利用GRACE数据研究柴达...域水储量时空变化及干旱特征_杨国林.pdf

第 11 卷 第 1 期 导航定位学报 Vol.11，No.1 2023 年 2 月 Journal of Navigation and Positioning Feb.，2023 引文格式：杨国林，孙学先，胡栋，等.利用 GRACE 数据研究柴达木盆地区域水储量时空变化及干旱特征J.导航定位学报,2023,11(1):107-112.（YANG Guolin,SUN Xuexian,HU Dong,et al.Application of GRACE data in analysis on temporal and spatial changes of water reserves and drought characteristics of Qaidam BasinJ.Journal of Navigation and Positioning,2023,11(1):107-112.）DOI:10.16547/ki.10-1096.20230116.利用 GRACE 数据研究柴达木盆地区域水储量时空变化及干旱特征 杨国林1,2，孙学先1,2，胡 栋1,2，锁旭宏1,3，邵 明1,4，曹 辰1,4（1.兰州交通大学 测绘与地理信息学院，兰州 730070；2.地理国情监测技术应用国家地方联合工程研究中心，兰州 730070；3.中交一航局 第二工程有限公司，山东 青岛 266071；4.甘肃省地理国情监测工程实验室，兰州 730070）摘要：为了进一步研究青藏高原东北部柴达木盆地水储量变化时空分布及其干旱特征，提出一种水储量时空变化及干旱特征分析方法：利用重力恢复与气候实验卫星（GRACE）数据、全球陆面数据同化模型（GLDAS）数据以及中国地面气候资料日值数据集（V3.0）中 5 个气象站点降水数据，通过 500 km 高斯滤波和去相关滤波、基于空间约束的区域质量变化估计方法和反距离加权平均法，得到 20042016 年间柴达木盆地水储量变化、相对水储量指数和标准化降水指数（SPI）。研究结果表明：时间分布上，20042016 年柴达木盆地水储量变化整体呈上升趋势，且在 20042006 年、20072012 年和 20132016 年 3 个时间段内分别呈下降上升下降趋势，与水文模型 GLDAS 计算得到的水储量变化趋势基本一致；空间分布上，除 11 月之外其余月份均有较为明显的南北差异；在相对水储量指数与 SPI 对比中，相对水储量指数与 SPI 变化趋势基本相同，不同于 SPI 指数，相对水储量指数变化幅度更小，且反映柴达木盆地干旱情况较 SPI 更为准确；通过 GRACE 监测到柴达木盆地 20042007 年为极端干旱发生状况比较严重的时间段，2006 年出现夏伏旱，2015年 2 月干旱严重，2009 年和 2013 年个别月份出现干旱，与柴达木盆地实际干旱情况一致。关键词：重力恢复与气候实验卫星（GRACE）；柴达木盆地；水储量时空变化；相对水储量指数；标准化降水指数；干旱 中图分类号：P228 文献标志码：A 文章编号：2095-4999(2023)01-0107-06 Application of GRACE data in analysis on temporal and spatial changes of water reserves and drought characteristics of Qaidam Basin YANG Guolin1,2,SUN Xuexian1,2,HU Dong1,2,SUO Xuhong1,3,SHAO Ming1,4,CAO Chen1,4（1.Faculty of Geomatics,Lanzhou Jiaotong University,Lanzhou 730070,China;2.National-Local Joint Engineering Research Center of Technologies and Applications for National Geographic State Monitoring,Lanzhou 730070,China;3.No.2 Engineering Company Ltd.of CCCC First Harbor Engineering Company Ltd.,Qingdao,Shandong 266071,China;4.Gansu Provincial Engineering Laboratory for National Geographic State Monitoring,Lanzhou,Gansu 730070,China）Abstract：In order to study the temporal and spatial distribution of water storage changes and its arid characteristics in the Qaidam Basin in the northeastern Qinghai-Tibet Plateau,the gravity recovery and climate experiment(GRACE)data,the global land surface data assimilation model(GLDAS)data and the precipitation data of 5 meteorological stations in the set(V3.0)were 收稿日期：2022-04-02 基金项目：国家自然科学基金(41764001，41761088)；兰州交通大学优秀平台支持项目(201806)；兰州交通大学天佑创新团队支持项目（TY202001）。第一作者简介：杨国林（1978），男，甘肃临洮人，博士研究生，副教授，研究方向为大地测量理论及数据处理。