测绘学院在基于重力卫星和降尺度方法的中国高分辨率陆地水储量变化方面取得进展
研究背景
我国长期面临南北水资源分布不均、人均水资源占有量低和干旱洪涝频发等问题，给经济和社会可持续发展带来严峻挑战。近年来，气候变化和人类活动加剧了全国范围内的水资源压力，导致华北平原地下水持续衰减、青藏高原湖泊显著扩张、高山冰川快速消融等区域性水文过程发生深刻变化。这些复杂的水文演变过程对生态系统、农业安全与区域发展均构成潜在风险。
过去二十年来，重力恢复与气候实验（GRACE）卫星及其后续任务GRACE Follow-On（GFO）实现了对地球系统质量迁移和再分布的持续卫星观测。相比传统地面观测，卫星重力测量大幅提升了观测效率，为全球大尺度陆地水储量变化（TWSA）监测提供了唯一直接观测手段。然而，受卫星载荷观测误差、卫星轨道设计和地球物理背景模型误差等影响，当前卫星重力的观测精度与时空分辨率（~2 cm@300 km/月）难以捕捉小流域尺度的水储量变化。此外，GRACE/GFO无法独立识别垂向不同水储量组分的变化，限制了其在水文研究中的应用。
为应对上述挑战，本研究提出了一种基于独立成分分析（ICA）的联合反演降尺度方法，实现水文模型与重力卫星观测的有效融合，在继承水文模型的高空间分辨率优势的同时，保持了GRACE/GFO大尺度观测的可靠性，并支持灵活纳入空间点质量（mascon）信息，从而减少对水文模型的依赖，在传统降尺度方法表现不佳的冰川区域的估计能力显著提升。
研究内容
本研究估算了2002年4月至2022年12月期间，中国及周边地区的陆地水储量长期变化趋势。如图1所示，与WGHM水文模型相比，得益于先验空间约束信息和多源遥感资料同化，本文研发的50 km高分辨率降尺度TWSA产品在保留华北和印度北部地下水亏损信号的同时，可以更好地识别高亚洲地区的冰川消融与湖泊扩张等丰富的区域质量变化信号。对降尺度TWSA做与GRACE/GFO相同的数据平滑处理后，重构的TWSA结果与卫星重力观测结果十分吻合，进一步验证了降尺度结果的可靠性。
图1. 中国及周边区域陆地水储量变化（TWSA）长期趋势，（a）降尺度结果，（b）WGHM结果，（c）重构结果和（d）GRACE/GFO结果。
本研究提出的联合反演降尺度方法不仅有效改善了GRACE/GFO空间分辨率，还实现了对不同陆地水储量分量的有效分离，揭示了亚洲高山冰川、青藏高原湖泊及中国及周边地区地下水的长期变化趋势。图2结果表明，2002–2022年间，高亚洲冰川质量整体呈强烈消融趋势，其中横断山脉、喀喇昆仑和天山等地区消融最为剧烈，西昆仑部分冰川则表现出较小的质量增加信号；青藏高原内陆湖泊总体呈扩张趋势；地下水变化方面，华北平原和印度西北部是主要的地下水亏损区。以上结果体现了该方法在分离陆地水储量不同分量方面的优势。
图2. 基于联合反演降尺度方法的亚洲高山冰川消融、青藏高原湖泊扩张及中国及周边地区地下水储量变化。
由于缺乏其他全球高精度的独立TWSA观测数据，无法直接评估重力卫星降尺度TWSA产品的精度。本研究通过将降尺度产品进行球谐截断并进行与GRACE/GFO一致的滤波处理，构建重构TWSA，用以间接评估降尺度结果的精度。图3结果显示，以中国地区为例，均方根误差（RMSE）约为2 cm，这与当前卫星重力自身的观测误差相当，验证了降尺度结果的可靠性。降尺度产品在实现空间分辨率提升和不同TWS分量分离的同时，仍能保持与GRACE/GFO一致的流域长时序变化结果。
图3d进一步给出了中国地区九大流域TWSA时间序列。结果表明，我国海河流域的陆地水储量长期亏损，其中主要以地下水亏损为主（-2.43 ± 0.18 cm/yr）。长江、珠江和西南流域以季节性波动为主，而松花江和辽河以及东南流域则表现出更强的年际变化。除年周期以外，多数流域还表现出2至4年周期的准周期波动，受到ENSO等气候因子的显著影响，而松花江和辽河则对PDO的冷暖相位密切相关，其中南北方流域在拉尼娜和厄尔尼诺事件期间呈现出相反的水储量变化趋势。
图3. 重构TWSA和GRACE/GFO观测结果的（a）RMSE和（b）CC空间分布；（c）中国九大流域的平均TWSA散点对比图；（d）九大流域平均TWSA时间序列。
研究意义
本研究针对GRACE/GFO重力卫星空间分辨率有限和TWSA不同分量无法分离的问题，提出了一种联合卫星重力和水文模式的反演降尺度方法，实现了对地下水、冰川和湖泊等TWSA不同分量的高分辨率分离与重构。该方法克服了传统降尺度技术在冰川区精度不足、过度依赖水文模型的局限，具备对特定区域灵活定义点质量（mascon）的能力，显著提升了地下水、冰川和湖泊等复杂区域的TWSA反演性能。基于该方法，本研究成功揭示了中国区域四个主要的质量变化长期趋势信号变化规律，包括华北平原地下水亏损、长江流域水储量积累、亚洲高山冰川消融，以及青藏高原湖泊扩张。成果不仅提升了GRACE/GFO在流域尺度水文分析中的适用性，也为水资源精细管理与气候驱动下的水文灾害风险防控提供了高分辨率数据支持和方法参考。
数据链接：https://doi.org/10.11888/Terre.tpdc.302776
发表信息
研究成果于近期在水文领域权威期刊《Water Resources Research》上发表。中山大学测绘科学与技术学院大地测量与导航团队博士熊宇昊为第一作者，冯伟教授为通讯作者，钟敏教授、姜中山副教授、博士研究生白鸿炳以及湖北文理学院资源环境与旅游学院陈威副教授等为合作作者。该项目得到了国家自然科学基金项目（42061134010和41874095）、中山大学中央高校基本科研业务费项目（24xkjc027和23xkjc012）和国际空间科学研究所（ISSI）国际团队项目（#496）联合资助。
原文信息：Xiong, Y. (熊宇昊), Feng, W.* (冯伟*), Bai, H. (白鸿炳), Jiang, Z. (姜中山), & Zhong, M. (钟敏) (2025). High-Resolution Terrestrial Water Storage Anomalies and Components in China from GRACE/GFO via Joint Inversion Downscaling. Water Resources Research, 61, e2024WR038996.
