基于GRACE/GRACE-FO降尺度数据的苏德湿地百年水储量动态及其气候驱动机制研究

针对GRACE/GRACE-FO数据分辨率低（～300 km）、观测周期短（<30年）限制湿地长期水文研究的问题，研究人员通过随机森林（RF）模型将苏德湿地总水储量异常（TWSA）数据从0.5°降尺度至0.1°，结合1923-2023年降水驱动重建数据，揭示了ENSO（厄尔尼诺-南方振荡）和IOD（印度洋偶极子）对湿地水储量的主导影响（短/长期相关系数达-0.48/-0.76），为全球最大热带湿地的气候响应机制提供了百年尺度的新认知。

　　

在全球气候变化背景下，湿地作为"地球之肾"正面临前所未有的威胁。位于南苏丹的苏德湿地（Sudd Wetland）——非洲最大的热带湿地，不仅是百万人口赖以生存的生态屏障，更是调节白尼罗河流域水文循环的关键节点。然而，这片面积超过3万平方公里的湿地却陷入双重困境：一方面，GRACE（重力恢复与气候实验）及其后续任务GRACE-FO提供的总水储量异常（Total Water Storage Anomaly, TWSA）数据因空间分辨率粗（约300公里）、时间跨度短（不足30年），难以捕捉湿地内部精细的水文动态；另一方面，尽管已有研究指出厄尔尼诺-南方振荡（El Ni?o-Southern Oscillation, ENSO）等气候模式会影响区域水文，但缺乏百年尺度的实证分析。这种认知空白严重制约了应对气候变化的湿地管理决策。

为破解这一难题，来自多国研究团队在《Science of Remote Sensing》发表的最新研究，创新性地融合机器学习与多源遥感数据，首次构建了苏德湿地百年水储量变化图谱。研究人员采用随机森林（Random Forest, RF）算法将GRACE/GRACE-FO的TWSA数据从0.5°空间分辨率降尺度至0.1°，并整合1923-2022年降水驱动重建数据集，通过独立成分分析（Independent Component Analysis, ICA）和连续小波相干分析（Wavelet Coherence Analysis）等前沿技术，系统解析了气候驱动因子与水储量的时空耦合关系。

关键方法学突破
研究团队首先通过RF模型整合ERA5-Land再分析数据（0.1°）和CHIRPS降水数据（0.05°），采用bootstrap抽样优化超参数，最终实现TWSA的5倍空间分辨率提升。模型验证阶段采用归一化均方根误差（NRMSE=0.29）和纳什效率系数（NSE=0.56）等指标，证明降尺度数据与GLDAS（全球陆地数据同化系统）、WGHM（WaterGAP全球水文模型）具有显著一致性（相关系数分别达0.72和0.65）。针对百年尺度分析，采用Wang等（2024a）开发的RecNet深度学习模型重建降水驱动TWSA，通过30年滑动窗口计算ENSO/IOD振幅（标准差）以评估长期气候影响。

气候驱动的时空异质性
空间分析显示，湿地内部水储量变化呈现显著梯度特征：西南部因较高降水（720-880 mm/年）和较低潜在蒸散发（PET）呈现正异常，而沿白尼罗河主干道因强烈蒸发呈现负异常。通过ICA分离上游子流域贡献发现，最近的Bahr-el-Jebel（BEJ）子流域降水与TWSA存在即时响应（0-1月滞后，CC=0.82），而较远的Lake Victoria（LV）子流域则表现出1-2月滞后（CC=0.6），揭示流域尺度水文传输的时间累积效应。

ENSO-IOD的协同调控
研究最引人瞩目的发现是气候振荡的多时间尺度影响。在短周期（8-16个月）上，ENSO通过改变区域降水格局主导TWSA波动，特别是在2009-2012年拉尼娜事件期间造成显著水储量亏损。而IOD虽单独作用较弱（CC=-0.15），但在2013-2017年间与ENSO产生协同效应，将影响范围扩展至16-32个月周期。百年尺度分析更揭示出4-7年的ENSO准周期信号，其与TWSA的负相关性在1943-1963和1983-2003两个时段尤为显著（CC=-0.76），暗示全球变暖背景下气候振荡的增强趋势。

科学价值与管理启示
该研究通过创新性数据融合，首次实现从季节到百年尺度的苏德湿地水储量连续监测，其建立的0.1°降尺度TWSA产品为区域水文模型提供了关键验证数据。发现的气候驱动机制不仅完善了热带湿地响应全球变化的科学认知，更对南苏丹水资源管理具有实践指导意义——研究指出BEJ子流域的即时水文响应特性可作为早期预警指标，而ENSO/IOD的4-7年周期则为制定中长期湿地保护规划提供了科学依据。随着GRACE-FO等新一代重力卫星投入运行，这套方法论框架有望推广至全球脆弱湿地生态系统监测，为《拉姆萨尔公约》的湿地保护目标提供技术支撑。