评估GRACE观测在监测波兰地下水储量方面的有效性

《Water Resources Research》：Assessment of the Effectiveness of GRACE Observations in Monitoring Groundwater Storage in Poland

GRACE/GRACE-FO任务为全球陆地水储量监测提供了20年数据，本研究评估其在波兰地下水监测中的应用。通过结合水动力分区和GLDAS模型，提出新方法计算地下水储量（GWS），并与466个监测点的实地数据对比。结果显示，波兰GWS存在长期下降趋势（年均-1.56毫米等效水高），尤其在东南部地区达-2.45毫米/年，主要归因于气候变化导致蒸散发超过降水。研究证实GRACE数据经适当处理可有效反映区域GWS变化，并强调监测点需代表快速水交换的含水层系统。

　　波兰的地下水储量（GWS）变化监测是水资源管理与气候研究中的重要议题。本文旨在探讨GRACE/GRACE-FO卫星数据在波兰地下水监测中的有效性，提出了一种基于水动力分区的新方法，以提高地下水变化的估算精度。通过将实地观测的地下水储量与GRACE/GRACE-FO得出的陆地水储量（TWS）以及模型数据进行比较，研究团队能够更准确地识别出不同水动力区内的地下水变化特征。这项研究特别强调了选择具有代表性的地下水监测点的重要性，这些点应能反映快速水交换的含水层系统，从而确保卫星数据与实地数据之间的良好一致性。

GRACE/GRACE-FO卫星数据能够提供全球范围内的陆地水储量变化信息，这些数据反映了地表水质量的分布变化，其精度受到地理区域大小和地理位置的影响。在赤道地区，误差较大，而在高纬度地区则相对较小。波兰的地理和水文条件使得其成为评估GRACE数据在地下水监测中性能的理想区域，因为该国拥有丰富的地下水系统和广泛的监测网络。通过将GRACE数据与地表水和地下水监测数据相结合，研究者能够更全面地了解地下水变化的趋势和季节性波动。

研究发现，GRACE/GRACE-FO数据与实地地下水监测数据在快速水交换的含水层系统中表现出最高的一致性。这种一致性不仅体现在季节性信号的幅度和相位上，也体现在长期趋势的匹配上。研究还揭示了波兰全国范围内地下水储量的长期负趋势，这种趋势主要由气候变化导致的蒸散发量超过降水量所引起。在波兰的东南部地区，这种负趋势最为显著，达到每年-2.45毫米等效水高度。这些发现对于理解气候变化对地下水资源的影响具有重要意义，也对水资源管理和政策制定提供了依据。

在数据处理方面，研究者采用了一种基于时间序列分析的方法，以评估GRACE数据在不同水文区域的适用性。通过对数据进行标准化处理，并利用ARIMA模型填补数据缺失，研究者能够确保时间序列的连续性和一致性。这种方法不仅适用于评估长期趋势，还能够识别季节性波动，如在低地和湖地区域，地下水储量变化的季节性尤为显著。

为了进一步提高地下水储量估算的准确性，研究团队还利用了水文模型和水动力分区。通过将GRACE数据与GLDAS NOAH模型中的土壤水分、雪水和植被水分数据进行对比，研究者能够更精确地分离出地下水信号。这一方法在排水区表现尤为突出，因为该区域的地下水储量变化与地表水和地下水的快速交换密切相关。

此外，研究还分析了不同水文区域的地下水储量变化特征。例如，在充水区，地下水储量的变化通常滞后于气象条件的变化，而排水区则表现出更为显著的季节性波动。研究团队还发现，卫星数据在某些区域（如北方和南部的排水区）可能会高估地下水储量的变化，尤其是在蒸发量超过降水量的季节。这种差异可能源于卫星数据的空间分辨率较低，无法捕捉到局部变化。

本研究的成果为水资源监测和管理提供了重要的科学依据。它不仅验证了GRACE数据在波兰地下水监测中的可靠性，还为未来研究提供了方向。例如，可以通过开发更精细的GRACE数据降尺度方法，以提高其对小尺度变化的检测能力。此外，结合其他高分辨率数据集，如Copernicus ERA5再分析数据、其他GLDAS模型或高分辨率土壤水分指数，可能会进一步提升地下水储量估算的精度。

综上所述，GRACE/GRACE-FO卫星数据在监测波兰地下水储量方面表现出一定的潜力，尤其是在快速水交换的区域。然而，由于数据的空间分辨率限制，其在某些局部区域的准确性仍需进一步提升。未来的研究应关注如何结合多源数据，以提高地下水储量变化的估算精度，同时确保数据的时空连续性。这不仅有助于更好地理解地下水动态，也为应对气候变化带来的水资源挑战提供了支持。