西北地区地下水干旱时空演变特征及对气象干旱和温度指数的响应

作     者：褚江东 

作者单位：西北农林科技大学 

学位级别：硕士

导师姓名：粟晓玲

授予年度：2022年

学科分类：07[理学] 070601[理学-气象学] 0706[理学-大气科学] 

主      题：西北地区 地下水干旱 GRACE数据 GLDAS模型 响应关系 

摘      要：地下水是全球水文循环的重要组成部分,也是干旱半干旱地区人类赖以生存的淡水资源。由于极端气候事件频发、人口急剧增长、地下水过度开采,在世界许多地区地下水干旱有加重的趋势。西北地区地域辽阔,人口稀少,地下水位观测站点稀疏,且连续性较差,导致对西北地区地下水储量变化规律认识不够全面。GRACE(gravity recovery and climate experiment)重力卫星为观测地下水提供了新的方法,其大尺度、观测时间连续的特点弥补了传统地下水位观测的不足。因此有必要借助遥感手段深入了解西北地区地下水干旱的时空演变规律以及响应机制,为地下水资源的可持续利用以及地下水干旱的监测预警提供支撑。由于GRACE卫星和后续卫星GRACE-Follow On之间存在11个月的数据空缺,本文首先基于分解-集成模型VMD-LSTM(variational mode decomposition and long short-term memory)插补了西北地区2017年7月—2018年5月的水储量变化。然后,基于水量平衡方程得到地下水储量变化,评估了GRACE球谐系数法数据与Mascons数据两种解算集合数据在西北地区的适用性,以实测地下水位数据和各省水资源公报数据进行对比验证,并选用最优数据构建地下水干旱指数GRACE-GDI(GRACE groundwater drought index)。最后,分析地下水干旱的时空演变特征和探讨地下水干旱对气象干旱和温度指数的响应关系。主要工作和研究成果如下:(1)构建的VMD-LSTM模型插补了西北地区GRACE数据和GRACE-FO数据之间11个月的空白。相比于基于因果关系的LSTM-1模型、基于时间序列的LSTM-2模型和前人相关研究,构建的VMD-LSTM模型预测精度显著提高(纳什效率系数=0.987、相关系数=0.993、均方根误差=0.859 cm),可作为GRACE和GRACE-FO卫星数据插补的有效方法,推广到其他地区。(2)评估了GRACE两种解算集合数据在西北地区的适用性,分析计算了西北地区各省(区)各组分水储量变化的时间变化趋势。GRACE的点质量法(Mascons)数据相对球谐系数法数据在西北地区反演水储量变化更具适用性。除青海为上升趋势外,其余四省区陆地水储量和地下水储量均呈现下降趋势,西北五省区的土壤水储量均呈现上升趋势,这与西北地区降水增加、植被恢复有一定关系。(3)揭示了西北地区地下水干旱的时空演变特征。河西走廊、六盘山区、青海南部地下水干旱发生频率较高,而陕南地区、柴达木盆地、青海湖流域、新疆部分地区地下水干旱发生频率较低。西北地区在2002年7月—2003年5月、2008年8月—2010年6月、2014年12月—2015年5月、2016年1月—2017年12月、2020年8月—2020年12月发生了较为严重的地下水干旱,多年平均地下水干旱面积比例为29.0%。其中宁夏、甘肃地下水干旱呈现频次高、烈度小的特征,而陕西、青海、新疆呈现出频次低、烈度大、干旱面积广的特征。(4)揭示了西北地区地下水干旱对气象干旱和温度指数的响应关系。西北地区GRACE-GDI对气象干旱指数SPI的相关性达到0.01(R0.62)和0.05显著性水平(R0.50)的面积占比分别为20.3%和50.8%,其中陕南地区、柴达木盆地、天山山脉等地气象干旱对地下水干旱的影响程度较大,而塔里木盆地、关中地区、陕北地区、额尔齐斯河流域等地地下水干旱与气象干旱的相关性较差;GRACE-GDI对标准化温度指数STI的相关性达到0.01和0.05显著性水平的面积占比分别为31.4%和64.0%,其中青海大部、昆仑山脉、天山山脉、甘肃中部、宁夏、陕北地区等地GRACE-GDI与STI的相关性较为显著,而新疆东北部、塔里木盆地西侧、甘肃南部等地相关性较差。GRACE-GDI对SPI、STI的响应时间均主要为1～3月和10～12月。