魏光輝，楊 鵬，周海鷹，夏 軍，陳 杰，桂東偉，巴音達(dá)拉

(1.新疆塔里木河流域管理局，新疆 庫(kù)爾勒 841000；2.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(武漢)，地理與信息工程學(xué)院，武漢 430074；3.武漢大學(xué) 水資源與水電工程科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430072；4.中國(guó)科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所，北京 100101;5.中國(guó)科學(xué)院新疆生態(tài)與地理研究所，烏魯木齊 830011；6.新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與土木工程學(xué)院，烏魯木齊 830052)

0 引 言

塔里木河流域地處亞歐大陸腹地，遠(yuǎn)離海洋，氣候干旱，是中國(guó)最大的內(nèi)陸河流域，綠洲灌溉農(nóng)業(yè)為其主要的農(nóng)業(yè)發(fā)展模式，由于水資源的短缺，其間存在土壤鹽漬化、水資源流失、生態(tài)系統(tǒng)退化和破壞等嚴(yán)重的環(huán)境問(wèn)題[1-3]。在氣候變化的背景下，水文氣象極端事件更加頻繁發(fā)生，對(duì)于靠冰雪融水補(bǔ)給為主的流域而言，非常不利于水資源的開(kāi)發(fā)利用[3]，因此，氣候變化也加劇了塔里木河流域水安全問(wèn)題[4]。雖然塔里木河流域降水和出山口徑流在近期有增加趨勢(shì)，但是從上游向中下游輸送的徑流卻明顯減少[3]。因而，分析塔里木河流域水資源量變化十分重要。2013年9月“一帶一路”經(jīng)濟(jì)發(fā)展戰(zhàn)略的提出，以實(shí)現(xiàn)跨越亞非歐大陸國(guó)家和地區(qū)的區(qū)域經(jīng)濟(jì)一體化為目標(biāo)，推進(jìn)國(guó)際合作，打造陸海內(nèi)外聯(lián)動(dòng)、東西雙向開(kāi)放的全面開(kāi)放新格局，也為我國(guó)西北干旱區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展提供契機(jī)[5]。因此，分析和研究塔里木河流域水資源的變化對(duì)于該區(qū)生態(tài)環(huán)境保護(hù)和社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展具有至關(guān)重要的作用。

陸地水儲(chǔ)量是全球水、能量以及生物化學(xué)循環(huán)的重要組成部分[6]，它主要包括地表水、土壤水和地下水，其中地表水包括河川徑流湖泊水、雪水當(dāng)量以及地表植被冠層水，也是水資源量表示的重要方法[7]。研究陸地水儲(chǔ)量的時(shí)空變化對(duì)于有效管理水資源和可持續(xù)發(fā)展決策具有十分重要的意義。然而，由于地形地貌、海拔高度、地質(zhì)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜，加上技術(shù)的局限，人工觀測(cè)陸地水儲(chǔ)量的變化存在較多困難，尤其是大尺度區(qū)域的陸地水儲(chǔ)量的觀測(cè)更是很難實(shí)施。然而， 2002年重力衛(wèi)星GRACE的發(fā)射為大尺度陸地水儲(chǔ)量的觀測(cè)提供了重要工具和手段，且已經(jīng)被廣泛地應(yīng)用到水文與水資源領(lǐng)域的研究中。例如：Velicogna和Wahr[8,9]基于重力衛(wèi)星GRACE數(shù)據(jù)研究發(fā)現(xiàn)格陵蘭島南部地區(qū)的冰蓋在加速減少；Longuevergne等[10]和Voss等[11]利用重力衛(wèi)星GRACE數(shù)據(jù)分別研究了中東地表水和地下水的變化；周旭華等[12]基于重力衛(wèi)星GRACE數(shù)據(jù)反演了全球陸地水儲(chǔ)量的變化，并結(jié)合全球陸地同化系統(tǒng)GLDAS模型數(shù)據(jù)進(jìn)行了對(duì)比分析和研究；鐘敏等[13]利用GRACE數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)中國(guó)華北平原、三峽庫(kù)區(qū)、青藏高原、新疆阿爾金山和青川甘交界處陸地水儲(chǔ)量變化幅度較大，且京津冀地區(qū)、青藏高原地區(qū)陸地水儲(chǔ)量呈現(xiàn)明顯的減少趨勢(shì)。但是，重力衛(wèi)星GRACE固有的空間分辨率較低及時(shí)間序列較短的特點(diǎn)嚴(yán)重限制了其應(yīng)用的推廣。盡管Long等[14]和Zhang等[15]應(yīng)用人工智能方法結(jié)合水文氣象數(shù)據(jù)對(duì)陸地水儲(chǔ)量進(jìn)行重建，延長(zhǎng)了陸地水儲(chǔ)量的時(shí)間序列，其較低的空間分辨率依然未得到有效解決。重力衛(wèi)星GRACE陸地水儲(chǔ)量空間分辨率的提高，需要通過(guò)科學(xué)合理的數(shù)學(xué)物理方法對(duì)其進(jìn)行降尺度處理，即通過(guò)科學(xué)合理的數(shù)學(xué)物理方法在不影響重力衛(wèi)星GRACE陸地水儲(chǔ)量信息的前提下，提高其空間分辨率，以便其在中小尺度流域的應(yīng)用與推廣。除此之外，在水文領(lǐng)域重力衛(wèi)星GRACE大多數(shù)情況都被用作分析陸地水儲(chǔ)量的時(shí)空變化，其水文研究應(yīng)用的潛力還亟待提高和加強(qiáng)。

