基于GRACE 的黃河流域陸地水儲(chǔ)量時(shí)空變化研究

楊 飛，張成業(yè)，李 軍，宋子恒，郭添玉

(1.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京) 煤炭資源與安全開采國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100083；2.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京) 地球科學(xué)與測(cè)繪工程學(xué)院，北京 100083；3.煤炭開采水資源保護(hù)與利用國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 102211)

黃河流域是我國(guó)重要的經(jīng)濟(jì)地帶，構(gòu)成了我國(guó)重要的生態(tài)屏障。推進(jìn)黃河流域水資源節(jié)約集約利用是黃河流域生態(tài)保護(hù)和高質(zhì)量發(fā)展的主要目標(biāo)任務(wù)之一。彭蘇萍等[1]指出，水資源是支撐黃河流域煤炭開發(fā)、區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展和生態(tài)環(huán)境協(xié)調(diào)的基礎(chǔ)資源，而水資源短缺也是黃河流域中上游生態(tài)環(huán)境治理的瓶頸。因此，了解并掌握黃河流域水資源及其變化顯得尤為重要，是當(dāng)前黃河流域及其礦區(qū)生態(tài)環(huán)境研究的熱點(diǎn)方向。傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)手段大多利用地面水資源動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)網(wǎng)點(diǎn)及相應(yīng)的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)，會(huì)受到監(jiān)測(cè)站點(diǎn)分布和數(shù)目的影響。

GRACE(Gravity Recovery and Climate Experiment)重力衛(wèi)星計(jì)劃由美國(guó)國(guó)家宇航局和德國(guó)空間飛行中心聯(lián)合實(shí)施，衛(wèi)星于2002 年發(fā)射并于2004 年公開其重力數(shù)據(jù)[2]。GRACE 衛(wèi)星采用極地近圓軌道低衛(wèi)星跟蹤技術(shù)，通過獲取星間距離的變化及其殘差來(lái)恢復(fù)時(shí)變重力場(chǎng)信息[3-4]。在消除天體引潮力對(duì)海洋、大氣和相關(guān)地球動(dòng)力過程引起的時(shí)變重力場(chǎng)影響后，GRACE 時(shí)變重力場(chǎng)反映的主要是兩極冰蓋、山岳冰川、陸地水儲(chǔ)量以及海平面變化信息[5-6]。因此，利用GRACE 時(shí)變重力場(chǎng)可以反演陸地水儲(chǔ)量變化信息，成為當(dāng)前進(jìn)行中長(zhǎng)尺度陸地水資源時(shí)空變化分析的重要手段[7-9]。J.Wahr 等[10-11]推導(dǎo)了GRACE 數(shù)據(jù)計(jì)算陸地水儲(chǔ)量變化的基礎(chǔ)理論公式，首次利用GRACE衛(wèi)星11 個(gè)月的數(shù)據(jù)反演密西西比河流域、亞馬孫河流域和孟加拉灣地區(qū)的儲(chǔ)水量變化，證明GRACE 具有在月尺度上探測(cè)到這些流域儲(chǔ)水量變化的潛力。隨后，眾多學(xué)者提出多種基于GRACE 的陸地水儲(chǔ)量反演的改進(jìn)方法[12-17]，并成功應(yīng)用于世界范圍內(nèi)不同區(qū)域陸地水儲(chǔ)量的變化研究中[18-21]。

當(dāng)前，利用GRACE 衛(wèi)星數(shù)據(jù)計(jì)算陸地水儲(chǔ)量變化的方法主要包括球諧系數(shù)方法和Mascons 方法[22-23]。鄒賢才等[24]詳細(xì)對(duì)比了上述2 種方法并發(fā)現(xiàn)Mascons 方法存在巨大優(yōu)勢(shì)；其他學(xué)者的研究結(jié)果同樣證明Mascons 方法在一些流域的表現(xiàn)要優(yōu)于球諧系數(shù)方法[25-26]。2015 年以來(lái)，美國(guó)得克薩斯州州立大學(xué)空間研究中心(CSR)和美國(guó)噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室(JPL)發(fā)布用Mascons 方法計(jì)算陸地水儲(chǔ)量的產(chǎn)品，分別稱為CSRM 和JPL-M。2 種產(chǎn)品在不同區(qū)域陸地水儲(chǔ)量變化的比較和研究中表明，CSR-M 產(chǎn)品可以更好地反映整個(gè)區(qū)域地表陸地水遷移的實(shí)際情況[27-28]。

