基于GRACE陆地水储量降尺度的塔里木河流域干旱特征及驱动因子分析

水资源是维持内陆河流域社会经济与生态环境协调发展的关键因素。运用重力卫星GRACE和全球陆地同化系统模型GLDAS,结合统计方法,分析了塔里木河流域陆地水储量的时空分布,并对重力卫星GRACE估算的陆地水储量进行降尺度分析,以探究塔里木河流域局部的干旱特征。研究结果表明:2002-2015年间流域陆地水储量呈现1.6±1.1 mm/a的减少趋势,且流域北部陆地水储量为亏损状态,流域南部陆地水储量呈盈余状态;流域内GRACE陆地水储量与GLDAS土壤水的相关关系R~2达0.35(P0.05),降尺度前后的陆地水储量相关关系R~2为0.98(P0.001);尽管塔里木河流域出山口径流呈增加趋势,基于陆地水储量研究发现塔里木河流流域干旱情况依然很严峻;结合夏季0℃层、夏季积雪覆盖率及地下水资源的变化研究发现夏季0℃层和夏季积雪覆盖率对塔里木河流域陆地水储量变化影响较为明显,地下水资源量变化是流域陆地水储量变化的主要驱动因子。     

近20年黄河源区陆地水储量增加及其可能原因分析

黄河源区陆地水储量对黄河流域生态保护与高质量发展国家重大战略的实施起到至关重要作用。利用长短期记忆（LSTM）网络模型,基于GRACE和GRACE-FO重力卫星产品与GLDAS产品分析了黄河源区2002年4月至2020年3月的陆地水储量变化特征,并探讨了降水和蒸散发对陆地水储量变化的影响。结果表明：LSTM模型可用于重建GRACE与GRACE-FO产品之间的数据缺失,其在验证期的皮尔逊相关系数为0.923、纳什效率系数为0.816。此外,GRACE产品具有好的准确性,与GLDAS数据的皮尔逊相关系数为0.737。黄河源区陆地水储量呈现先增加后降低再增加的变化趋势,整体上有着明显的增加趋势。相对地下水和雪水当量,土壤水的增加是陆地水储量增加的主要贡献成分。降水量增加是黄河源区陆地水储量增加的重要原因,而蒸散发量下降是源区陆地水储量上升的可能原因。     

GRACE卫星数据在国内陆地水储量反演中的应用综述

GRACE(Gravity Recovery And Climate Experiment)重力测量卫星自2002年3月发射以来,已经提供了地球重力场十多年的观测资料,该卫星通过测量全球不同地区因质量异常所引起的重力起伏来获取陆地水储量变化的总体分布信息,为监测表层或深层水储量变化提供了新方法。系统综述了利用GRACE卫星重力数据进行水储量变化研究的国内进展,重点介绍了GRACE重力卫星及其在国内湖泊流域、河流流域和高原冰川等区域水储量变化反演的研究,并从气候因子和人口社会经济因子分析了我国水储量变化的特点,同时还探讨了GRACE在研究我国水资源储量中的技术瓶颈、可能的解决方案和未来展望。     

气候变化对青藏高原陆地水储量的影响

陆地水储量是降水、蒸散发、径流及下渗等水文过程的综合反映，控制不同尺度的水文循环过程。分析青藏高原陆地水储量在长时间尺度上的变化情况，明晰气候变化产生的影响，可为认识青藏高原的水安全风险并制定相应的水资源管理措施提供科学参考。研究综合使用GRACE数据与ISI-MIP2b多模型数据，利用多模型权重法、Mann-Kendall趋势分析等方法分析了青藏高原1861-2005年与2006-2099年陆地水储量的时空变化情况，通过试验情景设计探究了气候变化对陆地水储量及地下水储量的影响。结果表明：(1)GRACE数据显示青藏高原陆地水储量在2002-2017年间呈减少趋势，水储量变化空间异质性强，高原南部呈减少趋势，北部呈增加趋势。(2)ISI-MIP2b模拟结果显示1861-2005年间青藏高原陆地水储量在工业革命前情景（PIC）与历史情景（HIST）下呈增加趋势，气候变化降低了陆地水储量的增加速率（0.50 km3/a），同时使高原东部及中部大部分地区的陆地水储量由PIC情景下的增加趋势变为减少趋势。(3)2006-2099年间，PIC情景下青藏高原陆地水储量呈增加趋势，RCP2.6、RC...     