為了研究流域尺度陸地水儲(chǔ)量的時(shí)空變化及其影響下的流域干旱特征，本文嘗試?yán)弥亓πl(wèi)星GRACE數(shù)據(jù)和全球陸地同化系統(tǒng)模型數(shù)據(jù)GLDAS，結(jié)合統(tǒng)計(jì)學(xué)方法，分別以數(shù)據(jù)格點(diǎn)和等效水高為權(quán)重，對(duì)塔里木河流域的陸地水儲(chǔ)量進(jìn)行空間降尺度，分析塔里木河流域陸地水儲(chǔ)量的時(shí)空變化，隨后進(jìn)行降尺度后的陸地水儲(chǔ)量分析塔里木河流域的干旱特征分析，簡(jiǎn)要分析其驅(qū)動(dòng)因素。

1 研究區(qū)概況

塔里木河流域是中國(guó)最大的內(nèi)流河流域，其面積達(dá)102 萬(wàn)km2，坐落于73°E～93°E，35°N～45°N之間(如圖1)，屬于典型的溫帶大陸性氣候，因此流域內(nèi)降水極少，蒸散發(fā)卻極其強(qiáng)烈。另外流域內(nèi)溫度變化幅度較大，常年冬季溫度跨度在-20和10 ℃之間，夏季溫度跨度在20和30 ℃之間[16]。就流域內(nèi)的降水的空間分布而言也存在較大差異，例如：流域內(nèi)山區(qū)降水較多，而平原區(qū)降水卻在較少[17-19]。另外，流域內(nèi)的年溫度也表現(xiàn)出較大的年際差異[3]。

隨著20世紀(jì)70年代以來(lái)氣溫的上升[20]，流域內(nèi)固態(tài)降水減少且冰雪融水增加。然而，對(duì)于干旱區(qū)而言山區(qū)降水及來(lái)自于山區(qū)的冰雪融水在水資源系統(tǒng)和水文過(guò)程起著十分重要的作用[21]。塔里木河流域的年均徑流量約為3.989 × 1010m3, 其中來(lái)自山區(qū)的冰雪融水大約占48.2%[22]。作為流域內(nèi)的主要源流，阿克蘇河、和田河及葉爾羌河的徑流量分別占總徑流量的73.2%，23.2%和3.6%[23]。同時(shí)，以灌溉農(nóng)業(yè)為主要農(nóng)業(yè)發(fā)展方式的塔里木河流域的社會(huì)經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展深受流域內(nèi)水資源波動(dòng)和供給能力的影響[23]。