基于此，利用CSR 提供的RL06 Mascons 水儲(chǔ)量變化產(chǎn)品，開展黃河流域上、中、下游近20 a 陸地水儲(chǔ)量變化的研究。通過緯圈長(zhǎng)度加權(quán)平均計(jì)算每個(gè)子流域的水儲(chǔ)量變化均值，采用時(shí)間序列分解方法得到黃河流域水儲(chǔ)量變化的趨勢(shì)、年周期等整體規(guī)律，利用空間分析比較不同區(qū)域水儲(chǔ)量變化的特征，以期為更好地了解和掌握黃河流域水資源及其變化規(guī)律提供依據(jù)，為流域礦區(qū)的生態(tài)保護(hù)與可持續(xù)發(fā)展提供參考。

1 黃河流域概況

黃河發(fā)源于青海省巴顏喀拉山脈，橫跨青藏高原、內(nèi)蒙古高原、黃土高原和黃淮海平原，先后流經(jīng)青海、四川、甘肅、寧夏、內(nèi)蒙古、陜西、山西、河南和山東9 個(gè)省/自治區(qū)。其東西、南北跨度分別長(zhǎng)約1 900 km和1 100 km，經(jīng)緯度介于96°E-119°E 和32°N-42°N，流域總面積79.5 萬(wàn)km2。受大氣環(huán)流和季風(fēng)環(huán)流的影響作用比較復(fù)雜，黃河流域內(nèi)不同地區(qū)的氣候差異顯著，主要屬于南溫帶、中溫帶和高原氣候區(qū)。根據(jù)黃河水利委員會(huì)的劃分方案[29]，黃河上游指的是從源頭到內(nèi)蒙古河口鎮(zhèn)，河長(zhǎng)3 472 km，流域面積38.5 萬(wàn)km2；黃河中游指的是從內(nèi)蒙古河口鎮(zhèn)到河南鄭州桃花峪，河長(zhǎng)1 206 km，流域面積34.3 萬(wàn)km2；黃河下游指的是從鄭州桃花峪到渤海，河長(zhǎng)786 km，流域面積2.3 萬(wàn)km2。黃河流域中上游分布有晉北、晉東、晉中、黃隴、陜北、神東和寧東7 個(gè)國(guó)家大型煤炭基地，是我國(guó)目前主要煤炭生產(chǎn)區(qū)和調(diào)出區(qū)；而黃河下流分布有河南、魯西等煤炭基地。黃河流域及其分界線如圖1 所示。

圖1 黃流流域分布Fig.1 Map of the Yellow River Basin

2 數(shù)據(jù)及分析方法

本文采用美國(guó)德克薩斯大學(xué)空間研究中心CSR提供的2002 年4 月到2017 年6 月的最新版本RL06 Mascons 產(chǎn)品。較RL05 版本，RL06 使用了改進(jìn)的背景模型、新的地球系統(tǒng)參考框架和新的數(shù)據(jù)處理策略，顯著提升了數(shù)據(jù)質(zhì)量。CSR RL06 Mascons 產(chǎn)品是對(duì)GRACE 衛(wèi)星的高精度星間觀測(cè)數(shù)據(jù)Level1B 進(jìn)行直接解算，C20 項(xiàng)采用衛(wèi)星激光測(cè)月(SLR)數(shù)據(jù)的C20項(xiàng)替換，同時(shí)考慮地心一階項(xiàng)和冰后回彈改正，采用Tikhonov 正則化進(jìn)行方程組的求解。最終，CSR RL06 Mascons 數(shù)據(jù)采用NetCDF 格式，以0.25°×0.25°分辨率格網(wǎng)的形式發(fā)布。

