近十年中国陆地水储量变化及其时空分布规律

严家宝 贾绍凤 吕爱锋 朱文彬

摘要：利用GRACE重力卫星数据分析了我国及十大流域近十年水储量变化趋势、年变化特征、年内分布特征以及时空分布规律，结合TRMM降水数据分析了水储量与降水的关系。研究结果表明：近十年，中国水储量变化趋势具有空间差异性，西南大部、华北平原及黄河中下游、西北准噶尔盆地一带水储量呈减少趋势，东南部、长江大部分区域、长江黄河源头以及塔里木盆地区域水储量呈增加趋势；中国水储量年变化幅度较小，淮河、海河、珠江、松花江流域振幅较大，西北诸河流域振幅最小，全国除黄河、海河和西北诸河流域外，流域水储量年变化与降水年变化均呈显著正相关，东南诸河、珠江、长江流域相关系数均达0.7以上；年内分布上，我国冬春季水储量亏缺，夏秋季水储量盈余，3月-4月西南诸河及长江流域水储量亏缺严重，7月-9月则盈余较大，华北平原5月-7月水储量有亏缺，其他月份则水储量略为盈余。此外，黄河、长江、东南诸河、西南诸河以及珠江流域水储量与降水量年内分布一致性较好，西北诸河流域2月-4月份水储量与降水一致性较差，其他月份一致性较好，而其它流域则一致性较差。

关键词：近十年；中国；十大流域；水储量；时空分布

中图分类号：TV213 文献标志码：A 文章编号：1672-1683（2016）04-0021-08

Abstract：Water storage change trend，annual change characteristics，intra-year distribution characteristics and spatial-temporal variation characteristics of China and the ten main basins in the last ten years were analyzed using the GRACE （Gravity Recovery and Climate Experiment） data.The relationship between total water storage and precipitation was analyzed by combining the TRMM （Tropical Rainfall Measuring Mission） precipitation data.The results were as follows：In the last ten years，China water storage trend showed some different characteristics.Most of China southwest part，North China Plain and the middle and lower reaches of Yellow River，the Junggar Basin of northwest China all showed a decrease in water storage.Meanwhile，southeast of China，most part of Yangtze River Basin，the origin area of Yellow and Yangtze River and Tarim Basin showed an increase.The annual change range of China water storage was very narrow.The annual change ranges of Huaihe，Haihe，Pearl，Songhuajiang river basins were wide and that of Northwest river basin was the narrowest.The water storage annual change in most of river basins had a significant positive correlation with the precipitation change except Yellow River Basin，Haihe Basin and northwest river basins.The correlation coefficients of southeast river basins，Pearl Basin and Yangtze River Basin were more than 0.7.In intra-annual distribution，China water storage was lack in winter and spring，and adequate in summer and autumn.Southwest river basins and Yangtze River Basin showed a severe deficiency in March and April，and showed more surplus from July to September.North China Plain showed a deficiency from May to July and showed a surplus in other months.Yellow River Basin，Yangtze River Basin，southeast river basins，southwest river basins and Pearl Basin showed a good consistence in intra-annual water storage and precipitation.Northwest river basins showed a good consistence except in the period of February to April.The other basins showed a bad consistence.

Key words：last ten years；China；ten main basins；water storage；spatial-temporal distribution

从垂直分层角度看，区域水储量由区域地表水储量、冰川积雪水储量、土壤水储量和地下水储量组成[1]。从水量平衡角度看，陆地水储量的变化是由降水、蒸散发、径流等活动过程的综合反映[2]。水储量的盈余和亏缺反映了某地水储量相对于其长期水储量的正负偏离，分析水储量的盈亏时空变化分布规律，对了解区域水平衡和干湿状况具有重要意义。

在GRACE（Gravity Recovery and Climate Experiment）卫星发射前，研究水储量变化主要依赖于实测数据以及数值计算模型推算。由于实测数据的匮乏，以及空间范围的限制，研究大尺度的水储量变化受到制约[3]；数值计算模型需要提供很多参数以及输入数据，输出往往也限制在特定水文要素上或特定深度的水量上[4]，如GLDAS模型输出不同深度土壤含水量的变化，并不能反映整个区域由地表到地下的水储量变化情况。2002年GRACE卫星的发射，为大尺度水储量变化研究提供了新途径[2-3]。研究者利用GRACE卫星反演的水储量进行规律及趋势分析[2-3，5–13]、蒸散发估计[14-16]、极端天气分析[17–19]、地下水储量变化[20-26]等方面的研究。