2 數(shù)據(jù)與方法

2.1 數(shù) 據(jù)

(1)GRACE數(shù)據(jù)。重力衛(wèi)星 GRACE數(shù)據(jù)源自http:∥grace.jpl.nasa.gov。本文所涉及的陸地水儲(chǔ)量的等效水高是從第二版重力衛(wèi)星球諧系數(shù)RL05轉(zhuǎn)換得到。同時(shí)，在等效水高轉(zhuǎn)換過(guò)程中還有一些其他處理細(xì)節(jié)，如用衛(wèi)星激光測(cè)量數(shù)據(jù)(SLR)替代C20項(xiàng)[24]，重新估算1階系數(shù)[25]，冰川后回彈系數(shù)矯正[26]等。另外， 考慮到重力衛(wèi)星GRACE球諧系數(shù)數(shù)據(jù)在2004年1月至2009年12月之間不缺失[27]，因此，為了得到球諧系數(shù)的距平值，本文從原始的球諧系數(shù)中去掉了該時(shí)間段的平均值。盡管遺落誤差、測(cè)量誤差等誤差存在于重力衛(wèi)星GRACE的數(shù)據(jù)中，然而Chen等[25]卻證明了GRACE數(shù)據(jù)具有一定的適用性和可靠性。

(2)GLDAS數(shù)據(jù)。全球陸地同化系統(tǒng)模型(GLDAS)數(shù)據(jù)旨在精確反演陸地表面狀況[28]。同時(shí)，在該系統(tǒng)由3個(gè)陸面模型(Noah, Mosaic, Community Land Model-CLM)和一個(gè)水文模型(Variable Infiltration Capacity-VIC)組成。本文所用的數(shù)據(jù)來(lái)自于網(wǎng)站(http://mirador.gsfc.nasa.gov/)，文中所涉及的土壤水來(lái)自于Noah模型中的時(shí)間分辨率為月，空間分辨率為1°×1°和0.25°×0.25°兩種數(shù)據(jù)。該數(shù)據(jù)被廣泛的用到全球及各個(gè)流域的水文科學(xué)的研究領(lǐng)域中，具有較強(qiáng)的可靠性和普適性[29]。為了能夠與GRACE數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，也將2004年1月至2009年12月的平均值從原始時(shí)間序列中扣除。

(3)塔里木河流域水資源數(shù)據(jù)。本文采用的塔里木河流域水資源數(shù)據(jù)主要來(lái)自于由塔里木河流域管理局編寫(xiě)的《塔里木河流域水資源公報(bào)》，其中主要涉及塔里木河流域地下水資源量數(shù)據(jù)、塔里木河流域供水量數(shù)據(jù)以及塔里木河流域用水量數(shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)由塔里木河流域管理局出版和提供，已被生態(tài)和水文領(lǐng)域中的很多專(zhuān)家和課題組應(yīng)用，具有可靠性。

(4)夏季0 ℃層高度數(shù)據(jù)及MODIS積雪產(chǎn)品數(shù)據(jù)。夏季(6-8月)0 ℃層高度主要基于庫(kù)車(chē)、喀什和和田3個(gè)探空站數(shù)據(jù)，來(lái)源于懷俄明大學(xué)氣象數(shù)據(jù)中心(http：// www. weather. uwyo. edu/ upperair/ sounding.html)，可免費(fèi)獲取，時(shí)間分辨率為天，另外，本文是基于MODIS積雪產(chǎn)品提取的塔里木河流域夏季的積雪覆蓋率，該數(shù)據(jù)時(shí)間分辨率為月，空間分辨率為500 m，并且該數(shù)據(jù)可以從NASA相關(guān)網(wǎng)站獲取，具體為http：// modis-land. gsfc. nasa. gov/ snow. html。國(guó)內(nèi)外許多專(zhuān)家和學(xué)者基于該數(shù)據(jù)對(duì)塔里木河流域進(jìn)行過(guò)氣候變化的分析和研究[30]。

