关于全球陆地水资源储量的评估以及影响政策制定的多种因素

《Journal of Environmental Management》：On the evaluation of global terrestrial water storage and divergent governing factors centring policymaking

GRACE卫星及后续任务为陆地水储量监测提供连续数据，但空间分辨率不足影响区域管理应用。本文对比GRACE-Mascon与改进型MFT趋势，揭示两者在全球及34个关键区域（R34）的差异，发现MFT在冰盖区域存在系统性偏差。通过分析五个热点区域（ROI1-ROI5）的气候（73.4%贡献）和人为因素（76.0% ROI3，64.0% ROI1），验证政策干预对地下水恢复的积极作用，为区域水资源管理提供数据支撑。

　　

Roniki Anjaneyulu| Abhishek

印度理工学院鲁尔基分校土木工程系，鲁尔基，247667，印度

摘要

自2002年以来，GRACE卫星任务及其后续任务GRACE Follow-On（GRACE-FO）为近连续的地球质量观测带来了范式转变。尽管它提供了对陆地水资源储存（TWS）的独特且前所未有的理解——这是54个关键气候变量之一——但其适用性在区域水资源管理者通常关注的尺度上仍然有限。在这里，我们将GRACE(-FO)的Mascon趋势与全球陆地和Rodell关键34个地区的平均场趋势（MFT）进行了比较，后者具有改进的空间趋势。为了进一步辨别其适用性和稳健性，我们选择了五个热点区域（ROIs），并分析了主导这些区域的气候和人为因素，重点关注与地下水相关的政策和干预措施，并将其与实地观测结果进行了比较。结果显示，MFT和Mascon趋势值存在显著差异，尤其是在冰量较大的地区。MFT在23个地区高估了正趋势（水资源增加），而在9个地区低估了负趋势（水资源减少）。在30个地区，Mascon趋势的范围在MFT范围内，表明MFT存在高估倾向。在ROI4中，气候影响主要主导了TWSA趋势，贡献率为73.4%；而在ROI3和ROI1中，人为影响分别占76.0%和64.0%。与广泛的实地地下水数据相比，政策干预和补给干预在某些ROI中导致了地下水的恢复，展示了可持续含水层系统的潜力。

引言

储存在地表以上和以下的水总量，即地下水、土壤湿度、地表水、雪水当量和冰盖的总和，被称为陆地水资源储存（TWS）。TWS在确定水资源可用性（Tapley等人，2004年）、量化含水层枯竭（Caron等人，2018年；Wouters等人，2008年）、全球海平面变化（Gardner等人，2013年；Shepherd等人，2018年）、平衡陆地水循环（Anjaneyulu等人，2025年；Lehmann等人，2022年）、监测冰川和冰盖损失（Jacob等人，2012年）、监测干旱（Luthcke等人，2006年；Save等人，2016年；Velicogna等人，2014年）、评估洪水潜力（Watkins等人，2015年）以及调节地球系统中的水通量方面起着关键作用。因此，TWS直接影响水资源、社会经济发展、农业和生态系统健康，并经常与边境政治冲突相关（Arendt等人，2013年；Pokhrel等人，2021年）。TWS的变化直接响应主要水通量（如降水（P）、蒸散作用（ET）和径流）之间的不平衡，因此是水预算的关键变量之一（Humphrey等人，2023年）。由于TWS不仅包括地表和地下水资源，还包括地表下约60公里深的深层地下水，它有助于快速了解由于异常高或低降水等原因引起的任何河流流域的水文变化。作为生态系统和社会的重要自然资源，TWS已被全球气候观测系统（GCOS）委员会确定为54个关键气候变量（ECVs）之一。气候变化和多方面人为活动的复合效应导致TWS的变化。气候变化通过加速水文循环和改变降水模式来影响TWS。人为活动，如水库蓄水、改道灌溉和抽取地下水，加剧了TWS的时空变化，因为这些活动改变了水和能量预算（Huo等人，2024年）。大约70%的陆地和水生栖息地面临日益增加的风险（V?r?smarty等人，2010年），而支持它们的降水和河流流量变得更加不稳定和不确定（Syed等人，2010年），近50亿人生活在因人口增长、气候变化和人类活动而加剧水资源安全问题的脆弱地区（Rodell等人，2018年；V?r?smarty等人，2010年）。