当前，利用GRACE卫星对我国水储量相关方面研究大多集中在流域尺度上。翟宁[27]、许民[28]、Huang[10]等对长江流域水储量变化规律进行了分析总结；Zhang[29]对长江流域干旱事件进行分析并与厄尔尼诺现象进行相关分析；许民[14]利用GRACE水储量数据和实测数据对黄河源区的实际蒸散发量进行估算；尼胜楠[30]结合水文模型以及降水数据对长江和黄河流域水储量变化规律进行研究；Feng[31]、冉全[21]、任永强[5]、Huang[32]结合陆面模型以及实测数据对海河流域进行地下水储量变化趋势及原因进行分析，曹艳萍[20]对黑河流域也做了相似的分析；Wang[33]利用GRACE水储量变化数据对海河流域近10年发生的干旱灾害进行研究；Moiwo[34]结合气候模型研究喜马拉雅山及青藏高原地区的水储量变化，以及对水文、生态的影响；许朋琨[6]对青藏高原地区以及雅鲁藏布江流域进行年、季水储量变化分析；Long[19]利用GRACE数据对西南洪涝和干旱事件进行监测，并利用神经网络算法对历史和未来进行反演和预测；李琼[35]结合全球水文模型和降水信息对2010年西南干旱事件进行分析。利用GRACE卫星数据对全国水储量变化进行过研究的学者有段建宾[36]、邢乐林[37]、卢飞[38]、Zhao[39]等，这些学者的研究多偏重于GRACE卫星数据处理过程以及典型区域水储量变化分析，对全国及各流域尺度的详细阐释上相对缺乏。高歌[40]利用降水和MODIS潜在蒸散发产品对全国十大流域近50年的水分盈亏量进行时空分析，由于潜在蒸散发与实际蒸散发的意义不同，加之MODIS蒸散发产品在中国西北大片区域缺乏覆盖，所以与中国实际水储量变化情况有差别。本文在借鉴这些研究的基础上，利用GRACE数据产品，对中国及十大流域水储量变化及其时空规律进行分析，试图全面了解中国水储量变化的趋势及原因。

1 数据与方法

1.1 数据

1.1.1 GRACE数据

GRACE卫星任务是由美德合作的双星项目，于2002 年发射升空。GRACE任务通过探测2颗卫星之间的距离变化来反演地球重力场的变化[41]。由时变重力场可得到地球表面密度变化，一般情况下，直接将地表密度变化转为等效水高变化。

目前，有多个机构发布GRACE数据产品。本文选用美国航天局（NASA）喷气推进实验室（Jet Propulsion Laboratory，JPL）发布的陆地等效水高格网数据月产品数据[42]，该数据是在官方三个数据处理中心（CSR、GFZ、JPL）发布的Level-2 RL05球谐系数产品的基础上经过一系列处理[43]得到的，数据精度为1°×1°。本文选用2002年4月到2015年1月三个数据中心产品各141个月（部分月份数据缺失）的数据进行研究。

1.1.2 TRMM降水数据

TRMM（Tropical Rainfall Measuring Mission）卫星实验计划是美国和日本合作开展的热带降雨测量计划，1997年发射于日本。TRMM卫星进行全球尺度的热带降雨观测，是第一次用于定量测量热带降雨的空间卫星计划，以期更深入的了解热带降雨对全球气候变化的影响。

TRMM卫星提供三个等级的资料，在研究中使用的较多的是三级融合产品3B42和3B43，分别为3小时降雨数据和月降雨数据，数据空间分辨率为0.25°×0.25°。本文选用2002年4月至2014年12月的TRMM 3B43数据。