2.2 方 法

2.2.1 陸地水儲(chǔ)量估算方法

本文根據(jù)Warh等[9]提出的方法，將重力衛(wèi)星GRACE提供的重力場(chǎng)球諧系數(shù)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為等效水高數(shù)據(jù)，等效水高的具體計(jì)算方法如公式(1)：

ΔSnmsin(mφ)]Pnmsinθ

(1)

式中：H為陸地水儲(chǔ)量的等效水高，mm；θ為緯度；φ為經(jīng)度；α為赤道半徑，km；ρa(bǔ)ve為地球密度，kg/m3；kn為勒夫數(shù)(常量)；Cnm和Snm分別為重力場(chǎng)球諧系數(shù)的余弦和正弦項(xiàng)(階)；Pnmsinθ為第n階、第m次標(biāo)準(zhǔn)化后的勒讓德函數(shù)，其最高展開(kāi)階數(shù)是60階。

但是，通常在計(jì)算陸地水儲(chǔ)量的同時(shí)還得考慮重力衛(wèi)星GRACE中的誤差(遺漏誤差和測(cè)量誤差)和尺度因子，其中遺漏誤差可以通過(guò)經(jīng)濾波處理前后的月均GLDAS-Noah陸地水儲(chǔ)量的均方根誤差(RMSD)獲得[31]，測(cè)量誤差可由研究區(qū)域與同緯度海洋區(qū)域的重力差值對(duì)應(yīng)的等效水高獲得[31]，因此，經(jīng)誤差和尺度因子校正后的等效水高為：

Hc=[H-(L+M)]S

(2)

式中：Hc為校正后的等效水高，mm；H為經(jīng)球諧系數(shù)直接求得的等效水高，mm；L和M分別為遺漏誤差和測(cè)量誤差，mm；S為尺度因子(標(biāo)量)，可以從JPL數(shù)據(jù)分發(fā)網(wǎng)站獲得(https:∥grace.jpl.nasa.gov/data/get-data/jpl_global_mascons/)。

值得注意的是重力衛(wèi)星GARCE三級(jí)產(chǎn)品(即GRACE-Level 3)已經(jīng)發(fā)布，它充分的考慮了GRACE數(shù)據(jù)處理成陸地水儲(chǔ)量過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)的各種誤差和尺度因子，能很好地反映全球各區(qū)域陸地水儲(chǔ)量的變化[32],可以從網(wǎng)上免費(fèi)獲得(http:∥www2.csr.utexas.edu/grace/RL05_mascons.html)。

2.2.2 陸地水儲(chǔ)量降尺度方法

全球陸面模式的等效水柱包含地表水和土壤水，然而這些陸面模式并未考慮地下水通量的變化，考慮到GRACE陸地水儲(chǔ)量的實(shí)際空間分辨率約為4°，首先對(duì)GRACE陸地水儲(chǔ)量數(shù)據(jù)進(jìn)行升尺度處理，將空間分辨率1°×1°的GRACE陸地水儲(chǔ)量升尺度至4°×4°陸地水儲(chǔ)量，并且將0.25°的全球四個(gè)陸面模式的等效水柱升尺度至4°×4°。然后根據(jù)Wan等[20]提出的方法，以數(shù)據(jù)格點(diǎn)間的面積為權(quán)重因子，對(duì)GRACE陸地水儲(chǔ)量進(jìn)行降尺度處理，具體方法如下：

sM=∑(Si×ai)/∑ai=∑(Si×ai)/∑A

(3)

式中：SM是4°×4°的陸面模式的陸地水儲(chǔ)量距平值的等效水高，mm；ai是0.25°×0.25°數(shù)據(jù)格點(diǎn)i的面積，m2；A是包含0.25°×0.25°數(shù)據(jù)格點(diǎn)i的4°×4°數(shù)據(jù)格點(diǎn)的總面積，m2。

假定GRACE陸地水儲(chǔ)量(mm)是可靠的，因此空間分辨率為4°×4°陸面模式水儲(chǔ)量距平值(SM)與4°×4°GRACE陸地水儲(chǔ)量距平值(SG)之間的差異可以認(rèn)為是二者之間的偏差Bias(B)：