基于TVDI的土壤湿度时空分布及影响因子分析

【目的】实现对黄土丘陵沟壑地区土壤湿度时空分布变化的监测。【方法】基于2015年生长季4期Landsat8遥感影像,以岔口流域为例,利用温度植被干旱指数(TVDI)和GIS技术,定性地揭示了生长季土壤湿度的时空分布格局,并进一步分析了植被覆盖、地形和降雨等对TVDI的影响。【结果】岔口流域生长季土壤湿度总体上以半干旱为主(0.6TVDI0.8),以干旱为辅(TVDI0.8);土壤湿度空间格局:干旱区位于中部,偏旱区位于东南部,湿润位于西北部;对于该地区,乔木林的土壤湿度最高,坡耕地土壤湿度最低;TVDI随着随海拔的升高递增;降雨汛期的土壤湿度明显高于其他月份,LST与土壤湿度呈负相关关系。【结论】TVDI应用在黄土丘陵沟壑区取得较好的结果,可以很好地反映该地区土壤湿度的干湿状况。     

利用GRACE重力卫星观测研究近7年云南省水储量变化

基于高斯平滑法对2002年8月-2010年6月共计95个月的GRACE RL04数据反演得到云南省水储量数据,结合云南省122个气象台站的月降水、月气温资料,利用趋势分析方法研究了云南省近7年来的水储量时空变化特征。结果表明,水储量的月变幅变化过程与降水的月变化过程具有一致性,从水储量变幅可以反映出云南省2010年特大干旱事件和2005年比较严重的初夏干旱事件。云南省西北部近7年来降水减少,气温升高使得蒸散发量增加,导致该区域的水储量呈减少趋势,但是东南部受降水增加以及人类蓄水等工程的影响,水储量呈增加趋势。同一区域水储量的年内变化趋势在不同季节有所差异,除夏季有效降水量变化趋势与水储量变化趋势不一致之外,其他季节的水储量与有效降水变化趋势一致。     

归一化植被指数对陆地水储量和降水变化的响应研究——以塔里木河流域为例

利用美国国家航空航天局(NASA)提供的MODIS归一化植被指数(NDVI)数据,探讨了2003-2013年10 a间塔里木河流域NDVI的时空动态分布情况,辅以根据GRACE重力场恢复与气候实验重力卫星和TRMM热带降雨测量使命卫星数据所反演的陆地水储量和降水量数据,研究了10 a间塔里木河流域植被覆盖变化对陆地水储量变化的响应。结果表明:(1)春季NDVI最大值为0.033 67,最小值为-0.010 13,夏季NDVI值最大值为0.617 39,最小值为-0.111 72,秋季NDVI最大值为0.563 38,最小值为-0.047 11,冬季NDVI最大值为0.281 61,最小值为-0.078 64;植被NDVI呈现出夏季秋季冬季春季的规律,离河道越近,植被覆盖度也就越高,同时,植被覆盖度指数会随着越靠近沙漠、戈壁而逐步降低。(2)10 a间NDVI呈现大范围的降低趋势,只有少许范围内具有显著的增加趋势;陆地水储量和降水量的变化趋势,从西北向东南方向呈现出由急剧降低逐步递增为急剧增加。(3)区域A、B、C、D 10 a间NDVI的变化趋势分别是较为复杂、微弱降低、微弱增加和非常显著的增加。(4)降水量与NDVI之间呈现正相关关系,但影像有明显的时滞性,降水量与NDVI之间呈现负相关,植被NDVI与陆地水储量呈负相关,但是对NDVI的影响明显比陆地水储量对NDVI的影响更为显著。     

