青藏高原及其東部多年水量平衡變化特征研究

王鵬 黃瑾

摘 ?要：文章基于實(shí)測降水?dāng)?shù)據(jù)、重力衛(wèi)星數(shù)據(jù)和陸面數(shù)據(jù)同化系統(tǒng)輸出降水、徑流、蒸散發(fā)數(shù)據(jù)來計(jì)算青藏高原及其東部的江河源區(qū)的各研究流域的多年陸地蓄水量。計(jì)算結(jié)果表明，在各研究流域上的陸地蓄水量其均不為0，其在年際間存在較大的波動。不同數(shù)據(jù)的計(jì)算結(jié)果存在較大的差異，基于重力衛(wèi)星數(shù)據(jù)的陸地蓄水量變化幅度遠(yuǎn)小于其他數(shù)據(jù)。這種差異可能與數(shù)據(jù)的質(zhì)量有關(guān)。

關(guān)鍵詞：多源數(shù)據(jù);水量平衡;陸地蓄水量

中圖分類號：P333 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：2095-2945（2019）28-0041-02

Abstract： Based on the measured precipitation data， gravity satellite data and land surface data assimilation system， this paper calculates the multi-year land storage capacity of the Qinghai-Tibetan Plateau and its eastern rivers. The results show that the land water storage capacity in each study basin is not 0， and it fluctuates greatly from year to year. The calculation results of different data are quite different， and the variation range of land water storage based on gravity satellite data is much smaller than that of other data. This difference may be related to the quality of the data.

Keywords： multi-source data; water balance; land water storage

前言

陸地水文循環(huán)系統(tǒng)的演變和轉(zhuǎn)化對氣候系統(tǒng)、水資源的可用性、極端水文氣候事件的發(fā)生等等有著重要影響。全球陸地水循環(huán)也是了解地表、海洋和大氣間復(fù)雜的互動反饋機(jī)制的關(guān)鍵點(diǎn)。而通過對各種數(shù)據(jù)源的（傳統(tǒng)的地面觀測，衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)，模型模擬數(shù)據(jù)，再分析數(shù)據(jù)）水量平衡的準(zhǔn)確估算模擬對于理解全球水循環(huán)來說十分有必要。

反應(yīng)區(qū)域地表水文循環(huán)的水量平衡公式為：P-E-R=TWSC。對于區(qū)域水量平衡研究來說，最理想的情況無疑是在觀測條件較好，數(shù)據(jù)較為完備的試驗(yàn)流域進(jìn)行（Finnigan and leaning 2000）。雖然地表實(shí)測數(shù)據(jù)較為準(zhǔn)確，常被當(dāng)成是“真值”，但對于絕大多數(shù)流域來說，地面觀測的真實(shí)值仍是較為匱乏的。而衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)、模型模擬數(shù)據(jù)和再分析數(shù)據(jù)的逐步豐富，使其能夠在地面觀測資料較為稀少的地區(qū)提供諸如蒸散發(fā)，徑流等數(shù)據(jù)。地表水文循環(huán)是一項(xiàng)復(fù)雜的動態(tài)過程，其囊括了水分轉(zhuǎn)換，移動以及存儲的能量交換及物質(zhì)傳輸關(guān)系。因此，非觀測手段所得數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和真實(shí)性往往取決于參數(shù)，下墊面等流域要素。

當(dāng)前，針對水文循環(huán)的水量平衡方程，國內(nèi)外已有不少研究。主要集中在以下幾個方面：

盡管國內(nèi)外研究在區(qū)域水量平衡計(jì)算方面已經(jīng)取得了一定的成果，但由于區(qū)域水量平衡本身的復(fù)雜性，數(shù)據(jù)的不確定性等諸多因素。區(qū)域水量平衡計(jì)算研究在以下方面仍有較大的發(fā)展空間：（1）定量評估多源數(shù)據(jù)的不確定性對區(qū)域水量平衡計(jì)算的影響。（2）如何評估多因素影響下區(qū)域水量平衡演變特征，區(qū)域水量平衡受流域的地形、地質(zhì)、氣候、植物耗水、土壤水運(yùn)動、地下水儲蓄、人類活動等多方面因素的影響，各組分間相互演化過程中具有復(fù)雜的時空特征。

綜上所述，水量平衡各組分?jǐn)?shù)據(jù)來源的多樣性，影響因素的復(fù)雜性以及用于計(jì)算數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性為區(qū)域水量平衡的計(jì)算帶來了挑戰(zhàn)。而從全局角度分析水量平衡組分的時空變異特征及影響因子，系統(tǒng)地揭示水文循環(huán)過程中的水量平衡各組分轉(zhuǎn)換機(jī)理，為正確認(rèn)識水文循環(huán)提供科學(xué)依據(jù)。本文首先分析水量平衡方程各組分的變化情況，其時間上對比分析了基于GRACE數(shù)據(jù)和水量平衡法估算的陸地蓄水量變化量（TWSC）的差異，進(jìn)而分析其波動規(guī)律。

