基于GRACE和GLDAS的新疆水资源时空变化研究

发布时间：2017-04-25 04:16

  本文关键词：基于GRACE和GLDAS的新疆水资源时空变化研究，，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：利用重力卫星技术来获取全球范围内的气候变化以及水循环状况,于上个世纪的七十年代开始兴起,不仅突破了传统水文方法在获取大尺度水文数据时所体现出的的局限性,同时也为监测大尺度区域的水循环效应及其在小尺度局部响应参数的选取提供了崭新的思路。本研究利用全球多年来的GRACE数据,辅以TRMM降水数据、DEM数据、河网分布数据、NDVI数据、蒸散发、径流等数据,反演陆地水储量变化,分析新疆十一年间陆地水储量的时空动态变化趋势和四个季节陆地水储量变化的差异,探讨该地区陆地水储量的振幅和相位变化情况,综合人为因素和自然因素,进行了导致陆地水储量变化的驱动因素分析;结合归一化植被指数NDVI产品,探讨了十一年间新疆NDVI的分布情况,分析了植被NDVI、陆地水储量变化以及降水量的变化趋势,剖析了NDVI与陆地水储量、降水量之间的相关性;结合GLDAS水文模型(NOAH)模拟了总地表水变化(包括土壤含水量变化、雪水当量的变化、冠层含水量和地表径流的变化),对比分析了四季土壤含水量变化与陆地水储量变化和时空分异规律,反求算出地下水储量的变化,探讨四季地下水变化趋势的差异;并将克里雅河流域中游的实测地下水水位数据作为因变量,GLDAS所模拟的土壤含水量数据、土壤含水量变化、GRACE的陆地水储量变化、地下水变化四类数据作为自变量,通过对各类数据所进行的数学变换,选取最优数学变换方式,粗略的建立适用于克里雅河流域中游的地下水水位数学模型;基于所建立的模型,以克里雅河流域中游为示范区,验证该估算模型的适用性,模拟克里雅河流域中游的地下水水位,分析土壤含水量和地下水水位在春季和秋季的空间特征。本研究的主要结论如下:⑴2003年、2008年和2013年的四个季节中新疆的陆地水储量都有很大的差异,陆地水储量呈现出春季夏季冬季秋季。2008年全年陆地水储量的等效水高明显有所减少。2003年春季等效水高呈现从南至北逐步递增的规律,处于亏损状态的区域主要分布在西南方向;2013年春季陆地水储量由新疆地理的中心地带逐步向外递增,由强烈的水亏损状态逐步转变为盈余状态;后六年陆地水储量变化相对比前五年剧烈,并且变化剧烈的面积有增加趋势。⑵陆地水储量呈现逐渐下降的趋势,驱动因素源于自然因素和人为因素两方面:①降水量的下降趋势,且蒸散发能力常年高于降水量;②河网分布情况为西面匮乏,随着时间的推移,地表径流量也逐年有降低趋势;③由于河流的两岸无节制的用水,导致河流在注入湖泊之前就逐渐干涸;④工艺陈旧致使生产用水过多,直接造成对水资源的浪费;⑤人类生活的饮用水大多采用水泵从地下抽取,导致了地下水储量降低。⑶陆地水储量呈现显著的增加趋势的自然因素主要是trmm降水量的变化趋势呈现大范围的上升趋势,且河网分布密集;人为因素则主要有优化水渠,减少水资源流失量,同时注重水库建设,所储水量均可用于农业灌溉,增加对河流水资源的利用,减少对陆地水的浪费。⑷年周期值和grace反演的陆地水储量值的波动趋势均一致,验证了年周期值的求算的准确性。发生最大陆地水储量的时间比降水出现最大值的时间呈现出滞后性,滞后的时间长度为4个月。⑸植被ndvi呈现出夏季秋季春季冬季的规律,离河道越近,植被覆盖度也就越高,越远离河道,植被覆盖度也越低。降水量与ndvi之间呈现出了正相关关系,并且相关系数的大小变化为冬季春季夏季秋季。降水量对ndvi的影响明显比陆地水储量对ndvi的影响相对更为敏感。⑹gldas的土壤含水量与grace反演的陆地水储量的分布状况有较大的一致性,充分说明土壤含水量是影响陆地水储量的重要因素之一,并且对陆地水储量的变化具有表征作用,但是土壤含水量绝对不是唯一的影响因素。十一年间,虽然逐月数据波动较大,但是基本趋势是一致的,随着时间推移,二者的剧烈上升-急剧下降-缓慢下降的趋势能够清晰的反映出来。⑺利用gldas模拟出的地表径流变化、冠层含水量变化、雪水当量变化均非常微小,证明grace所反演的陆地水储量变化减去gldas所模拟土壤含水量变化就可以求算出地下水变化。与实测地下水水位数据的相关性的大小排序为:gldas土壤含水量地下水储量变化grace陆地水储量变化trmm降水量,其中地下水储量的变化与地下水水位数据为负相关,trmm降水量数据与地下水水位数据几乎没有相关性,其他因素均与地下水水位呈现正相关关系。⑻用线性模型拟合了gldas土壤含水量、gldas土壤含水量变化、grace陆地水储量变化、地下水储量变化与地下水水位数据的方程,相比而言,多元逐步回归模型y=0.107x_1+0.003x_2+0.126x_3-0.109x_4+0.54,略优于线性函数。⑼依据所构建的地下水水位模型所估算的地下水水位数据,与实测的水位数据,其水位伴随时间推移,而产生的升降变化趋势非常接近。大部分估算值与实测值随存在差异,但是整体变化趋势具有较高的一致性。存在部分异常点,充分说明,该模型只能粗略模拟地下水水位数据,仅适用于克里雅河流域中游地区,其他地区需要因地制宜。总之,GRACE地球重力卫星数据和GLDAS水文模型为研究水资源的时空变化研究开拓了崭新的思路,所建立的地下水水位估算模型具有局限性,不足以普适到整个新疆范围,但是在示范区克里雅河流域中游具有适用性。越靠近绿洲,水位明显较浅,越远离河流和绿洲,其地下水水位明显较深,该研究为水资源和合理利用和优化配置提供了科学依据。
【关键词】：GRACE(Gravity Recovery And Climate Experiment) 全球陆面数据同化系统(GLDAS) 陆地水储量 土壤含水量 地下水水位
【学位授予单位】：新疆大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TV211
【目录】：