B=SM-SG

(4)

因此，基于格點(diǎn)等效水柱權(quán)重，進(jìn)一步將4°×4°陸面模式水儲(chǔ)量距平值(SM)與4°×4°GRACE陸地水儲(chǔ)量距平值(SG)之間的總水柱差異(B×A)分解到0.25°×0.25°數(shù)據(jù)格點(diǎn)上：

bi={B×A[(Soi×ai)/∑(Soi×ai)]}/ai=

(B×A×Soi)/∑(Soi×ai)

(5)

式中：bi為空間分辨率0.25°×0.25°等效水高的偏差，mm；Soi為0.25°×0.25°求距平值之前的等效水高，mm。

(6)

2.2.3 基于陸地水儲(chǔ)量的水文干旱計(jì)算方法

首先，本文將陸地水儲(chǔ)量的距平值轉(zhuǎn)化為陸地水儲(chǔ)量變化，然后，根據(jù)陸地水儲(chǔ)量變化與多年同期陸地水儲(chǔ)量變化平均值的差值確定干旱期，具體公式表示如下：

TWSCj=TWSAj-TWSAj-1

(7)

式中：TWSCj為陸地水儲(chǔ)量的變化，mm；TWSAj表示整個(gè)時(shí)間序列中第j個(gè)月的陸地水儲(chǔ)量的距平值，mm；TWSAj-1表示整個(gè)時(shí)間序列中第j-1個(gè)月的陸地水儲(chǔ)量距平值，mm。

(8)

隨后，根據(jù)游程定理確定陸地水儲(chǔ)量干旱特征(干旱月數(shù)、干旱頻率、干旱次數(shù)及干旱強(qiáng)度)，TWSCA為負(fù)值確定為干旱發(fā)生，干旱月數(shù)即TWSCA為負(fù)值時(shí)的月份數(shù)量累加[公式(9)]，隨后，干旱頻率為干旱月份數(shù)量占總時(shí)間段的百分比[公式(10)]，干旱次數(shù)為所有干旱發(fā)生事件次數(shù)的累加[公式(11)]，然后，干旱強(qiáng)度為所有干旱事件中TWSCA累加的相反數(shù)[公式(12)]，具體表示為如下公式：

Dmonth=∑monthTWSCA<0

(9)

Dfrequency=Dmonth/Tmonth×100%

(10)

DTimes=∑eventTWSCA<0

(11)

Dintensity=-∑TWSCA, (TWSCA<0)

(12)

式中：Dmonth為干旱月數(shù)，月；Dfrequency為干旱頻率，%；DTimes為干旱次數(shù)，次；Dintensity為干旱強(qiáng)度，標(biāo)量；monthTWSCA<0為干旱發(fā)生時(shí)的月份；Tmonth為總月數(shù)；eventTWSCA<0為干旱事件。

3 結(jié)果與討論

3.1 流域陸地水儲(chǔ)量變化

根據(jù)GRACE數(shù)據(jù)反演出塔里木河流域的陸地水儲(chǔ)量，研究發(fā)現(xiàn)流域北部為虧損狀態(tài)，南部為盈余狀態(tài)，虧損狀態(tài)最大達(dá)到-15 mm，盈余狀態(tài)最大達(dá)到10 mm(圖2)，這與Yang等[4]的研究結(jié)果較為一致。2002-2015年間整個(gè)時(shí)段內(nèi)塔里木河流域陸地水儲(chǔ)量呈下降趨勢(shì)，下降速度達(dá)-1.6±1.1 mm/a，陸地水儲(chǔ)量最小值出現(xiàn)在2008年年底和2009年年初，最大值出現(xiàn)在2005年和2010年，在2005、2006、2010和2011年間陸地水儲(chǔ)量呈現(xiàn)盈余狀態(tài)，然而在2007、2008、2009和2014年間陸地水儲(chǔ)量呈現(xiàn)虧損狀態(tài)。另外，塔里木河流域內(nèi)的GLDAS和GRACE反演的土壤水和陸地水儲(chǔ)量變化趨勢(shì)、相位和振幅較為一致，線性相關(guān)關(guān)系R2達(dá)到0.35。同時(shí)，研究發(fā)現(xiàn)由CSR、GFZ和JPL發(fā)布的球諧系數(shù)反演得到的陸地水儲(chǔ)量變化較為一致。