1.2 研究方法

本文对GRACE三个数据中心各月数据产品先乘以增益系数，再减去各自2002年4月-2015年1月的平均值，然后对同月份的三个中心数据进行算术平均，得到141个月用等效水高表示的水储量产品，最后对这141个月产品进行包含缺失值的线性回归分析，得到2002年4月到2015年1月的线性变化趋势。对各流域进行分区统计，对缺失数据进行三次样条曲线插值，并对结果进行显著性检验。

在分析年变化特征时，利用中心点年滑动平均算法对水储量和降水数据进行滑动，中心点年滑动平均算法公式如下：

TRMM降水数据纬度范围为50°S～50°N，松花江流域北部部分区域在数据覆盖范围之外，笔者对2003年1月至2014年12月共144个月的TRMM在松花江流域剩余部分区域的降水量进行统计，并与对应的GPCP2.2（Global Precipitation Climatology Project）月降水产品在松花江流域的降水进行线性回归分析，得到回归系数为1.002，相关系数为0.996，说明以松花江剩余部分区域的TRMM产品计算整个松花江流域降水是可行的。

2 结果与分析

2.1 近十年中国水储量变化趋势

2.1.1 变化趋势空间分布特点

2002年4月到2015年1月，全国水储量变化趋势空间分布表现出明显的西北-东南走向的条带分布规律，空间分布同Feng[31]和Zhao[39]的结果一致。东北部松花江流域北部大部分区域，中部从西北塔里木盆地、到可可西里、长江和黄河源头、再到我国东南部大部分区域，以及最南部云南南部的一小片地区水储量增加，其中新疆东南部、阿尔金山自然保护区附近、昆仑山沿线区域以及长江中下游、岳阳-武汉-九江-芜湖段区域增幅明显，水储量增量在2～3 cm/a；而把三个水储量增加区域隔断的有两个水储量减少条带，一是北方从西北诸河流域北部到黄河流域、东部海河流域、辽河流域、淮河北部，二是西南诸河流域，从西藏南部到云贵高原，甚至往东南发展到海南岛，其中喜马拉雅山沿线与印度、尼泊尔交界区域水储量减少量为2～3 cm/a，天山山脉北部、乌鲁木齐东部部分区域水储量减少量为3～6 cm/a。

水储量减少原因存在区域差异。西南诸河流域水储量减少的主要原因是降水减少[44-45]和冰川质量减少[46]；黄淮海区域是我国的产粮基地，农业灌溉消耗大量的地表和地下水，致使地下水严重超采[31，47]；新疆西北部水储量减少的一方面原因为冰川减少[46]，由全球耕地分布图[50]和地下水灌溉耕地分布图[49]可以看到，在新疆西北部（灌溉）耕地与水储量减少区域基本吻合，笔者认为水储量减少的另一方面原因为农业灌溉以及蒸发的影响。

2.1.2 全国及十大流域变化趋势

对2002年4月到2015年1月全国和十大流域线性变化趋势进行统计（表1）。中国近10年水储量呈微弱负增长，平均年减少速率约为0.65 mm等效水高。各流域上，东南诸河、松花江、长江以及珠江呈增加趋势，平均年增加速率分别为3.22 mm/a、2.74 mm/a、1.96 mm/a和1.72 mm/a，其中东南诸河和松花江增长趋势显著；西南诸河、海河、淮河、黄河、辽河以及西北诸河均呈显著减少趋势，平均年减少速率分别为6.48 mm/a、6.41 mm/a、4.16 mm/a、3.03 mm/a、1.32 mm/a和0.86 mm/a。

