利用GRACE数据结合干旱指数分析中国区域气候变化

摘要

水是人类生存必不可缺的资源和生物体的主要组成部分，也是影响经济社会发展的关键性因素。准确获取陆地水储量的变化情况，对分析区域水储量变化的时空分布特征、理解大中尺度的水文过程、研究水资源变化并进行有效管理、预测旱涝灾害等都具有重要的科学意义和社会经济效益。2002年发射的GRACE（Gravity Recovery and Climate Experiment）卫星使得全天候、高精度、高效获取全球范围内中长空间尺度时变重力场信息变为可能，为人们提供了监测地球质量变化的方法。本文以地球重力卫星为出发点，通过反演重力位，获取重力位均值，相继得到重力位相对均值的变化量，将重力位变化量转变为陆地水资源相对于水资源均值的变化量，进一步分析陆地水资源的变化情况。论文具体的工作和结论如下： （1）描述了空间大地测量中卫星重力探测技术的发展和三种重力卫星，对利用重力卫星数据探测地球质量变化的国内外研究现状进行了总结。介绍了 GRACE的卫星数据产品并阐述利用GRACE卫星重力场数据反演全球质量变化的原理和方法，在GRACE时变重力场后处理方法中着重分析并比较了高斯滤波、去相关滤波及组合滤波等空间平滑滤波方法及滤波强度对提取区域质量变化信号的影响。 （2）计算并分析了中国陆地各水储量变化的时空特征，发现中国陆地各水储量变化量在2002 年至 2015 年变化率的空间分布呈现了不同的变化趋势：陆地总水储量方面，显著上升地区集中在黑龙江及内蒙古东北部地区、中西部地区以及青藏高原北部地区，而显著下降的地区集中在华北地区、新疆地区和西藏南部地区，其中华北地区整体呈现下降趋势，新疆地区陆地水也几乎全部表现出减少趋势，尤其以新疆西北部最为严重，表现出最明显下降趋势的是西藏南部地区，平均变化率为-1.5cm/yr 左右，最大变化速率达到-1.9cm/yr。通过水平衡方程计算得到的地下水储量变化量与实测地下站点数据的变化量在月尺度和季节尺度都具有非常高的一致性，证明了GRACE反演结地下水的准确性。从全国地下水储量变化趋势的分布来看，华北、新疆和西藏地区都出现了较为集中的地下水储量下降的趋势，华东地区、西南地区、青海省及新疆西藏交界地区，地下水含量均呈现上升趋势，表现出较为良好的地下水资源形势。 （3）基于前人对 GRACE 数据监测干旱的方法进行分析并改进计算方法，通过改进的方法计算了2002年4月至2015年12月基于GRACE的无量纲全球范围干旱指数TDSI（Total Storage Deficit Index）时间序列，使得其在空间上具有可比性，能够独立地监测干湿期特征。在中国气候典型区域四川地区和新疆地区计算三种传统干旱指数并与 TSDI 进行比较，结果表明四种干旱指数均能监测干旱事件，但针对不同情况引发的干旱灾害又各有优劣，而基于 GRACE 数据计算的TSDI指数对干旱的监测和防治提供了新的思路和研究方法。

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