圖2 塔里木河流域陸地水儲(chǔ)量的時(shí)空分布

對(duì)塔里木河流域內(nèi)的陸地水儲(chǔ)量季節(jié)變化研究發(fā)現(xiàn)(如圖3)，流域季節(jié)陸地水儲(chǔ)量分別為春季>夏季>冬季>秋季。對(duì)其空間分布研究發(fā)現(xiàn)，春季流域大多數(shù)地區(qū)陸地水儲(chǔ)量呈盈余狀態(tài)，只有在流域的東北部區(qū)域陸地水儲(chǔ)量為虧損狀態(tài)[圖3(a)]；夏季流域北部天山地區(qū)陸地水儲(chǔ)量為虧損狀態(tài)，流域南部的昆侖山地區(qū)陸地水儲(chǔ)量呈現(xiàn)盈余狀態(tài)[圖3(b)]；秋季流域內(nèi)陸地水儲(chǔ)量幾乎全大部分區(qū)域都為出虧損狀態(tài)，而在流域東南部的局部區(qū)域陸地水儲(chǔ)量為盈余狀態(tài)[圖3(c)]；冬季流域東北部和西南部陸地水儲(chǔ)量呈現(xiàn)虧損狀態(tài)，流域東南部陸地水儲(chǔ)量呈現(xiàn)盈余狀態(tài)[圖3(d)]。

圖3 塔里木河流域的GRCAE陸地水儲(chǔ)量的季節(jié)空間分布

3.2 流域陸地水儲(chǔ)量變化的降尺度分析

由于重力衛(wèi)星GRACE反演得到的水儲(chǔ)量的空間分辨存在明顯的局限性，且考慮到土壤水是陸地水儲(chǔ)量的重要組成部分，因此根據(jù)公式(1)～(6)及結(jié)合全球陸地水儲(chǔ)量GLDAS數(shù)據(jù)對(duì)重力衛(wèi)星GRACE陸地水儲(chǔ)量進(jìn)行降尺度分析(如圖4)，降尺度到0.25°×0.25°的空間分辨率。研究發(fā)現(xiàn)，降尺度前后的陸地水儲(chǔ)量在空間分布上存在一定的相似性，即在塔里木河流域北部陸地水儲(chǔ)量呈現(xiàn)虧損狀態(tài)，流域南部陸地水儲(chǔ)量呈現(xiàn)盈余狀態(tài)，這與Chen 等[33]及Deng和Chen[27]的研究結(jié)果一致，與此同時(shí)，降尺度前后的陸地水儲(chǔ)量在時(shí)間分布上較為一致，其振幅和相位也存在一致性，兩者的線性相關(guān)性R2達(dá)0.98，相關(guān)關(guān)系達(dá)到了顯著水平(P<0.001)。

圖4 塔里木河流域的陸地水儲(chǔ)量降尺度分析

為了進(jìn)一步分析降尺度之后的陸地水儲(chǔ)量的空間分布情況，對(duì)其進(jìn)行季節(jié)變化分析(如圖5)。研究發(fā)現(xiàn)，春季流域大多數(shù)地區(qū)陸地水儲(chǔ)量呈盈余狀態(tài)，只有在流域的北部和西部的部分區(qū)域陸地水儲(chǔ)量為虧損狀態(tài)[圖5(a)]；夏季北部天山地區(qū)陸地水儲(chǔ)量呈現(xiàn)虧損狀態(tài)，流域南部的昆侖山地區(qū)陸地水儲(chǔ)量呈現(xiàn)盈余狀態(tài)[圖5(b)]；秋季流域內(nèi)陸地水儲(chǔ)量幾乎全大部分區(qū)域都呈現(xiàn)出虧損狀態(tài)，而在流域東南部的局部區(qū)域陸地水儲(chǔ)量呈現(xiàn)盈余狀態(tài)[圖5(c)]；冬季流域東北部和西南部陸地水儲(chǔ)量呈現(xiàn)虧損狀態(tài)，流域東南部陸地水儲(chǔ)量呈現(xiàn)盈余狀態(tài)[圖5(d)]。其空間分布與降尺度之前的陸地水儲(chǔ)量的季節(jié)空間分布較為一致。