TOPMODEL在水阳江流域的应用及模型对DEM的敏感性检验

将TOPMODEL模型应用到安徽水阳江流域,检验其在湿润地区的径流模拟能力,得到了较好的模拟结果。同时,利用安徽水阳江流域不同分辨率的DEM数据,进行了DEM分辨率对TOPMODEL模型的模拟结果的敏感性实验分析,结果表明,随着流域DEM数据分辨率的降低,模型的确定性系数也随之降低,模型对流域的DEM数据是敏感的。     

TOPMODEL在水阳江流域的应用及模型对DEM昀敏感性检验

将TOPMODEL模型应用到安徽水阳江流域，检验其在湿润地区的径流模拟能力，得到了较好的模拟结果。同时，利用安徽水阳江流域不同分辨率的DEM数据，进行了DEM分辨率对TOPMODEL模型的模拟结果的敏感性实验分析，结果袁明，随着流域DEM数据分辨率的降低，模型的确定性系数也随之降低，模型对流域的DEM数据是敏感的。     

TOPMODEL在水阳江流域的应用及模

将TOPMODEL模型应用到安徽水阳江流域，检验其在湿润地区的径流模拟能力，得到了较好的模拟结果。同时，利用安徽水阳江流域不同分辨率的DEM数据，进行了DEM分辨率对TOPMODEL模型的模拟结果的敏感性实验分析，结果表明，随着流域DEM数据分辨率的降低，模型的确定性系数也随之降低，模型对流域的DEM数据是敏感的。     

土地覆被变化对径流量影响的GSAC模型分析

针对我国高寒区水文模型研究中基础数据缺乏、现有数据时空分辨率不高、蒸散发和积雪融雪难于定量计算等问题,选择基于栅格的萨克拉门托(GSAC)模型,通过设定不同的土地覆被变化情景,定量分析土地覆被变化对径流量的影响,并推求了宝清站枯水期流量。结果表明:率定参数后的GSAC模型在模拟位于寒区的宝清河流域日流量过程中,率定期和验证期的决定系数平均值为0.732 9,较好地再现了该流域1997—2001年逐日的流量过程;退耕还草、还林均会引起年径流量的增大,增幅在3.09%~44.85%之间,且退耕还草对流量的影响更大;退耕还草、还林的坡度与流域出口断面的流量具有负相关性,即坡度越小,流量越大;坡度超过15°的耕地还草后的平均流量与该区域的生态需水量最为接近。     

汉江流域多种遥感蒸散发产品评估

基于流域水量平衡原理,采用汉江流域2005-2012年GRACE水储量数据,计算得到流域水量平衡月蒸散发(ETWB),并将ETWB作为ETa真值,评估诊断模型(ETMOD16、ETZHANG、ETGLEAM)、陆面模式(ETGNOAH1、ETGNOAH2)、再分析(ETJRA55)3种类型的6种ETa产品精度;通过基于γ累积概率分布的偏差校正方法,对ETa产品进行校正,以提高各产品在汉江流域的可靠性。结果表明,校正前诊断模型产品的精度明显优于其他类型的产品,且6种ETa产品在汉江流域表现出相似的空间分布,流域中部ETa明显高于其他地区。同时,校正后的蒸散发产品精度均得到一定的提高,且偏差校正对蒸散发活动较强的月份改善效果更为明显。此外,校正前后ETGLEAM在汉江流域均表现出较高的适用性。     

