地球重力卫星反演地下水储量数据的降尺度方法研究

Pubic and free GRACE data have been successfully applied in the evaluation of regional groundwater storage changes all over the world, however, low resolution of the data have been hindered the wider application. Based on the fundamental problems, the project will integrate a series of methods, such as multi-source data, multi-dimensional analysis, artificial neural networks, groundwater models, land hydrology models, parameter automatic estimation and optimization. The research will try to carry out studies on the effectiveness and reliability of multi-source data, the establishment of the relationship among GRACE data and the key factors affecting the changes of groundwater storages, and the assimilation of GRACE-derived data using groundwater models with the primary variable of groundwater storage and improved land hydrology models. Finally the downscaling method of GRACE data will be developed from regional scales to small scales or aquifer scales, and thus the groundwater storage changes at small scales will be captured. A comprehensive method about the statistical and dynamical downscaling method will be established. The findings and methods will aid water managers in better understanding the changes of groundwater storages, and provide technical support of effective and reliable groundwater resources management.

公开免费的地球重力卫星数据已在全球范围内区域地下水储量评估方面获得了大量成功应用，然而，其较低的空间分辨率为该反演技术深入推广应用带来了困难。针对该问题，本项目拟采用多源遥感数据比较、多元统计、神经网络、地下水数值模型、陆面水文模型和参数自动估计与优化方法，研究多源数据的有效性和可靠性，建立地球重力卫星反演数据与地下水储量变化关键因子之间的关系，再利用以地下水储量为主变量的地下水模型和陆面水文模型研究地球重力卫星反演数据的同化方法，重点解决地球重力卫星反演数据从区域到含水层或更小尺度转换的问题并探讨其适用性，从而捕获小尺度地下水储量变化规律，最终形成一套地球重力卫星反演数据的统计和动力的降尺度方法，结果将更能辅助管理者准确获知不同尺度地下水资源的问题，从而为有效合理的地下水资源管理提供科学依据和决策支持。

公开免费的地球重力卫星数据已在全球范围内区域地下水储量评估方面获得了大量成功应用，然而，其较低的空间分辨率为该反演技术深入推广应用带来了困难。针对该问题，本项目采用多源遥感数据比较、多元统计、数据驱动、地下水数值模型、陆面过程模型和参数自动估计与优化方法，形成了基于地球重力卫星反演的地下水储量变化数据的动力降尺度方法，在中国西北、华北地区等典型区的案例应用验证了模型的可利用性，主要工作包括：（1）开发了中国地下水储量降尺度模型系统支撑软件，集成中国不同源的降水、实际蒸散发、地下水储量数据等数据，研究了多源数据的有效性和可靠性；（2）形成了地球重力卫星反演数据统计降尺度的通用方法，以北京市平原区为例探讨了利用多变量相关分析和不同数据驱动方法来建立决策变量与地下水储量之间关系的方法；（3）开发了以地下水储量为主变量的地下水储量变化模型，二个层状非均质理想模型应用验证发现新发展的地下水储量变化模型与传统地下水流模型揭示的地下水位变化和地下水储量变化空间分布一致；融合地球重力卫星反演的陆地水储量及组分变化的地下水-地表水全耦合数值模拟精度有一定提高；（4）陆面水文模型（W3和CLSM模型）和数据驱动模型可有效提高地下水储量解译的精度，融合GRACE反演数据的陆面过程模型CABLE在华北平原的应用可提高降水和陆地水储量的相关性以及模拟效果，陆面模型SiB2的应用可为地下水储量的降尺度模型提供高分辨的蒸散发数据；（5）石羊河流域、新疆天山北麓、京津冀地区的地下水储量数据降尺度的应用表明，从1°到0.25°和0.05°的空间分辨率成功获得了降尺度的地下水储量变化，可以捕捉局部尺度的地下水储量变化，并表现出地下水储量变化的异质性，而且降尺度结果与地下水位观测数据吻合较好。研究结果将更能辅助管理者准确获知不同尺度地下水资源的问题，从而为有效合理的地下水资源管理提供科学依据和决策支持。