為分析2002-2017 年黃河流域上中下游各個(gè)區(qū)域的水儲(chǔ)量變化，需要計(jì)算每個(gè)區(qū)域的平均水儲(chǔ)量變化值。采用對(duì)每個(gè)格網(wǎng)點(diǎn)的水儲(chǔ)量變化數(shù)據(jù)直接取平均值的傳統(tǒng)方法，相當(dāng)于認(rèn)為每個(gè)格網(wǎng)點(diǎn)等權(quán)。然而，CSR RL06 Mascons 產(chǎn)品為0.25°×0.25°格網(wǎng)點(diǎn)，數(shù)據(jù)在地球不同緯度之間代表的實(shí)際面積差異較大，需要考慮地球曲面的影響。本文采用緯圈長(zhǎng)度加權(quán)方法，根據(jù)地理緯度為每個(gè)格網(wǎng)點(diǎn)賦予權(quán)重來(lái)獲取不同區(qū)域的水儲(chǔ)量變化均值。計(jì)算公式如下：

式中：Wr為某個(gè)區(qū)域的水儲(chǔ)量變化均值；Δh為某一個(gè)格網(wǎng)點(diǎn)的水儲(chǔ)量變化值；λi和φi分別為格網(wǎng)點(diǎn)經(jīng)度和緯度；n為該區(qū)域總格網(wǎng)點(diǎn)數(shù)量。

本文采用時(shí)間序列分解方法來(lái)分析黃河流域上中下游不同區(qū)域水儲(chǔ)量變化的時(shí)間序列特征。將各個(gè)區(qū)域水儲(chǔ)量變化均值時(shí)間序列W(t)分解為趨勢(shì)項(xiàng)、年周期項(xiàng)和半年周期項(xiàng)。利用最小二乘法進(jìn)行參數(shù)擬合，擬合形式如下：

式中：t為時(shí)間；a為常數(shù)項(xiàng)；b為趨勢(shì)項(xiàng)；c1、c2和d1、d2分別為年周期變化和半年周期變化。

3 結(jié)果分析

通過緯圈長(zhǎng)度加權(quán)方法得到每個(gè)月黃河流域上中下游的水儲(chǔ)量變化均值，采用等效水高表示[3-4,6-7]，其時(shí)間序列及線性擬合趨勢(shì)如圖2 左側(cè)所示，可以看到，2002-2017 年，黃河上游水儲(chǔ)量變化均值的波動(dòng)范圍較小，最大和最小值分別為32.8、-56.9 mm，線性擬合趨勢(shì)項(xiàng)為-2.3 mm/a，水儲(chǔ)量變化遞減的趨勢(shì)不明顯。而黃河流域中游和下游的水儲(chǔ)量變化均值表現(xiàn)出明顯的遞減趨勢(shì)，其趨勢(shì)項(xiàng)分別達(dá)到-10.3、-17.5 mm/a。在黃河流域中游，水儲(chǔ)量變化均值的最大和最小值分別為108.9、-168.6 mm；在黃河流域下游，它們分別達(dá)到了143.8、-301.9 mm。上述結(jié)果表明近20 a 黃河流域3 個(gè)流域段水儲(chǔ)量變化的差異性，上游水儲(chǔ)量變化穩(wěn)定，月均值差異較小，趨勢(shì)性弱；中游的水儲(chǔ)量變化呈遞減趨勢(shì)；下游的水儲(chǔ)量變化范圍最大且遞減趨勢(shì)尤為明顯。

去趨勢(shì)后，黃河流域上中下游水儲(chǔ)量變化均值的時(shí)間序列如圖2 右側(cè)所示，3 個(gè)流段都表現(xiàn)出周年性及季節(jié)性變化。值得注意的是，黃河中下游水儲(chǔ)量變化在2003 年秋季有顯著的提升。這是因?yàn)樵?003 年上半年，黃河流域來(lái)水量較常年減少40%～70%，為實(shí)測(cè)記錄以來(lái)最小值；進(jìn)入汛期以后，黃河流域大部分地區(qū)降水量增加，較常年增多10%～70%，洪水時(shí)水庫(kù)得以蓄水；所以在2003 年秋季，黃河流域水儲(chǔ)量變化迅速?gòu)呢?fù)值變化到正值。

