《Journal of Hydrology: Regional Studies》：Assessing spatiotemporal variations of GRACE-derived groundwater storage changes and their drivers in Northwest China
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研究区域：中国西北地区。
研究重点：本研究采用广义三角帽法（GTCH）评估不同处理技术所得GRACE陆地水储量异常（TWSA）的不确定性，并利用Theil-Sen趋势估计、Mann-Kendall检验、旋转经验正交函数（REOF）和离散小波变换（DWT）揭示了
研究区域：中国西北地区。
研究重点：本研究采用广义三角帽法（GTCH）评估不同处理技术所得GRACE陆地水储量异常（TWSA）的不确定性，并利用Theil-Sen趋势估计、Mann-Kendall检验、旋转经验正交函数（REOF）和离散小波变换（DWT）揭示了地下水储量异常（GWSA）的时空演变（2002–2023年）。研究人员采用小波相干和Pearson相关分析评估了GWSA与净水通量（P?E）、土壤水分储量异常（SMSA）及地下水开采之间的关系。
区域新水文见解：（1）GTCH所得CSR、JPL和GSFC的不确定性分别为1.894、2.892和2.654 cm，为区域地下水评估提供了更可靠的GWSA估计。（2）GWSA以?0.29 cm/yr的速率下降，其中50.97%的区域显著减少。REOF揭示了一种南北偶极模式——北部减少而南部增加——反映了自然补给与人为开采之间对比鲜明的水文控制机制。（3）自然驱动因子（P?E、SMSA）在季节–年际尺度上影响GWSA，而开采主导了长期趋势。值得注意的是，减少抽水并未扭转GWSA的下降趋势，表明累积损失超过了自然恢复能力。（4）GRACE所得GWSA与实测水位之间存在5个月的相位滞后。GRACE有效捕捉了长期下降趋势，但短期相位信息应谨慎解读。
中国西北地区GRACE地下水储量变化研究解读
一、研究背景与科学问题
地下水是陆地水储量的关键组成部分，也是维持生态系统、农业和社会经济发展的重要淡水资源，尤其在干旱和半干旱地区具有不可替代的作用。中国西北地区地处欧亚大陆内陆，是全球最干旱的区域之一，生态环境极为脆弱，水资源分布不均且总量匮乏，当地供水高度依赖地下水。然而，气候变暖、有效降水减少以及高强度地下水开采已严重扰乱了区域水循环，引发了地下水枯竭和生态退化等严峻问题。因此，开展地下水储量时空动态及其驱动机制的研究，对于西北地区地下水资源的合理开发利用具有重要的科学意义。
传统地下水监测技术，包括遥感、监测井、数值模拟和GIS等，受地形、成本、数据稀缺、站点密度有限和空间覆盖不足等因素的制约，难以实现大尺度、动态的地下水评估。GRACE及其后续任务GRACE-FO通过重力场反演技术，为长期连续监测全球和区域水资源变化提供了新途径。然而，从GRACE获得的陆地水储量异常中分离地下水组分，通常需要借助陆面模型（如GLDAS）扣除土壤水分、雪水当量等组分。在干旱和半干旱地区，由于包气带深厚、土壤质地异质性复杂，陆面模型在刻画土壤水分动态和入渗过程方面面临显著挑战，这些局限引入了GWSA分离过程中的不确定性，并可能进一步传播至趋势估计和驱动归因分析。
尽管已有研究从不同角度探讨了中国西北地区的地下水储量变化，但以下四个方面的系统分析仍显不足：第一，多源GRACE产品的不确定性尚未被系统整合，不同处理中心（CSR、JPL、GSFC）的mascon解在相位、振幅和周期性方面存在显著差异，而多数研究使用单一产品或简单多产品平均，忽略了不确定性对趋势估计和归因的影响；第二，以往研究很少将基于REOF的空间格局识别与基于DWT的信号重构相结合用于西北地区GWSA分析；第三，包气带在干旱区地下水补给中的作用长期被忽视，驱动因子选择缺乏对P?E的考量，仅依赖降水或蒸散发等单一水文气象变量无法充分反映干旱区净补给条件；第四，干旱区GRACE所得GWSA的验证局限尚未被充分讨论，尤其是系统相位滞后的存在及其来源未得到足够关注。
二、研究内容与主要发现
针对上述问题，本研究设定了四个主要目标：采用GTCH方法量化和整合不同处理中心TWSA的不确定性；通过Mann-Kendall趋势检验、Sen斜率估计、DWT和REOF分析的协同框架刻画GWSA的时空演变；利用实测监测数据验证GRACE所得GWSA并明确识别其与实测水位之间的系统相位滞后；评估自然驱动因子（P?E、SMSA）和人为驱动因子（地下水开采）对GWSA的影响。