108 导航定位学报 2023 年 2 月 used.Through 500 km Gaussian filtering and decorrelation filtering,regional mass change estimation method based on spatial constraints and inverse distance weighted average method,the changes of water reserves,relative water storage index and standardized precipitation index(SPI)in the Qaidam Basin from 2004 to 2016 were obtained.The research shows that in terms of time distribution,the change of water storage in the Qaidam Basin showed an upward trend as a whole from 2004 to 2016,a downward trend in 2004-2006,an upward trend in 2007 to 2012,and a downward trend in 2013 to 2016.The above change is consistent with the data obtained from GLDAS.In terms of spatial distribution,there are obvious north-south differences in the months except in November.Through a contrastive analysis of the relative water storage index and the drought index(SPI),it is found that the relative water storage index and the SPI showed a similar trend of change.Compared with SPI,the relative water storage index showed a smaller change range.According to data obtained from GRACE monitoring,2004 to 2007 was the most severe period of extreme drought in the Qaidam Basin,summer drought occurred in 2006,severe drought occurred in February 2015,and drought occurred in some months in 2009 and 2013.The data is consistent with the actual drought situation in the Qaidam Basin.Keywords:gravity recovery and climate experiment satellite(GRACE);Qaidam Basin;temporal and spatial change of water reserves;relative water reserve index;standardized rainfall index;drought 0 引言 卫星监测陆地水储量变化是获取大尺度地表物质变迁的有效手段，传统陆地水储量及干旱监测的方法由于气象站点空间分布不均，导致计算得到的干旱指数精度较低，不能准确反映地区干旱信息1。重力恢复与气候实验卫星（gravity recovery and climate experiment，GRACE）的成功发射及数据采集弥补了传统方法获取水储量变化信息的局限，为陆地水储量变化的反演提供了丰富数据资源2。通过 GRACE 数据得到的水储量变化信息反映地区干旱特征在局部地区已经得到了应用。文献1利用 GRACE 数据研究了新疆地区 2002 年8 月至 2013 年 7 月的干旱事件，其结果与近十年新疆干旱灾害实际情况相符合；文献3利用GRACE反演得到的陆地水储量变化与西南干旱事件对应时段十分吻合；文献4利用 GRACE 数据得到的水储量变化结合 105 个气象站点数据，研究了伊朗中部高原地区的干旱，结果表明 GRACE反演的水储量变化反映地区干旱特征具有一定的可靠性；文献5结合 GRACE 数据和水文数据研究了澳大利亚东南多年干旱事件；文献6根据20032013 年 GRACE 数据标准化陆地水储量指数（standardized water storage index，SWSI）监测中国区域干旱特征，研究表明 SWSI 指数可以更明显地反映出干旱事件。柴达木盆地地处青藏高原东北部，属高原大陆性气候区域，以干旱为主要特征。本文利用 20042016 年 GRACE 数据，结合标准化降水指数（standardized precipitation index，SPI），研究柴达木盆地水储量时空变化规律，分析柴达木盆地在这期间的干旱情况，评估 GRACE 相对水储量指数监测干旱事件的适用性。1 研究区域概况 柴达木盆地是中国三大内陆盆地之一，平原区降雨稀少，山区降水相对较多7-8，平均降雨量从盆地中心区的 16 mm 到西部和东部地区的190 mm 差 异 分 布，多 年 平 均 潜 在 蒸 发 量 为 1 9373 200 mm9。图 1 柴达木盆地地形及气象站和水系分布 2 数据来源及处理 2.1 GRACE 数据 GRACE 数据来源于得克萨斯大学空间研