圖5 塔里木河流域的降尺度陸地水儲(chǔ)量的季節(jié)空間分布

3.3 基于陸地水儲(chǔ)量的干旱分析

為了更科學(xué)的探究塔里木河流域的干旱情況，本文基于降尺度的陸地水儲(chǔ)量來(lái)分析塔里木河流域的干旱特征(如圖6)?；诠?7)～(12)研究發(fā)現(xiàn)2002年4月至2015年12月間干旱總時(shí)長(zhǎng)最長(zhǎng)及干旱頻率最高的區(qū)域主要集中在天山南坡的東段、昆侖山北坡的東段，最長(zhǎng)干旱時(shí)長(zhǎng)可達(dá)112個(gè)月及相對(duì)應(yīng)的干旱頻率為68.2%，相比較而言，期間干旱總時(shí)長(zhǎng)較短及干旱頻率較低的區(qū)域主要集中在和田河流域的中下游，最短干旱時(shí)長(zhǎng)為56個(gè)月及對(duì)應(yīng)的干旱頻率為34.1%；從干旱次數(shù)方面來(lái)看，天山南坡及昆侖山北部的部分區(qū)域干旱次數(shù)發(fā)生的較少，期間干旱次數(shù)最小為2次，開(kāi)都-孔雀河流域發(fā)生干旱次數(shù)較多，最多達(dá)28次；從干旱強(qiáng)度方面來(lái)看，天山南坡及和田河流域上游區(qū)域干旱強(qiáng)度較大，最大可達(dá)5 383 mm，塔里木盆地中部干旱強(qiáng)度最小，最小幾乎為零，這可能與高山冰雪資源消融和人類(lèi)水資源開(kāi)發(fā)利用有關(guān)。

圖6 基于陸地水儲(chǔ)量的塔里木河流域干旱情況分析

3.4 流域陸地水儲(chǔ)量變化的驅(qū)動(dòng)因素分析

為了研究塔里木河流域陸地水儲(chǔ)量驅(qū)動(dòng)因素的變化，本文選取了與陸地水儲(chǔ)量相關(guān)的水文變量進(jìn)行研究(即MODIS夏季積雪覆蓋率、夏季0 ℃層高度及水資源量)(如圖7和表1)，研究發(fā)現(xiàn)2003-2012年間塔里木河流域年平均夏季積雪覆蓋率和0 ℃層高度分別為3.12%和4 723.7 m，二者大致呈現(xiàn)出一個(gè)負(fù)相關(guān)的關(guān)系，如：2003-2006年間塔里木河流域夏季積雪覆蓋率較高，但是夏季0 ℃層高度卻較低，2006-2008年間塔里木河流域夏季0 ℃層高度升高，相應(yīng)的積雪覆蓋率反而降低，直到2009年夏季0 ℃層高度達(dá)到最低值，并且出現(xiàn)了較低的積雪覆蓋率，勢(shì)必會(huì)影響整個(gè)流域的水儲(chǔ)量變化，直到2010年時(shí)夏季0 ℃層高度達(dá)到次高值，積雪覆蓋率也達(dá)到了較高值，這在一定程度上可以解釋W(xué)ang等[4]發(fā)現(xiàn)的塔里木河流域在2009年出現(xiàn)極端干旱和在2010年出現(xiàn)極端濕潤(rùn)的情況，這與Chen等[33]楊鵬等[30]的研究結(jié)果一致。