研究得出以下核心结论：GTCH所得CSR、JPL和GSFC的不确定性分别为1.894、2.892和2.654 cm，其中CSR产品不确定性最小，为区域地下水评估提供了更可靠的GWSA估计。GWSA整体以?0.29 cm/yr的速率下降，50.97%的区域呈现显著减少趋势。REOF分析揭示了一种南北偶极空间格局——北部减少而南部增加——反映了自然补给与人为开采之间对比鲜明的水文控制机制。自然驱动因子（P?E、SMSA）在季节至年际尺度上影响GWSA，而地下水开采主导了长期趋势。值得注意的是，减少抽水并未扭转GWSA的下降趋势，表明累积损失已超过自然恢复能力。此外，GRACE所得GWSA与实测水位之间存在5个月的相位滞后，GRACE有效捕捉了长期下降趋势，但短期相位信息应谨慎解读。
三、主要技术方法
本研究采用了多种关键技术方法。广义三角帽法（GTCH）用于评估三个GRACE mascon产品（CSR、JPL、GSFC）的TWSA不确定性，该方法无需先验知识即可估计不同数据集的相对协方差。Theil-Sen趋势估计与Mann-Kendall检验相结合，用于检测GWSA时空变化的显著性和趋势幅度。旋转经验正交函数（REOF）用于识别GWSA的主导空间模态，离散小波变换（DWT）用于将时间序列分解为多尺度分量以提取趋势和降噪。小波相干分析和Pearson相关分析用于评估GWSA与净水通量（P?E）、土壤水分储量异常（SMSA）及地下水开采之间的关系。数据方面，研究使用了CSR RL06.3、JPL RL06.1和GSFC RL06v2.0三种mascon数据集（2002年4月至2023年12月），GLDAS Noah 2.1模型数据用于分离地下水组分，ERA5-Land降水与蒸散发数据作为自然驱动因子，中国国家环境监测中心提供的103口监测井（2005年1月至2016年12月连续记录）用于验证，各省水资源公报提供地下水开采数据。
四、结果分析
4.1 GTCH不确定性评估
研究采用GTCH方法对三个GRACE mascon产品的TWSA不确定性进行了量化。结果表明，CSR、JPL和GSFC的不确定性分别为1.894、2.892和2.654 cm，其中CSR产品具有最小的不确定性。这一发现为后续GWSA估计提供了权重依据，有助于提高区域地下水评估的可靠性。
4.2 GWSA时空演变趋势
基于加权后的GWSA时间序列，Theil-Sen趋势估计和Mann-Kendall检验结果显示，西北地区GWSA整体以?0.29 cm/yr的速率下降，其中50.97%的区域呈现显著减少趋势。DWT分解进一步揭示了不同时间尺度上的信号特征，长期趋势分量主导了GWSA的整体下降态势。
4.3 REOF空间模态识别
REOF分析识别出GWSA的南北偶极空间格局——北部地区GWSA减少而南部地区增加。这一空间模态反映了不同区域水文控制机制的差异：北部以人为开采为主导，南部则以自然补给为主要控制因素，体现了自然过程和人类活动对地下水储量的差异化影响。
4.4 驱动因子分析
小波相干和Pearson相关分析表明，自然驱动因子（P?E、SMSA）在季节至年际尺度上对GWSA具有显著影响，而地下水开采则主导了长期趋势。值得注意的是，尽管部分地区减少了地下水开采量，GWSA的下降趋势并未得到扭转，表明历史累积的地下水亏损已超过自然恢复能力。
4.5 验证与相位滞后
GRACE所得GWSA与103口监测井实测水位的对比分析揭示了两者之间存在5个月的系统性相位滞后。GRACE能够有效捕捉地下水储量的长期下降趋势，但其短期相位信息在干旱区深厚包气带条件下应谨慎解读。这一发现强调了GRACE-minus-LSM方法在厚包气带区域固有相位偏差的具体表现。
五、讨论与结论
本研究的讨论部分指出，GTCH方法有效整合了多源GRACE产品的不确定性，为干旱区地下水评估提供了更可靠的数据基础。REOF与DWT的协同应用弥补了以往研究中空间格局识别与多尺度信号分解脱节的不足。P?E作为净水通量指标，比单独使用降水或蒸散发更能反映干旱区"低降水、高蒸发"的水文特征，而SMSA作为包气带水分状况的潜在代理变量，连接了气象驱动因子与地下水补给之间的关键环节。GRACE与实测水位之间的5个月相位滞后，反映了GRACE-minus-LSM方法在厚包气带区域固有的相位偏差，这一发现对干旱区GRACE数据的验证和解释具有重要警示意义。
研究结论表明，2002–2023年间中国西北地区GWSA以?0.29 cm/yr的速率持续下降，空间上呈现北减南增的偶极格局。自然驱动因子在季节至年际尺度上调节GWSA，而人为开采主导了长期趋势。减少开采未能扭转GWSA下降趋势，表明该区域地下水系统面临严峻的累积亏损压力。GRACE有效捕捉了长期趋势，但短期相位信息需谨慎解读。该研究为干旱区地下水管理提供了更可靠的科学依据，强调了综合考虑自然补给与人为开采双重驱动机制的重要性，对西北地区水资源可持续管理具有重要的实践指导意义。论文发表于《Journal of Hydrology: Regional Studies》。
