摘 要

陆地水储量是全球水循环的重要组成部分。陆地水储量变化通过一系列复

杂过程和反馈机制，调控并反映着全球气候变化和环境变化。因此，监测和研

究全球陆地水储量变化，有助于人们更好地了解水资源和生态环境的变化，同

时为理解全球和区域水循环以及全球气候系统的变化提供有效信息。GRACE

（Gravity Recovery and Climate Experiment）卫星时变重力观测，具有覆盖率广、

对大尺度质量迁移敏感的优点，为监测和研究全球和区域陆地水储量变化提供

了一种独特的观测手段。本文综合利用GRACE 卫星重力数据、水文模型、降

水资料以及卫星测高数据，系统地研究和分析了全球陆地水储量的时变特征，

并着重研究了陆地水储量的年际和长期变化及其与区域气候条件和全球气候变

化的关联。

利用最小二乘拟合方法，本文对全球陆地水储量的季节变化和长期变化特

征进行了详细分析。研究结果表明，热带地区水储量的季节和年际变化信号最

大，这主要是由于季风和热带辐合带的影响，导致热带地区降水的季节变化和

年际变化比较显著。另外，全球陆地水储量变化的周年和半周年相位具有较明

显的纬度分界线。寒带和温带地区陆地水储量变化的峰值一般出现在春季，而

热带和亚热带地区则出现在秋季。基于水量平衡方程，通过分析全球陆地水储

量流量变化和降水的相关性发现，在大部分中低纬度地区，水储量流量变化与

降水量存在显著的正相关。在高纬度地区，由于积雪或冰川融化等原因，水储

量流量变化与降水量存在负相关。

通过计算全球陆地水储量年际变化与Niño 3.4 指数的互相关系数，本文从

全球尺度上系统地分析了陆地水储量变化与ENSO（El Niño Southern Oscillation）

现象的相关性。同时选取亚马逊流域、奥里诺科河流域、科罗拉多河流域和勒

拿河流域为实例，从区域尺度上对水储量年际变化与ENSO 现象在时间域和频

率域的相关性进行了具体分析。结果表明，全球多数地区的陆地水储量年际变

化与ENSO 存在显著相关性，相关系数远高于95%显著水平（~ 0.29）。全球相

关系数最显著的地区位于热带和亚热带，尤其是太平洋周边地区。亚马逊流域

中南部地区和奥里诺科河流域的水储量变化均与ENSO 呈现较强且稳定的相关性，而科罗拉多河流域和勒拿河流域则与ENSO 存在较弱的负相关。

本文选取长江黄河流域、湄公河流域和沃尔特湖为研究对象，对区域陆地

水储量的时变特征进行了详细分析，并重点研究了年际尺度上的水储量变化及

其与区域降水和大尺度海气相互作用的关系。

利用滑动年平均方法消除季节波动，本文对长江、黄河流域水储量年际变

化和降水变化的关系进行了分析。结果表明，长江、黄河流域的水储量变化与

降水量存在较好的一致性。2010 年和2012 年长江流域水储量的异常增加和

2002~2003 年黄河流域的干旱，都在同时段的降水量上有很好的反映，这说明

降雨是影响长江、黄河流域水储量变化的重要因素。

通过主成分分析方法，本文对湄公河流域水储量的时空变化特征进行了具

体研究。研究表明，湄公河下游地区存在显著的年际变化信号，在2002~2003

年出现明显的洪涝现象，而在2005 年和2010 年分别出现较严重的干旱现象。

厄尔尼诺-南方涛动（ENSO）、印度洋偶极子（Indian Ocean Dipole，IOD）和

大西洋经向模式（Atlantic Meridional Mode，AMM）三种气候现象是影响湄公

河流域水储量年际变化的重要因素。其中，ENSO 对整个湄公河流域的水储量

变化产生影响，AMM 主要影响湄公河中上游地区，而IOD 对湄公河流域水储

量变化的影响较弱。

对比GRACE 和卫星测高结果，本文对沃尔特湖水储量的长期变化进行了

具体分析。结果表明，沃尔特湖的水储量分别在2007~2010 年和2011~2015 年

出现明显上升和下降趋势，这与同时段的降水情况相吻合。GRACE 反演结果

与卫星测高观测结果的整体变化趋势一致，但由于GRACE 存在信号衰减和泄

漏效应，信号幅度明显小于卫星测高结果。利用正向建模方法，本文对GRACE

反演结果进行了信号恢复。建模恢复后的GRACE 结果与卫星测高结果在整体

趋势和幅度上均存在较高一致性，从而证实GRACE 能够监测到具有复杂地形

的小尺度区域水储量变化。