常規(guī)氣象觀測(cè)數(shù)據(jù)制作而成。
利用時(shí)變重力場(chǎng)解算地表質(zhì)量密度變化:
[ΔClmcos(mλ)+ΔSlmsin(mλ)]
(1)
本文采用300 km高斯平滑來(lái)降低高階噪聲的影響[8],采用Swenson去條帶方法處理?xiàng)l帶誤差[9],利用尺度因子進(jìn)行泄露誤差處理[10],利用GIA模型進(jìn)行GIA改正[11]。
區(qū)域水質(zhì)量變化的平衡方程為:
dTWS/dt=P-E-R=ΔSWES+ΔSMS
(2)
式中,P為降雨量,E為蒸散發(fā)量,R為徑流量,ΔSWES為土壤水變化量,ΔSMS為積雪變化量。
七大流域2002~2018年水儲(chǔ)量變化趨勢(shì)的空間分布見(jiàn)圖1,各流域陸地水儲(chǔ)量變化的時(shí)間序列見(jiàn)圖2。
圖1 各流域2002~2018年水儲(chǔ)量變化趨勢(shì)的空間分布
圖2 各流域陸地水儲(chǔ)量變化的時(shí)間序列
長(zhǎng)江流域是我國(guó)面積最大的內(nèi)陸河流域。由圖1(a)可見(jiàn),長(zhǎng)江流域陸地水從湖南省一帶向四周逐漸減少,流域上游部分位于青藏高原,陸地水從唐古拉山脈到青海省逐漸增加,四川省東部地區(qū)陸地水最少,湖南省陸地水最多。由圖2(a)可見(jiàn),在研究時(shí)段內(nèi),長(zhǎng)江流域陸地水整體呈上升趨勢(shì),年平均增長(zhǎng)率為3.84±0.7 mm/a。陸地水變化的季節(jié)性特征顯著,每年夏季陸地水最多,且整季呈盈余狀態(tài);秋季陸地水次之;春季陸地水少于秋季陸地水;冬季陸地水最少,且呈虧損狀態(tài)。這與許民等[5]、李曉英等[6]等的研究結(jié)論相同。
由圖1(b)可見(jiàn),黃河流域水儲(chǔ)量由東至西呈遞增趨勢(shì),流域東部水儲(chǔ)量虧損,西部水儲(chǔ)量盈余。流域內(nèi)山西省的水儲(chǔ)量最少,因?yàn)樯轿魇∈俏覈?guó)的產(chǎn)煤大省,煤炭資源開(kāi)采致使山西省地下水流失,間接導(dǎo)致該地區(qū)陸地水虧損[12]。由圖2(b)可見(jiàn),黃河流域水儲(chǔ)量總體呈下降趨勢(shì),以每年-2.65±0.8 mm等效水柱高的速率逐漸減少。
由圖1(c)可見(jiàn),珠江流域內(nèi)水儲(chǔ)量由北到南整體呈遞減趨勢(shì),流域內(nèi)水儲(chǔ)量呈盈余狀態(tài)。由圖2(c)可見(jiàn),珠江流域內(nèi)水儲(chǔ)量呈上升趨勢(shì),年平均增長(zhǎng)率為4.87±1.1 mm/a。水儲(chǔ)量變化的季節(jié)、年際特征顯著。
由圖1(d)的空間分布來(lái)看,淮河流域陸地水分布不均勻,水儲(chǔ)量由南至北逐漸減少,陸地水北少南多。由圖2(d)可見(jiàn),淮河陸地水儲(chǔ)量整體呈下降趨勢(shì)。2011年流域內(nèi)多地出現(xiàn)嚴(yán)重旱情,導(dǎo)致該年陸地水儲(chǔ)量虧損。
由圖1(e)可見(jiàn),海河流域陸地水由南至北呈增加趨勢(shì),陸地水儲(chǔ)量長(zhǎng)期呈虧損狀態(tài),該區(qū)域地下水的超采導(dǎo)致陸地水虧損嚴(yán)重[13-14]。由圖2(e)可見(jiàn),海河流域水資源下降趨勢(shì)非常顯著,以每年5.96±0.6 mm等效水柱高的速率減少。
由圖1(f)可見(jiàn),松花江流域水儲(chǔ)量由北向南逐漸減少,水儲(chǔ)量長(zhǎng)期呈盈余狀態(tài)。由圖2(f)可見(jiàn),松花江流域水儲(chǔ)量整體呈上升趨勢(shì),年平均增幅為4.52±1.1 mm/a。