圖7 2003-2012年塔里木河流域夏季積雪覆蓋率及夏季0 ℃層高度的變化

表1 塔里木河流域水資源相關(guān)變量距平值 億m3

另外，結(jié)合GLDAS的陸地水儲(chǔ)量分量研究發(fā)現(xiàn)，塔里木河流域冠層水和雪水當(dāng)量呈現(xiàn)不顯著的降低趨勢(shì)，與陸地水儲(chǔ)量的變化趨勢(shì)較為一致，而土壤水卻呈上升趨勢(shì)，因此，說(shuō)明該區(qū)域的地下水呈現(xiàn)明顯的下降趨勢(shì)(如圖8)。同時(shí)，為了驗(yàn)證該結(jié)論本研究結(jié)合《塔里木河流域水資源公報(bào)數(shù)據(jù)》進(jìn)行了分析和研究，研究發(fā)現(xiàn)2004、2007、2008、2009、2011和2012年間流域水資源量盈余為負(fù)距平狀態(tài)，2002、2003、2005、2006、2010和2013年間流域水資源量盈余呈現(xiàn)正距平狀態(tài)。另外，2004、2005、2009、2010、2011和2013年間流域地下水資源量為負(fù)距平狀態(tài)，2002、2003、2006、2007、2008和2012年間流域地下水資源量呈現(xiàn)正距平狀態(tài)。除此之外，流域水資源盈余量的距平值和地下水資源量呈下降趨勢(shì)，上述水資源相關(guān)變量基本與流域內(nèi)的陸地水儲(chǔ)量變化較為一致，因此，塔里木河流域陸地水儲(chǔ)量的變化主要是因?yàn)榱饔騼?nèi)地下水變化引起的，這一研究結(jié)果與Yang等[4]的發(fā)現(xiàn)一致。關(guān)于陸地水儲(chǔ)量時(shí)空變化研究對(duì)于流域水資源管理和水旱災(zāi)害預(yù)報(bào)具有十分重要的意義。

圖8 2002-2015年塔里木河流域GLDAS陸地水儲(chǔ)量分量的時(shí)空分布

4 結(jié) 語(yǔ)

本文利用重力衛(wèi)星GRACE數(shù)據(jù)、全球陸地同化系統(tǒng)模型GLDAS數(shù)據(jù)和塔里木河水資源數(shù)據(jù)，對(duì)塔里木河流域陸地水儲(chǔ)量變化、陸地水儲(chǔ)量變化的降尺度、塔里木河流域干旱情況及驅(qū)動(dòng)因素進(jìn)行了研究分析，主要結(jié)論如下。

(1)根據(jù)GRACE數(shù)據(jù)反演出塔里木河流域的陸地水儲(chǔ)量，研究發(fā)現(xiàn)流域北部為虧損狀態(tài)，南部為盈余狀態(tài)，虧損狀態(tài)最大達(dá)到-15 mm，盈余狀態(tài)最大達(dá)到10 mm。2002-2015年間整個(gè)時(shí)段內(nèi)塔里木河流域陸地水儲(chǔ)量呈下降趨勢(shì)，下降速度達(dá)-1.6±1.1 mm/a。

(2)結(jié)合全球陸地同化模型數(shù)據(jù)和統(tǒng)計(jì)方法可以很好地對(duì)重力衛(wèi)星GRACE反演的陸地水儲(chǔ)量進(jìn)行降尺度分析，這使得重力衛(wèi)星GRACE在反演中小尺度流域陸地水儲(chǔ)量變化上的應(yīng)用具有十分重要的意義。

(3)盡管在氣候變化背景下塔里木河流域山區(qū)來(lái)水量有增加趨勢(shì)，但是塔里木河流域水儲(chǔ)量赤字情況依然很?chē)?yán)峻，干旱問(wèn)題突出，水資源科學(xué)合理地開(kāi)發(fā)和利用十分有必要。

(4)塔里木河流域陸地水儲(chǔ)量受夏季0 ℃層高度及夏季積雪覆蓋率的影響較為明顯，另外，流域內(nèi)水資源盈余量的距平值和地下水資源距平值的變化與塔里木河流域內(nèi)的陸地水儲(chǔ)量變化較為一致，因此，流域地下水資源的變化是流域內(nèi)陸地水儲(chǔ)量的變化的主要因素。