2.2 水储量年波动特征

图1为中国及十大流域水储量年滑动和降水距平累积年滑动变化曲线。全国来看，近十年水储量变化较为平稳，振幅为2.44 cm；2003年初到2004年初，松、辽、西北诸河、黄、淮、海河流域水储量急剧增加，其中淮、海、松花江流域增幅较大，分别达到14.56 cm、9.92 cm和7.09 cm；黄、淮、海河流域从2004年到2014年水储量持续波动减少，其中海河流域和淮河流域在2004年初到2007年初、海河流域在2013年初到2014年、淮河流域在2012年初到2014年减少幅度较大，并在2014年达到极低值；2002年底到2004年，珠江流域及东南诸河流域水储量则急剧减少，减少幅度分别为12.49 cm和7.03 cm；松花江流域、辽河流域、西北诸河流域、长江流域、东南诸河流域在2003年到2014年水储量在均值（图中0值）附近上下波动，其中松花江流域波动幅度最大，达到11.95 cm，其次为东南诸河，为8.83 cm，波动最小的为西北诸河，波动幅度为2.33 cm；西南诸河流域近十年水储量处于下降趋势，在2005年初和2008年底有两个快速下降阶段，2009年末2010年初水储量达到极低值，2010年到2014年，水储量在极低值附近波动。

从GRACE水储量年滑动值和降水距平年滑动值的线性相关分析结果看，中国东南部相关系数较高，东南诸河流域、珠江流域、长江流域的相关系数分别达到0.75、0.72和0.72，全国及十大流域除黄河流域、海河流域、西北诸河流域外均通过0.05的相关性显著性检验。黄河流域、海河流域以及西北诸河流域相关性较差的原因在本文2.3节进行解释。

2.3 水储量年内分布特征

2.3.1 水储量年内分布空间变化特征

图2为2002年到2015年平均各月水储量空间分布。总体上来看，冬季（12月-2月）和春季（3月-5月）全国水储量较为亏缺，夏季（6月-8月）和秋季（9月-11月）水储量较为盈余。从各月变化看出，12月-次年1月水储量亏缺范围覆盖全国除黄淮海交汇区域以外的大部分区域，其中长江流域、东南诸河流域、西南诸河流域以及珠江流域亏损较多；2月-3月，西北塔里木盆地及其西北部区域、东北、华北以及东部沿海水储量由微弱亏缺转为微弱盈余，西南诸河流域云南范围亏损加重；4月-6月，黄淮海区域水储量由微弱盈余变为亏损，并逐步加重，东南诸河流域水储量逐渐由亏损变为盈余，并逐步向长江流域及内陆延伸，西南亏损范围逐步缩小并减轻；7月-9月，全国大部分区域水储量为盈余状态，其中长江流域、东南、西南水储量盈余量较大，黄淮海区域水储量逐步变为盈余，西北、东北和东南水储量开始转为微弱亏缺； 10月-12月，水储量亏缺范围由西北、东北、东南向中国中部延伸，水储量亏缺范围逐步覆盖全国除黄淮海交汇区域以外的大部分区域，长江下游亏缺量较重。

2.3.2 全国及十大流域水储量年内分布特征及其与降水的对应关系

图3为2002年到2015年全国及十大流域水储量年内分布。全国来看， 6月-10月水储量为盈余状态，其中8月份水储量最高，达到3.03 cm，11月-次年5月，水储量处于亏缺状态，1月出现最小值，为-1.78 cm。流域上，松花江流域2月-5月和8月，水储量均为盈余状态，其余月份均为亏损状态，3月份水储量最多，10月份水储量最少；辽河流域、海河流域、淮河流域4月-7月份水储量亏缺，6月亏缺量最大，其余月份基本处于盈余状态；西北诸河流域2月-8月份水储量有盈余，9月-次年1月水储量为亏缺，7月和11月分别为最大盈余和最大亏缺月份；黄河流域、长江流域、西南诸河流域、珠江流域、东南诸河流域年内分布基本一致，夏秋季水储量盈余，冬春季水储量亏缺，中国东南部盈亏转换时间较早、中部及南部盈亏变换时间次之、西北部及西南部盈亏转换时间较晚。

年内振幅上，全国振幅为4.81 cm，全国十大流域依次从高到低分别为珠江流域（18.36 cm）、西南诸河流域（17.27 cm）、长江流域（12.31cm）、淮河流域（9.84 cm）、东南诸河流域（6.41cm）、海河流域（5.97 cm）、黄河流域（4.13 cm）、辽河流域（3.65 cm）、松花江流域（3.49 cm）和西北诸河流域（1.81 cm）。从亏损转为盈余月份上看，松花江流域和辽河流域盈亏月份较为反复，松花江在2月由亏损转为盈余，8月出现亏损转盈余异常，辽河流域无明显盈亏转换月份；其他流域由亏损转为盈余起始月份从早到晚依次为2月（西北诸河流域）、4月（东南诸河流域）、6月（珠江流域、长江流域）、7月（黄河流域、西南诸河流域）、8月（海河流域、淮河流域）；由盈余转亏损起始月份分别为9月（西北诸河流域）、10月（东南诸河流域）、12月（黄河流域、长江流域、西南诸河流域、珠江流域）、次年4月（海河流域、淮河流域）。