由圖1(g)可見(jiàn),遼河流域陸地水儲(chǔ)量南少北多,由南至北遞增,流域內(nèi)的河北省部分陸地水儲(chǔ)量呈長(zhǎng)期虧損狀態(tài),其余區(qū)域均呈盈余狀態(tài)。由圖2(g)可見(jiàn),遼河流域水儲(chǔ)量整體呈微弱負(fù)增長(zhǎng),年平均減少率為0.54±0.9 mm/a。
本文利用中國(guó)區(qū)域地面氣象要素驅(qū)動(dòng)數(shù)據(jù)集中的降雨、氣溫?cái)?shù)據(jù)分析七大流域水儲(chǔ)量變化與氣象要素季節(jié)性響應(yīng)的時(shí)空分布規(guī)律。由于CSR中部分月份數(shù)據(jù)缺失,因此采用三次樣條曲線法對(duì)缺失月份進(jìn)行插值求取。
氣候、地形、地理位置的差異及人類活動(dòng)的影響導(dǎo)致各流域降雨量及氣溫差異明顯(圖3)。結(jié)合圖3(c)和表1可見(jiàn),珠江流域、長(zhǎng)江流域水儲(chǔ)量變化的振幅較大,其降雨量和氣溫也高于其他流域。結(jié)合圖3和式(2)可知,降雨、氣溫通過(guò)影響陸地水循環(huán)間接影響著陸地水儲(chǔ)量變化。
圖3 2002~2018年的降雨量、氣溫、陸地水儲(chǔ)量變化周年振幅的空間變化
表1 中國(guó)主要流域水儲(chǔ)量周年、半周年及長(zhǎng)期變化趨勢(shì)
氣溫可以通過(guò)影響蒸散發(fā)量間接影響陸地水循環(huán)。各流域氣溫與降雨量的變化基本一致,季節(jié)性變化特征顯著,每年夏秋季降雨量多、溫度高,春冬季降雨量少、溫度低(圖4)。
圖4 各流域降雨量、氣溫與水儲(chǔ)量變化
由圖4(a)可見(jiàn),長(zhǎng)江流域水儲(chǔ)量與降雨量均呈逐年上升趨勢(shì),水儲(chǔ)量變化的極值與月降雨量的對(duì)應(yīng)關(guān)系較好,流域水儲(chǔ)量與降雨量的季節(jié)變化特征較為一致。2004-01~02的水儲(chǔ)量在研究時(shí)段內(nèi)達(dá)到最小值,2002~2008年期間發(fā)生多次干旱事件[15],2010年的特大洪水導(dǎo)致該年長(zhǎng)江流域水儲(chǔ)量增加。由圖4(c)可見(jiàn),珠江流域水儲(chǔ)量變化與降雨量變化趨勢(shì)相符,枯水期流域內(nèi)陸地水儲(chǔ)量顯著下降,豐水期明顯增加。2008-06該流域內(nèi)多地發(fā)生嚴(yán)重洪澇災(zāi)害,導(dǎo)致該年水儲(chǔ)量高于多年均值。長(zhǎng)江中下游區(qū)域、珠江流域溫度高、降雨量充沛(圖3),雖然2個(gè)區(qū)域的溫度高、蒸散發(fā)量大,但其強(qiáng)降雨量能夠滲透補(bǔ)給區(qū)域地下水。由此可知,氣候和降雨是影響流域水儲(chǔ)量變化的主要因素,其中降水占主導(dǎo)作用,長(zhǎng)江、珠江流域豐富的降水使其陸地水儲(chǔ)量呈盈余狀態(tài)。
由圖4(b)可見(jiàn),黃河流域降雨時(shí)間分布不均勻,流域水儲(chǔ)量總體波動(dòng)變化明顯,年際變化顯著。每年9~10月黃河流域水儲(chǔ)量達(dá)到該年最大值,2002~2003年降雨量減少導(dǎo)致黃河流域干旱,同期水儲(chǔ)量減少,說(shuō)明降雨是影響黃河流域水儲(chǔ)量變化的關(guān)鍵因素之一。由圖4(d)、(e)可見(jiàn),2010-06~07淮河、海河流域溫度在研究時(shí)段內(nèi)達(dá)到峰值,降雨量少,蒸散發(fā)作用占主導(dǎo)地位;干旱加劇,陸地水儲(chǔ)量減少。