柳江流域多时间尺度的降雨径流模拟分析

收集柳江流域的24个气象站点降雨数据和重要水文站流量数据,采用Pearson相关系数法和Spearman相关系数法对流域不同时间尺度的降雨量和径流深进行相关性分析,并基于遗传算法和粒子群算法,利用支持向量机模型开展多时间尺度的流域降雨径流模拟研究。结果表明:(1)柳江流域年降雨量和年径流深、汛期降雨量和汛期径流深、主汛期降雨量和主汛期径流深表示的相关性基本一致,都有明显的相关性,通过了99%的显著性水平检验。降雨量和径流深的相关性在主汛期最高,汛期次之,枯水期最差,这主要与枯水期径流多依靠水利工程的补水调节作用有关。(2)支持向量机模型在柳江流域的年径流量、汛期径流量和主汛期径流量的模拟中,通过遗传算法和粒子群算法优选出的参数的模拟效果都是相对准确的。在柳江流域年径流量的模拟中,粒子群算法优选的参数得到的支持向量机模型泛化能力更好,而在汛期径流和主汛期径流的模拟中,遗传算法优选的参数得到的支持向量机模型更加平稳。模拟结果可以为柳江流域防灾减灾提供科学依据。     

无迹加权集合卡尔曼滤波及其在土壤湿度同化中的应用

在土壤湿度模拟研究领域,现有的数据同化方法均存在一定缺陷,为此,基于集合卡尔曼滤波(EnKF)方法和无迹变换,提出了无迹加权集合卡尔曼滤波(UWEnKF),增加了对结果影响较大的集合成员的权重,且集合成员关于均值对称。结合一维Richards方程在梅林流域开展了同化表层土壤湿度的实时同化实验,验证了其有效性。结果表明:①一维Richards方程可以较好地模拟出土壤湿度的动态变化过程;②在土壤湿度模拟过程中引入数据同化方法,可以提高土壤湿度的模拟精度,但同化效果与模拟精度有关;③UWEnKF同化方法能够显著改善土壤湿度的模拟结果,比EnKF同化方法效果更佳。总之,UWEnKF是一种有效的、切实可行的数据同化方法,是提高土壤湿度模拟精度的有效手段。     

基于SEBAL模型的宁夏蒸散发遥感估算

宁夏地处干旱半干旱地区,地表蒸散发较为强烈,目前对于区域尺度蒸散发的反演是一大难点,常见的蒸散发产品分辨率较低。基于SEBAL模型对宁夏地区地表蒸散发进行了反演,并采用现有数据集对其估算精度进行了验证,结果发现,利用P-M模型和气象站水面蒸发数据验证,相关系数R²的平均值都保持在0.80和0.79以上,利用MOD16蒸散量产品验证,得到R²的平均值保持在0.90以上,均方根误差的平均值为1.03,偏差的平均值为1.76;宁夏地表蒸散量时空变化特征,在空间上,基本呈现为北部平原向南部山区增加趋势特征,在时间上,2001-2021年蒸散量整体呈上升趋势;分析不同土地利用类型地表蒸散量的分布规律,不同土地利用类型地表蒸散量的能力大小依次为：林地>耕地>水域>草地>城市建设用地>裸地,蒸散量均值依次为10.18、8.18、8.12、7.83、7.70、7.48 mm/d。研究结果表明,基于SEBAL模型反演得到的地表蒸散量有较高的精确度,同时该结果具有较高的分辨率以及在干旱半干旱地区有更广的适用性。     

南水北调一期通水后海河流域平原区地下水修复研究

海河流域平原区地下水超采严重。南水北调工程通水后该区域水资源供给格局将发生较大变化,地下水超采情况有望得到缓解。以2020年为水平年,以水资源三级区为计算单元,分析南水北调通水后区域地下水开发利用与修复情况,以追求节约用水和修复地下水位为目标进行地下水调控。该研究对于发挥南水北调工程的巨大作用和促进海河流域平原区水资源的可持续利用具有指导意义。     

耦合水动力模型的NAM模型在青狮潭流域的应用

青狮潭流域地处广西壮族自治区,属于典型的亚热带季风气候。该流域具有降雨时空分布不均的特点,汛期洪灾频发,枯水期缺水严重。应用MIKE 11软件,将一维水动力学模型(HD)与降雨径流模型(NAM)耦合,结合多场次洪水资料对青狮潭入库洪水进行模拟验证。结果表明单独的NAM模型在青狮潭流域适用性不高,但与HD模型耦合后可对青狮潭入库洪水进行较好模拟。     