由图3中降水与水储量的对比可以看出，黄河流域、长江流域、东南诸河流域、西南诸河流域以及珠江流域水储量年内分布与降水量年内分布一致性较好，这些流域除东南诸河流域外，水储量盈亏状态转换均较降水有1月-2月的滞后；松花江流域、辽河流域、海河流域和淮河流域水储量年内分布与降水年内分布呈负相关，其中海河流域呈显著负相关；西北诸河流域2月-4月份水储量与降水一致性较差外，其他月份一致性较好。水储量与降水的正相关是正常的，因为水储量来源于降水，降水偏丰应该水储量也偏大。不太正常的是北方松、辽、海、淮流域水储量与降水呈负相关，其原因可能主要有两个：一是北方春夏灌溉消耗了大量地表水和地下水，虽然春季降水开始增多但也抵偿不了灌溉蒸发损耗，使得降水增加与水储量减少相对应，这在黄淮海地区尤其明显[31，47，50]；二是松花江流域冬春冰冻，蒸发减少，虽然降水不多，但降水很多以冰雪的形式积蓄起来，反而水储量在增加（西北诸河2月-4月份不一致也可能是此原因），松花江流域4月-5月为春耕时期，水资源消耗大，水储量开始减少，9月-10月为水稻和玉米成熟季，耗水量减少，水储量开始增加。

3 结论

（1）近十年，中国水储量呈微弱减少趋势，减少速率为-0.65 mm/a。其空间分布格局呈西北-东南的条带状分布，北部松花江流域、中部塔里木木盆地、长江流域大部、东南诸河和珠江流域、南部云南南部小部分地区呈增加趋势；分隔这三个水储量增加区域的是两个水储量减少条带，北部从新疆北部一直到海河、淮河流域，南部从西藏南部到云贵高原、海南岛，西南诸河、海河、淮河、黄河、辽河和西北诸河流域均呈显著减少趋势。

（2）水储量年波动特征上，中国水储量变化较为平稳，近十年振幅为2.44 cm。淮河流域、海河流域、珠江流域、松花江流域振幅较大，振幅均超过10 cm；西北诸河流域振幅最小，为2.52 cm。由水储量和年降水的线性相关分析看出，全国及十大流域除黄河流域、海河流域、西北诸河流域外均为正相关，并通过0.05的相关性显著性检验；东南诸河流域、珠江流域、长江流域的相关系数分别达到0.75、0.72和0.72；降水在我国大多流域是引起水储量变化的重要原因，黄河、海河以及西北诸河流域受其他因素影响，因素可能包括农业灌溉、蒸散发等。

（3）水储量年内分布上，我国冬春季水储量较为亏缺，夏秋季水储量较为盈余。12月和次年1月，全国除黄淮海区域水储量有盈余外，其他区域基本处于亏缺状态，其中长江及其南部亏缺较为严重；2月-5月，西北和东北区域水储量转为微弱盈余，黄淮海区域则由盈余转为亏缺；6月-9月，水储量盈余范围由东南区域向内陆深入，盈余范围覆盖全国大部分区域，长江流域、西南诸河流域、珠江流域及东南诸河流域水储量盈余量大；10月-12月，水储量开始由盈余变为亏缺，范围逐步由西北、东北、东南向全国覆盖。与降水的对比发现，黄河流域、长江流域、东南诸河流域、西南诸河流域以及珠江流域水储量年内分布与降水量年内分布一致性较好；松花江流域、辽河流域、海河流域和淮河流域水储量年内分布与降水一致性较差；西北诸河流域2月-4月份水储量与降水一致性较差外，其他月份一致性较好。

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