• 摘要2-5
• Abstract5-10
• 第一章 绪论10-23
• 1.1 研究背景和意义10-12
• 1.2 国内外研究现状12-17
• 1.2.1 重力卫星探测技术的发展12-13
• 1.2.2 GRACE地球重力卫星的发展13-15
• 1.2.3 GRACE地球重力卫星的应用15-17
• 1.3 研究目标和内容17-18
• 1.3.1 研究目标17-18
• 1.3.2 研究内容18
• 1.4 研究思路18-21
• 1.5 文章结构21-23
• 第二章 研究区概况23-29
• 2.1 地形地貌23-24
• 2.2 气候特征24-26
• 2.3 水文特征26-28
• 2.4 社会经济28
• 2.5 本章小结28-29
• 第三章 数据获取与处理29-47
• 3.1 GRACE数据的获取和预处理29-35
• 3.1.1 高斯、滤波平滑29-32
• 3.1.2 等效水高计算32-35
• 3.2 TRMM数据的获取和预处理35-37
• 3.3 GLDAS水文模型数据37-40
• 3.4 实测地下水水位数据40-43
• 3.4.1 水位计的启动40-41
• 3.4.2 水位计的使用41-42
• 3.4.3 水位计的读取42-43
• 3.5 DEM提取河网分布43-45
• 3.6 其他数据的获取45
• 3.7 本章小结45-47
• 第四章 GRACE陆地水储量的时空变化47-67
• 4.1 十一年间陆地水储量动态变化分析47-51
• 4.2 陆地水储量变化趋势分析51-57
• 4.2.1 陆地储水量变化程度分析51-52
• 4.2.2 陆地水储量变化趋势及其驱动因素分析52-57
• 4.3 GRACE数据年周期值和振幅分析57-59
• 4.4 NDVI与陆地水储量以及降水量的响应关系59-64
• 4.4.1 十年间植被NDVI的季节性分布情况60-61
• 4.4.2 植被NDVI、陆地水储量变化以及降水量变化的趋势分析61-63
• 4.4.3 NDVI与陆地水储量、降水量的相关性分析63-64
• 4.5 本章小结64-67
• 第五章 GLDAS水文模型与GRACE地球重力卫星数据的对比分析67-77
• 5.1 GLDAS土壤含水量与GRACE陆地水储量不同季节的分布特征67-69
• 5.2 GLDAS与GRACE的对比分析69-70
• 5.3 地下水的分布特征研究70-73
• 5.3.1 GLDAS模拟冠层含水量70-71
• 5.3.2 GLDAS模拟雪水当量71-72
• 5.3.3 GLDAS模拟地表径流72-73
• 5.4 模拟地下水水位的变化73-75
• 5.4.1 地下水水位变化研究73-74
• 5.4.2 十一年间各季节地下水变化空间分布特征研究74-75
• 5.5 本章小节75-77
• 第六章 克里雅河流域地下水水位估算模型的构建和验证77-87
• 6.1 构建地下水水位估算模型77-81
• 6.1.1 克里雅河流域中游影响地下水水位因素的选择78-80
• 6.1.2 克里雅河流域地下水水位估算模型的构建80-81
• 6.2 克里雅河流域中游实测地下水水位与模拟值的对比分析81-84
• 6.2.1 地下水水位随时间的变化81
• 6.2.2 克里雅河流域中游地下水水位实测值与估算值的对比81-84
• 6.3 改良建议84-85
• 6.4 本章小结85-87
• 第七章 结论与展望87-91
• 7.1 结论87-89
• 7.2 不足与展望89-91
• 参考文献91-99
• 致谢99-102
• 在读期间参与的科研项目和发表论文102-104

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前2条

1 陈莹莹;施建成;杜今阳;蒋玲梅;;基于GLDAS的中国区地表能量平衡数值试验[J];水科学进展;2009年01期

2 刘卫;缪元兴;;基于GRACE数据的西南陆地水储量分析[J];天文学报;2011年02期

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本文编号：325618