传统的水资源评估方法主要使用地面记录，即实地观测数据，并且主要集中在TWS的单一组成部分上。尽管实地记录是验证的“黄金标准”，但其分布稀疏，且受限于所需的区域代表性。此外，由于数据获取受限、缺乏数字化和同质化，以及仪器等带来的固有误差和偏差，单独使用实地记录具有挑战性。遥感技术的进步，如地球观测卫星，彻底改变了我们对全球水文、趋势和变化性的认识，以及水资源的了解，同时促进了天气和极端水事件预测的现代发展，这些在仅依靠相对稀少的地面测量数据时是无法实现的（Famiglietti等人，2015年）。当与选定的变量（如地下水）的实地记录结合使用时，遥感数据为我们提供了连续的长期观测，从而全面理解其在多个尺度上的变化及其背后的地球系统过程。特别是德国航空航天中心和美国国家航空航天局（NASA）联合开展的重力恢复和气候实验（GRACE）卫星任务及其后续任务GRACE-Follow On（以下简称GRACE），自2002年以来一直在监测海洋、水圈和冰冻圈的质量变化。由于每月重力变化（异常）导致的卫星间距离波动（精度高达1微米），这些变化被转换为陆地质量的TWS异常。尽管对TWS及其组成部分进行了前所未有的测绘，但GRACE Level-0数据的固有空间分辨率一直是一个重大挑战（Ali等人，2023年；Khorrami等人，2023年；Youssefi等人，2025年）。对于有效空间覆盖范围约为200,000平方公里的区域，GRACE卫星数据就像天空中的“巨型尺度”，提供了包括地下水、土壤湿度、地表水和积雪在内的月度进出该区域的总水量的“全貌”（Famiglietti等人，2011年；Wahr等人，1998年；Famiglietti和Rodell，2013年）。然而，GRACE TWS在其固有空间尺度上1.5厘米等效水高的准确性缺乏对政策制定者和水资源管理者至关重要的局部到区域层面的理解。

另一种量化TWS的方法是通过全球模型进行建模，无论是通过模拟陆气系统通量的陆地表面模型（LSMs），还是通过采用经验性水预算方法的全球水文和水资源模型（GHWRMs）（Bierkens，2015年；Gou和Soja，2024年；Scanlon等人，2018年）。尽管这些模型在短期变化方面表现良好，但每类模型都存在固有的不确定性，涉及驱动数据质量、物理简化、校准偏差、过程假设以及不确定性传播和放大。因此，全球模型在长期趋势方面通常低估了水资源储存的增加和减少趋势，最多可低估10倍（Scanlon等人，2018年）。这些长期趋势对于理解气候变化和人为干预对人类世陆地水资源储存的影响至关重要。

气候变化，如厄尔尼诺-南方涛动，影响陆地降水模式，从而影响全球水资源储存。此外，人口增长、多用途水资源需求的增加和消耗加剧了人类对水资源储存的压力。在某些地区，已经评估了人为因素和自然因素对TWSA的相对影响（Felfelani等人，2017年；Yi等人，2016年；Zhong等人，2019年；Deng等人，2022年）。Felfelani等人（2017）使用GRACE数据和水文模型模拟研究了自然和人为过程引起的陆地水资源储存异常（TWSA）的变化。Yi等人（2016）提出使用线性回归来区分亚洲TWSA的气候驱动和人为驱动影响。Deng等人（2022）研究了近期变化和人类活动如何影响中亚地区的水资源储存变化，并确定人类活动是塔里木河流域北部和咸海地区TWSA下降的主要原因。Zhong等人（2019）通过从GRACE TWSA中减去气候驱动的TWSA来评估人为驱动的TWSA，并测量了气候驱动的TWSA及其长期趋势的贡献。然而，目前缺乏使用最近处理的MFT数据集及其控制因素来量化TWSA的新兴状态和变化性的方法，这影响了政策制定。

