从印度夏季季风期间的多种数据产品中解析极端降水事件的时空特征

《Journal of Hydrology: Regional Studies》：Deconstructing the spatiotemporal characteristics of extreme precipitation events from multiple data products during Indian summer monsoon

本研究通过融合随机森林与卡尔曼滤波算法，重建了1960-2023年呼伦湖流域陆地水储量（TWS）和地下水储量（GWS）动态，揭示其受气候变化（降水、温度）和土地利用（森林、灌木、裸地）的非线性响应机制。结果显示流域TWS经历了稳定、增长、快速下降和恢复四个阶段，其中2007年后GWS主导TWS恢复，且气候变暖（0.04℃/年）加剧了蒸发蒸腾，而降水阈值（>236.53mm）和温度阈值（>-0.91℃）触发不同阶段的水储量变化。土地利用中裸地扩张与森林稳定显著影响流域水文响应差异，为干旱区水资源管理提供新视角。

　　这项研究聚焦于中国和蒙古交界处的呼伦湖流域（HLB），一个面积约为218,000平方公里的跨境流域。由于该地区属于干旱和半干旱地带，水文数据较为稀缺，同时气候变化对水文过程的影响显著，因此理解长期陆地水资源存储（TWS）的变化趋势对于可持续的流域管理具有重要意义。研究采用了一种融合随机森林（Random Forest）和卡尔曼滤波（Kalman Filter）算法的模型，对1960年至2023年的TWS和地下水存储（GWS）进行了连续时间序列的重建。通过整合多种数据源，研究旨在分析气候变化和土地覆盖变化对水文响应的非线性特征。

呼伦湖是中国第五大湖泊，也是内蒙古最大的湖泊，其生态地位在北方干旱地区尤为重要。尽管已有研究关注呼伦湖的水文、水质和水生生态系统，但针对该流域长期TWS动态的研究仍显不足。这一研究空白主要源于两个方面：首先，HLB作为跨境流域，水文观测站点分布稀疏且空间分布不均；其次，该流域面积广阔，涉及大量水文参数，使流域尺度建模复杂度增加。此外，由于区域气候不稳定，传统水文模型在预测TWS变化时常常无法达到理想效果。因此，本研究通过多源数据融合方法，探索了HLB中TWS对气候变化的长期响应。

研究中使用的多源数据包括气候数据（如降水、温度和蒸散发）和水文数据（如地表水存储、土壤水分存储和地下水存储）。这些数据主要来自欧洲中期天气预报中心（ECMWF）的ERA5再分析数据集以及全球陆地数据同化系统（GLDAS）的陆面模型数据。为了构建一致的长期数据集，研究采用贝叶斯线性融合算法，该算法通过调整权重系数，结合现场观测数据或采样数据，提高了数据的准确性。此外，研究还引入了GRACE卫星重力观测数据（2002-2023），以获得陆地水资源存储异常（ΔTWS）。通过将ΔTWS与地表水和土壤水分数据进行水文平衡计算，研究估算出了地下水存储的变化。为了将地下水存储时间序列扩展至1960年，研究还开发了一种地下水重建算法，结合随机森林和卡尔曼滤波技术，利用GRACE时期的水文数据进行校准，从而构建了一个可靠的地下水存储时间序列。

研究进一步分析了TWS及其组成部分对气候变化的敏感性，揭示了TWS在不同气候条件下的非线性响应机制。通过弹性分析，研究发现降水对TWS的影响最为显著，尤其是在温暖干燥的时期，降水的减少加剧了水资源的流失。温度的变化则对TWS产生双重影响，一方面在温暖时期促进蒸散发，另一方面在寒冷时期有助于水资源的稳定。此外，研究还探讨了土地覆盖变化对TWS的影响，指出森林和裸露地对TWS变化的贡献差异较大，森林具有较强的水文稳定性，而裸露地和灌木地则对TWS波动具有更大的驱动作用。研究还发现，从1990年至2005年，TWS出现了显著下降，尽管土地覆盖相对稳定，但降水的减少导致了水文系统的压力。而从2005年至2020年，TWS在某些子流域（如乌尔逊河流域）出现了显著的增加，表明土地覆盖变化对TWS的影响具有空间异质性。

研究还揭示了TWS变化与湖泊状态之间的关系，特别是呼伦湖的水位和面积变化。通过分析TWS与湖泊面积的关联，研究发现TWS的变化趋势往往先于湖泊面积的调整，这表明湖泊水位可以作为区域水文平衡变化的指示器。此外，研究还考虑了人类活动对水资源的影响，采用夜间灯光数据（NTL）作为人类活动的代理指标，分析了其与土壤水分、地表水存储、TWS和地下水存储之间的关系。结果显示，人类活动的增强与土壤水分和地表水存储的减少显著相关，这表明在干旱和半干旱地区，人类活动对水资源的干扰不容忽视。

总体而言，本研究通过多源数据融合方法，构建了一个长期、高精度的TWS和地下水存储数据集，揭示了气候变化和土地覆盖变化对水文响应的复杂机制。研究结果不仅为呼伦湖流域的水资源管理提供了科学依据，也为其他类似干旱和半干旱地区的水文研究提供了参考。未来的研究可以进一步整合高分辨率遥感数据，探索人类活动对水文变化的更深层次影响，并通过基于过程的水文模型验证研究结果。此外，研究框架的扩展也有助于提高对全球其他半干旱流域水文变化的理解和预测能力。