由圖4(f)可見(jiàn),松花江流域水儲(chǔ)量變化的年際波動(dòng)較大,2007年受北方大旱影響,流域降雨量較少,水儲(chǔ)量明顯下降。研究發(fā)現(xiàn),降水量的增加導(dǎo)致該流域水儲(chǔ)量盈余,與之前的研究結(jié)果相同[13]。由圖4(g)可見(jiàn),遼河流域陸地水變化波動(dòng)較小,2002~2009年降雨量逐年減少,在此期間流域水儲(chǔ)量也持續(xù)下降;2010~2013年降雨量持續(xù)上升,水儲(chǔ)量也呈整體上升趨勢(shì)。2006~2008年松花江、遼河流域氣溫升高、降雨量少,在2 a的干旱條件下,水儲(chǔ)量顯著下降??傮w來(lái)看,各流域水儲(chǔ)量的峰值會(huì)晚于降雨量峰值,這是因?yàn)榻涤晖ㄟ^(guò)水循環(huán)轉(zhuǎn)換為陸地水儲(chǔ)量,其轉(zhuǎn)換過(guò)程需要一定時(shí)間。
淮河、海河流域溫度較高、降雨量少、氣候溫暖干燥、人口密度較大,為滿足飲用水、工業(yè)用水、農(nóng)業(yè)灌溉等用水需求,淮海流域地下水被過(guò)度開(kāi)采[16],地下水消耗的速度遠(yuǎn)超自然補(bǔ)給(降雨),因此2個(gè)區(qū)域的水儲(chǔ)量長(zhǎng)期呈虧損狀態(tài)。人類活動(dòng)破壞了植被,導(dǎo)致黃河中游陸地水虧損[15];由于煤炭資源的開(kāi)采,山西省地下水流失,間接導(dǎo)致該地區(qū)陸地水虧損[12]。
工程建設(shè)、退耕還林及自然保護(hù)區(qū)的建立也影響著陸地水變化:2003年三峽水庫(kù)開(kāi)始蓄水,水庫(kù)調(diào)蓄使得水儲(chǔ)量增加;南水北調(diào)工程對(duì)緩解淮海流域長(zhǎng)期的陸地水儲(chǔ)量虧損具有重要意義。
本文利用2002~2018年167個(gè)月的GRACE、GRACE-FO月平均重力場(chǎng)數(shù)據(jù),分析各流域水儲(chǔ)量的整體變化趨勢(shì)及水儲(chǔ)量變化的影響因素。流域水儲(chǔ)量變化趨勢(shì)如下:遼河、海河、黃河和淮河流域水儲(chǔ)量以每年0.54±0.9 mm、5.96±0.6 mm、2.65±0.8 mm、1.94±1.2 mm等效水柱高的速率減少;松花江、長(zhǎng)江和珠江流域水儲(chǔ)量以每年4.52±1.1 mm、3.84±0.7 mm、4.87±1.1 mm等效水柱高的速率增加。流域陸地水儲(chǔ)量變化沒(méi)有明顯的地域分布特征。
珠江、長(zhǎng)江和淮河流域水儲(chǔ)量變化的周年及半周年振幅較大且季節(jié)性特征顯著。黃河、海河、松花江和遼河流域陸地水儲(chǔ)量變化的周年及半周年振幅較小,季節(jié)性特征不明顯。分析降雨、氣溫以及人類活動(dòng)對(duì)流域水儲(chǔ)量變化的影響發(fā)現(xiàn),GRACE反演的水儲(chǔ)量變化與降水量變化有較好的一致性。由于降水通過(guò)蒸發(fā)、徑流等一系列過(guò)程轉(zhuǎn)化為水儲(chǔ)量需要一定時(shí)間,因此流域水儲(chǔ)量變化滯后于降雨量變化。豐沛的降雨量使得長(zhǎng)江、珠江流域水儲(chǔ)量呈盈余狀態(tài),三峽水庫(kù)蓄水使得長(zhǎng)江中游水儲(chǔ)量增加,而工農(nóng)業(yè)用水導(dǎo)致地下水被過(guò)度開(kāi)采是淮海流域水儲(chǔ)量虧損的主要影響因素。