圖2 黃河流域上中下游水儲(chǔ)量變化均值的時(shí)間序列及趨勢(shì)和去趨勢(shì)后的時(shí)間序列Fig.2 Time series and trend of the mean water storage anomalies(left),and the time series after detrending(right) in the upper,middle and lower Yellow River Basin

為進(jìn)一步分析黃河流域不同流段水儲(chǔ)量變化的月度規(guī)律以及數(shù)據(jù)的變化幅度，本文統(tǒng)計(jì)了2002 年4 月到2017 年6 月3 段流域各個(gè)月份的水儲(chǔ)量變化均值并繪制箱形圖，如圖3 所示?？梢园l(fā)現(xiàn)，黃河上中下游的水儲(chǔ)量變化月度范圍有顯著的區(qū)域差異，上游整體處于-40～40 mm，而中游和下游分別處于-100～100 mm和-200～200 mm。黃河上中下游每個(gè)月的數(shù)據(jù)都在一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的范圍內(nèi)波動(dòng)，春冬季節(jié)的波動(dòng)明顯大于夏秋季節(jié)，這與該流域“冬干春旱，夏秋多雨”的氣候特點(diǎn)密切相關(guān)。另外，有少數(shù)波動(dòng)表現(xiàn)為異常值，這些異常值集中于夏季，受到夏季降水和高溫蒸發(fā)等因素影響。3 個(gè)流域段多年平均水儲(chǔ)量變化在9 月份達(dá)到最大值，且在整個(gè)夏季和秋季維持較大值。

圖3 黃河流域上中下游水儲(chǔ)量變化月數(shù)據(jù)箱形圖Fig.3 The boxplots of monthly mean data of the terrestrial water storage anomalies in the upper,middle and lower Yellow River Basin

通過對(duì)黃河流域上中下游水儲(chǔ)量變化均值的時(shí)間序列進(jìn)行分解，得到其趨勢(shì)、年周期和半年周期等信息，見表1?？梢钥吹?，時(shí)間序列分解得到的趨勢(shì)項(xiàng)與線性擬合的趨勢(shì)差別很小。黃河上游的趨勢(shì)項(xiàng)只有-2.17 mm/a，年振幅和半年振幅都較小，說(shuō)明該區(qū)域水儲(chǔ)量變化在近20 a 一直處于比較穩(wěn)定的狀態(tài)。相較于黃河中游，黃河下游的趨勢(shì)項(xiàng)、年振幅及半年振幅的增幅分別達(dá)到73%、38%和98%。上述結(jié)果表明，黃河流域上中下游水儲(chǔ)量變化存在不同的趨勢(shì)項(xiàng)和周期性。確定系數(shù)的范圍為0～1，表征最小二乘法參數(shù)擬合的可靠程度的統(tǒng)計(jì)指標(biāo)。上中下游的確定系數(shù)均大于0.5，表明時(shí)間序列分解得到較好的模型擬合參數(shù)。其中，中游確定系數(shù)為0.70，參數(shù)擬合結(jié)果優(yōu)于上游和下游。

表1 黃河流域上中下游水儲(chǔ)量變化均值的時(shí)間序列分解統(tǒng)計(jì)Table 1 Statistics of the water storage anomalies in the upper,middle and lower Yellow River Basin through time series decomposition