1 研究區(qū)域、數(shù)據(jù)及方法

1.1 研究區(qū)域

本文選取了青藏高原及其東部江河的源區(qū)的幾個典型流域進(jìn)行分析，各流域分布示意圖如圖1所示。

1.2 數(shù)據(jù)

本論文所選用的數(shù)據(jù)來源于地面觀測、衛(wèi)星遙感及陸面模式模擬數(shù)據(jù)。其中降水?dāng)?shù)據(jù)選用中國氣象共享網(wǎng)所提供的實(shí)測格網(wǎng)降水?dāng)?shù)據(jù)（分辨率為0.5°），以及GLDAS降水?dāng)?shù)據(jù)（分辨率為1°）。蒸散發(fā)數(shù)據(jù)采用MOD16蒸散發(fā)（分辨率為0.05°）及GLDAS蒸散發(fā)數(shù)據(jù)（分辨率為1°）。徑流數(shù)據(jù)選用GLDAS模擬的徑流數(shù)據(jù)（分辨率為1°）。綜合考慮，本文選用了2000-2014年這一時間段的GLDAS-1的四套模型（NOAH，VIC，CLM，MOS四個模式）數(shù)據(jù)以及其他數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

1.3 陸地蓄水量變化量

對于陸地蓄水量變化量（TWSC）通常由以下兩種方式算得，（1）由GRACE重力衛(wèi)星數(shù)據(jù)估算所得，也即是TWSCGRACE=GRACEM-GRACEM-1。（2）由水量平衡方程計(jì)算所得，也即是TWSCwb=P-E-R?？紤]到由水量平衡公式法計(jì)算時，降水與蒸散發(fā)數(shù)據(jù)存在多個數(shù)據(jù)來源，因此，我們將不同的數(shù)據(jù)來源進(jìn)行編號，如下所示：

A：GLDAS降水-GLDAS蒸散發(fā)

B：GLDAS降水-MOD16蒸散發(fā)

C：實(shí)測降水-GLDAS蒸散發(fā)

D：實(shí)測降水-MOD16蒸散發(fā)

2 陸地蓄水量變化量（TWSC）變化規(guī)律

考慮到GRACE數(shù)據(jù)存在不少缺失值，因此選擇數(shù)據(jù)最為完整的2004年-2010年，在流域尺度上與不同來源數(shù)據(jù)的水量平衡法估算的TWSC進(jìn)行對比分析，并探究其多年累計(jì)值變化規(guī)律，其結(jié)果如圖2所示。在各研究流域上，基于A方法計(jì)算的各模型的結(jié)果基本一致，但在青藏北存在明顯偏低的情況。除青藏北以外的各流域上的TWSC較為一致。而基于B方法計(jì)算的結(jié)果，各模型間相距較小，但在各流域上幅度存在較大的波動，唐乃亥的各模型的計(jì)算結(jié)果接近于0，而在青藏中和青藏北地區(qū)的TWSC小于0?；贑方法計(jì)算的結(jié)果，其在各流域上的計(jì)算結(jié)果基本小于0，而各模型間的結(jié)果同樣也存在較大的差距。對D方法的計(jì)算結(jié)果來看，青藏中和唐乃亥地區(qū)的計(jì)算結(jié)果接近于0，而青藏北地區(qū)的存在明顯的負(fù)偏，而其他站點(diǎn)上存在顯著的正偏。

3 結(jié)束語

本文選用GLDAS四套模型模擬的降水、徑流及蒸散發(fā)數(shù)據(jù)，通過水量平衡公式法來計(jì)算TWSC。其計(jì)算結(jié)果表明，基于水量平衡公式計(jì)算的各研究流域多年TWSC并不為0。Sheffield等（2009）提出，單獨(dú)使用遙感數(shù)據(jù)進(jìn)行水量平衡計(jì)算無法使其閉合，Gao等（2010）和Penatti等（2015）人的研究也提及了這一點(diǎn)。為更進(jìn)一步分析，引入實(shí)測降水、MOD16蒸散發(fā)數(shù)據(jù)進(jìn)行對比計(jì)算。發(fā)現(xiàn)其多年TWSC的累計(jì)值仍不為0，且波動幅度較大（-20mm/月到30mm/月）。而在水量平衡方程中，通常都認(rèn)為，多年TWSC的累計(jì)值約等于0。作為主要驅(qū)動數(shù)據(jù)的降水，其作為地表水循環(huán)的主要的直接的來源，對于最終計(jì)算結(jié)果有著較大的影響（Fu et al.， 2007）。在通過水量平衡法計(jì)算TWSC時，不確定性誤差的主要來源就是降水?dāng)?shù)據(jù)的數(shù)據(jù)質(zhì)量。在地面觀測站點(diǎn)較為稀疏的地區(qū)，降水?dāng)?shù)據(jù)的誤差較大（Oki 和Kanae， 2006）。

參考文獻(xiàn)：

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