基于集合卡尔曼滤波法的清江流域多源融合降水分析

高质量的水文气象观测数据是开展气象和水文灾害监测、预报预警及长期气候变化趋势分析的基本支撑。针对流域尺度内现有融合降水数据空间分辨率低的问题，通过集合卡尔曼滤波（EnKF）融合算法对清江流域33个地面站点和TRMM及CMORPH两种卫星产品的降水数据在日尺度上进行融合，得到了0.05°×0.05°的清江流域融合降水数据MSAP。利用留一交叉验证的方式对卫星降水、地面插值和MSAP融合降水数据进行定量分析，证明EnKF融合算法能从相关性系数R、平均绝对误差MAE和均方根误差RMSE 3个方面改善清江流域降水的精度，并且融合算法改善了卫星数据和地面数据在流域边界部分区域精度低的缺点，展现了EnKF融合算法在降水数据融合中的应用潜力。进一步地，将MSAP与CMFD、ERA5和MSWEP等3种主流再分析数据进行对比，并对1998年汛期清江流域与长江干流四次洪峰遭遇中最大的两次遭遇所对应的场次强降水进行了空间分析。结果表明，在时间尺度上，MSAP数据具有最高的R和最小的MAE及RMSE；在误差的空间分布上，MSAP数据在各站点精度评价指标的空间差异最小，四种再分析数据精度由高到低排序为MSAP&...     

1990-2020年阿根廷门多萨流域冰川变化研究

冰川是南美洲阿根廷门多萨流域(33°S)重要的淡水资源,冰川作为气候变化的敏感指示器,对于理解和评估全球和区域气候变化具有重要意义。为了解门多萨流域冰川分布及变化趋势,探讨其对区域水资源和生态系统的影响,为应对气候变化提供科学依据,研究基于1990-2020年Landsat遥感影像,参考RGI冰川编目数据和阿根廷国家冰川清单,通过比值阈值法和人工解译法得到7期冰川边界,研究了门多萨流域冰川面积分布与变化特征。并结合Terra Climate气候数据,揭示了该区域在研究期间的气候变化趋势,探讨了区域气候变化对冰川变化的影响。结果表明：(1)2020年门多萨流域冰川面积为134.09±11.86 km²,1990-2020年冰川总体呈极显著波动下降趋势(p<0.01),面积共减少了86.87±21.30 km²(39.31±10.14%),其中,2010-2020年冰川面积退缩速率最高。(2)门多萨流域冰川规模>10 km²占比最大,<0.1 km²占比最小,>10 km     

龙羊峡地区水-风-光出力互补特性研究

准确掌握流域水-风-光多能源互补规律对于指导清洁能源规划布局、开展多能互补调度以提升能源利用效率具有重要意义。运用数理统计方法，计算得出了龙羊峡地区典型年的水-风-光出力逐日标准化数据的多个统计量，据此分析了水-风-光出力在长期时间尺度下的互补特性。建立了基于Spearman秩相关系数的水-风-光三能源出力互补性评价指标，根据龙羊峡地区典型年的水-风-光出力逐日标准化数据，在长期时间尺度上对龙羊峡地区的水-风-光出力互补特性进行了重新定量评价，并与数理统计方法的结果进行对比印证。此外，提出了基于K-means聚类算法的典型日出力特征辨识模型，分析了不同时间尺度划分对水-风-光出力互补规律评价的影响。结果表明：(1)龙羊峡地区的水-风-光出力在长期时间尺度上的互补特性较强，春冬季节水电出力较小，风光出力较大，而夏秋季节则呈现出相反的变化特征；(2)基于Spearman秩相关系数的水-风-光三能源出力互补性评价结果为“较互补”，与数理统计方法结果一致；(3)不同时间尺度划分对水-风-光互补特性评价影响显著，随着时间尺度的增加，水-风-光出力互补规律呈增强的趋势，具体体现为：季节互补特性强于...