為表現(xiàn)黃河流域水儲(chǔ)量變化的空間分布情況，本文對(duì)該區(qū)域0.25°×0.25°格網(wǎng)點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行時(shí)間序列分解，獲取每個(gè)格網(wǎng)點(diǎn)2002 年6 月到2017 年6 月的時(shí)間序列擬合參數(shù)?；诖?，開展黃河流域水儲(chǔ)量變化空間分析。圖4 表示水儲(chǔ)量變化趨勢(shì)(圖4a)和確定系數(shù)(圖4b)的空間分布?？梢钥吹剑S河流域水儲(chǔ)量變化為增加趨勢(shì)的地區(qū)主要集中在黃河上游源頭附近區(qū)域，其年增加量在5 mm 左右。黃河下游及中游靠近黃河的區(qū)域表現(xiàn)出明顯的遞減趨勢(shì)，年減少量基本達(dá)到15 mm 以上。其他一些區(qū)域趨勢(shì)項(xiàng)大多處于-10 mm/a 以下。黃河流域水儲(chǔ)量變化存在隨經(jīng)度變化的規(guī)律，由西向東表現(xiàn)出越來(lái)越明顯的遞減趨勢(shì)。從確定系數(shù)的空間分布可以看到黃河流域擬合結(jié)果的南北差異，流域北側(cè)擬合可靠度整體優(yōu)于流域南側(cè)。整個(gè)流域確定系數(shù)大于0.5 的格網(wǎng)點(diǎn)占64%，大于0.3的格網(wǎng)點(diǎn)達(dá)到85%。

圖4 黃河流域水儲(chǔ)量參數(shù)的空間分布Fig.4 Spatial distribution of water storage factors in the Yellow River Basin

圖5 表示黃河流域水儲(chǔ)量變化的年周期振幅和半年周期振幅的空間分布?？梢钥吹?，整個(gè)流域年周期振幅都明顯大于其半年周期振幅。黃河上游源頭附近區(qū)域、中游桃花峪及黃河下游區(qū)域年周期振幅較大，達(dá)到30 mm 及以上。在上述區(qū)域，高山融雪、降水量等季節(jié)性差異是導(dǎo)致其年周期振幅相對(duì)較大的原因。黃河流域中上游其他區(qū)域的年周期振幅較小，處于10～20 mm。黃河流域水儲(chǔ)量變化的半年周期振幅表現(xiàn)出由西北向東南增大的趨勢(shì)，在黃河上游小于10 mm，黃河中游處于10～20 mm，黃河下游達(dá)到了30 mm。這與不同區(qū)域所處的氣候環(huán)境等因素有直接關(guān)系。

圖5 黃河流域水儲(chǔ)量不同變化周期的空間分布Fig.5 Spatial distribution of water storage anomalies in different period in the Yellow River Basin

4 結(jié) 論

a.黃河上游水儲(chǔ)量變化的趨勢(shì)性不明顯，只有-2.3 mm/a；中下游表現(xiàn)出顯著的遞減趨勢(shì)，分別達(dá)到-10.3 mm/a 和-17.5 mm/a。GRACE 水儲(chǔ)量變化數(shù)據(jù)很好地反映出2003 年黃河流域來(lái)水量、降水量的特殊性。

b.GRACE 水儲(chǔ)量變化數(shù)據(jù)表明黃河流域水儲(chǔ)量變化在9 月達(dá)到最大值，而春冬季節(jié)波動(dòng)較大，與該流域“冬干春旱，夏秋多雨”的氣候特點(diǎn)密切相關(guān)。水儲(chǔ)量變化的異常值集中于夏季，與夏季降水和高溫蒸發(fā)等因素相關(guān)。

c.黃河上游源頭附近區(qū)域的水儲(chǔ)量變化呈增長(zhǎng)趨勢(shì)，增長(zhǎng)率為5 mm/a 左右。黃河流域水儲(chǔ)量變化存在隨經(jīng)度變化的趨勢(shì)，由西向東表現(xiàn)出越來(lái)越明顯的遞減趨勢(shì)，最大遞減率超過20 mm/a。

d.黃河流域年周期振幅明顯大于其半年周期振幅。受高山融雪、降水量等季節(jié)性差異的影響，年周期振幅在上游源頭附近區(qū)域、中游桃花峪及下游區(qū)域達(dá)到較大值。半年周期振幅表現(xiàn)出由西北向東南增大的趨勢(shì)，可能與區(qū)域的氣候環(huán)境等因素相關(guān)。