基于GRACE/GRACE-FO重力卫星的黄河流域蒸散发和干旱演化特征研究

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干旱是世界上发生频繁且危害严重的自然灾害之一,对生态环境和人类生活均造成了严重危害,特别是在全球范围气候变暖的大环境下,世界各地干旱呈现出面积大、程度重的发展趋势,已引起了相关学者的广泛关注。而蒸散发作为水文循环关键过程之一,在能量和碳循环中起着重要作用,其可有效表征陆地用水量状况。相对于常规干旱及蒸散发监测手段存在的监测范围有限与监测数据不连续等突出问题,GRACE(Gravity Recovery And Climate Experiment)和GRACEFO(GRACE Follow On)重力卫星可在大范围尺度下实现连续监测区域陆地水储量的动态变化,并可进一步通过陆地水储量变化有效地表征出区域蒸散发与干旱状况,为大范围流域蒸散发与干旱特征变化提供了有效的监测途径。基于此,本文以我国受干旱影响最为严重的区域之一黄河流域为研究区域,从流域蒸散发和干旱指数两方面入手,利用重力卫星提供的高精度时变重力场获取了流域陆地水储量异常,并基于此计算获得了流域实际蒸散发和干旱指数,进一步结合常规蒸散发与干旱指数及流域历史水文资料,深入探讨了黄河流域蒸散发和干旱时空演化特征。研究成果对深入认知黄河流域水资源演化规律具有重要的理论参考价值,同时可为黄河流域水资源合理开发利用及水资源管理方案合理制定等提供了重要的定量参考依据。论文的主要工作与取得的主要成果总结如下:(1)联合GRACE/GRACE-FO RL06 Mascon数据计算获得了黄河流域2002年4月至2020年7月的陆地水储量异常TWSA(Terrestrial Water Storage Anomaly),并采用中国区域基于降水重构陆地水储量变化数据集对两类重力卫星间断期数据进行了重构。研究结果表明,黄河流域陆地水储量异常整体呈逐年持续下降的趋势,但黄河流域陆地水储量异常在2003年则出现快速上升的突变性变化。(2)基于水量平衡方程结合GRACE/GRACE-FO RL06 Mascon数据与降雨径流实测数据,计算分析了黄河流域2002年5月至2020年6月蒸散发量时间序列,并与其他四类蒸散发产品GLDAS(Global Land Data Assimilation Systems)、GLEAM(Global Land Evaporation Amsterdam Model)、CR(Complementary Relationship)和ERA5(European Centre for Medium-Range Weather Forecasts Reanalysis 5)进行了对比分析,验证了联合GRACE/GRACE-FO重力卫星与实测数据监测黄河流域实际蒸散发变化特征的可靠性,并可用来评估在不同流域不同蒸散发产品的适用性,为大范围流域获取连续可靠的实际蒸散发提供新途径。(3)针对重力卫星能否可有效探测出大范围尺度流域干旱特征及长期变化趋势等问题,结合GRACE与GRACE-FO RL06 Mascon数据,计算获得了黄河流域2002年4月至2020年7月水储量赤字及其对应的水储量亏损指数WSDI(Water Storage Deficit Index),并与其他四类常用干旱指数SPEI(Standardized Precipitation Evapotranspiration Index)、sc-PDSI(self correct-Palmer Drought Severity Index)、SRI(Standardized Runoff Index)、SPI(Standardized Precipitation Index)评估的黄河流域干旱特征进行了对比分析,由此揭示出了黄河流域上游、中下游干旱时空变化特征(干旱时间段、干旱持续时间与干旱强度等),进一步验证了重力卫星在整个黄河流域实际干旱变化特征有效识别中的可靠性与优势。
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