在这里，我们比较了两种高分辨率的平均场趋势（MFT）和Mascon趋势，以评估全球陆地、Rodell关键34个热点区域（R34）（Rodell等人，2018年）以及五个选定区域（ROIs）的局部TWS变化。此外，还研究了气候和人为因素对TWSA变化的影响，包括对降水、蒸散作用等气候因素以及家庭用水、工业用水和灌溉用水抽取、水库蓄水等人为因素的详细空间量化和归因。我们进一步研究了TWS各组成部分的变化，并分析了全球到区域层面的政策制定和供需方面干预对水资源（尤其是地下水这一TWS主要组成部分）的消耗和恢复的影响。本研究的具体目标包括：

1)

使用传统的GRACE（CSR和JPL基础）Mascon解决方案以及最近提出的高分辨率MFT数据，绘制并分析过去二十年（2002年4月至2021年1月）的全球TWSA变化。

2)

通过比较更新的GRACE衍生的Mascon趋势（2002年4月至2021年1月）与Rodell等人（2018年）研究提出的关键R34区域趋势（此后称为Rodell趋势）以及GRACE JPL Mascon数据（2002年4月至2016年3月），从空间和时间上评估关键R34区域的TWSA趋势变化及其幅度和方向的变化。

3)

基于Mascon和MFT之间最显著的趋势差异，确定五个没有预定义地理边界的热点区域，并分析影响TWSA变化的气候和人为因素。

4)

研究TWSA组成部分的变化以及政策制定干预对识别出的热点区域水资源储存（特别是地下水）恢复的影响，并将其与实地GWSA数据进行比较。

部分摘录

全球和R34区域

我们分析了2002年4月至2021年1月期间全球范围内MFT和Mascon趋势的空间、纬度和经度变化，包括有无南极洲和格陵兰岛的情况（图S1a）。此外，我们使用R34区域（此后称为R1、R2……R34）来评估MFT和Mascon趋势的变化，以及2002年4月至2016年3月和2002年4月至2021年1月之间趋势的变化。Rodell等人（2018）确定了34个关键区域（R34），这些区域表现出统计学上的……

全球范围

我们分析了全球范围内MFT和Mascon TWSA趋势的空间差异，观察到Mascon显示出平滑的变化，而MFT显示出更明显和更局部的变化。此外，我们在信号梯度较大的地区（如格陵兰岛、阿拉斯加和南极洲）注意到MFT中的环形效应，因为MFT数据是使用ITSG-Grace2018和GRACE-FO趋势正态方程制作的，最大球谐度为120（Kvas等人，2024年）。这个度数……

结论

我们将基于GRACE的Mascon TWSA趋势与全球和R34区域的MFT数据进行了比较，发现了显著差异。此外，我们根据MFT和Mascon趋势之间的差异选出了五个热点区域，并探讨了影响TWSA的气候和人为因素。主要结论总结如下：

●

比较Mascon和MFT数据揭示了纬度和经度上的趋势值存在显著差异，

CRediT作者贡献声明

Roniki Anjaneyulu：撰写——审阅与编辑、撰写——初稿、软件、方法论、数据管理、概念化。Abhishek：撰写——审阅与编辑、可视化、验证、监督、资源管理、项目协调、概念化。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响本文报告的工作。

致谢

我们感谢NASA戈达德太空飞行中心的Matthew Rodell博士提供了34个热点区域的形状文件，以及KAUST的Wada教授提出的建设性建议，这些建议有助于提高手稿的质量。我们还要感谢四位匿名审稿人和编辑提出的建设性评论和建议，这些都有助于提高手稿的整体质量。