Изменения в наземных водохранилищах бассейнанад Жемчужиной Речной реки бассейн от GRACE и связи с Изменчивость изменчивостью тихоокеанского климата

Аннотация

Изменяющиеся во времени гравитационные данные из эксперимента по восстановлению гравитации и климата из Восстановление силы тяжести и климатический эксперимент (Gravity Recovery and Climate Experiment), (GRACE) спутниковой ые миссии, используются для изучения ~~изучения~~ исследования изменений земных запасов воды (TWS) в бассейне Жемчужной реки (PRB) вза период 2003– ноябрь. 2014. Оценки TWS от GRACE обычно совпадаютпоказывают хорошее согласие с гидрологическими моделями GLDAS и WGHM. Но они показываютать разные возможности обнаружения значительных изменений TWS по PRB. Среди них, WGHM, вероятно, недооценивает сезонную изменчивость TWS, в то время как GRACE обнаруживает долгосрочное истощение воды внад верхнеим PRB, также как это было сделано с помощью гидрологических моделей, и наблюдает значительное увеличение воды вокруг водохранилища Longtan (LTR) из-за водохранилища. Сильная засуха 2011 г., вызванная постоянным дефицитом осадков, привела к экстремально низкомуий поверхностномуый стоку понижению и уровеняь воды в LTR. Кроме того, большая изменчивость лета и осенние осадки могут легко вызвать наводнения и засухи в сезон дождей в PRB, особенно летом, так как высокая корреляция 0,89 была обнаружена между осадками и поверхностным стоком (Более того, большая изменчивость количества осадков летом и осенью может легко вызвать наводнения и засухи в сезон дождей в PRB, особенно летом, поскольку высокая корреляция 0,89 была обнаружена между осадками и поверхностным стоком). Как правило, PRB TWS отрицательно коррелировал с Эль-Ниньо-Южными колебательнымие (ENSO) событиями. Однако модуляция Тихоокеанской декадной осцилляции (PDO) может повлиять на эти отношения, и значительная аномалия TWS могла произойти в пик фазы PDO, поскольку они хорошо согласуются как по величине, так и по времени появления пиков. Это указывает на то, что TWS на основе GRACE может быть ценным параметром для ~~изучения~~ исследования исследования климатических влияний в PRB.

© 2016, Институт сейсмологии, Управление землетрясений Китая и др. Производство и хостинг Elsevier B.V. от имени KeAi Communications Co., Ltd. Это открытый доступ статья по лицензии CC BY-NC-ND (http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/)

1. Введение

~~Жемчужная река - третья по величине река с точки зрения дренажа~~ ~~области и имеет второй по величине речной сток в Китае~~.
Жемчужная река является третьей по величине рекой с точки зрения водосбора и вторым по величине речным стоком в Китае. ~~Из-за~~ Из-за Так как её важностиь для социально-экономического развития Китая, было проведено много исследований [1-e9] было проведено по проблеме водной безопасности проблемы в бассейне Жемчужной реки (PRB), например, изучение режимаы осадков, засухиа и влажностиь, эвапотранспирациия, испарений в атмосферуатмосферная вода пар, сброса воды и отложенийя. Среди них, Zhang et al. [3] обнаружили, что PRB имеет тенденцию к ?понижению уровня воды?снижению в сезон дождей и ?более влажный зимой?, а влажность – это один из многих факторов, влияющих на сухие или влажные условия бассейна.???? Кроме того, увеличилась изменчивость осадков и частоты чрезвычайно высоких или х/ низких осадков, связанных с ослабевающим й азиатскимй муссоном [4], а также частоты коротких влажных периодов с увеличением общего количества осадкови [1] потенциально увеличивающихт риск наводнений и засухи внад PRB. ~~Кроме~~ Более того, уменьшение эвапотранспирацимя возникает в основном из-за увеличения выбросов в атмосферуаэрозоля и усиление урбанизации может ослабить гидрологический цикл в бассейне [2]. Эти исследования были полезны для характеристикиа гидрологического режима PRB. Однако недавние сильные антропогенные воздействия, такие как эффекты запруживания Лонгтанским водохранилищем (LTR), имеют существенное влияниеповлияли на гидрологический цикл PRB [8]. Вдобавок ~~Кроме того~~,Вдобавок, верхний и средний PRB формируется в основном за счет карстовойая геологическойая средыа с сильной неоднородностью [10,11], что усложняет отслеживание и моделирование колебанийя воды в этих областях. Следовательно, сочетание осадкови и другихе наборовы данных (например, спутниковые наблюдений я и гидрологические моделейи) были бы бы??? полезны для более всестороннегоий анализа.

Двойной эксперимент по восстановлению гравитации и климатау (GRACE) спутниковая миссия, проект, совместно спонсируемый Национальнымое управлением по аэронавтике и исследованию космического пространства (NASA) и Немецким й аэрокосмическимй центром (DLR) был запущен в марте 17, 2002. Пространственно-временное изменение гравитационных полей ~~силы тяжести Земли.~~ П~~оля~~ гравитационных полей Земли, ~~нанесенные на карту спутником GRACE~~, отображаемых спутником GRACE, предоставляют информацию непосредственно связанныюе с перераспределением массы на поверхности Земли или вблизи нее, например, изменения в земных запасах воды (TWS), в океане, полярныхе ледяныхе щитах ы и горныхе ледникахи [12]. В частности, гидрологические применения будут самыми крупными

вкладами GRACE среди многих связанных исследований [13]

так как TWS изменения, связанные с изменчивостью климата и

изменения играют решающую роль в региональномй и глобальномй гидрологическомй

циклеы и управлениие водными ресурсами. TWS на основе GRACE

измененийя, в том числе измененийя поверхностных вод, влажности почвы,

грунтовые х воды, снега и льдаед широко использовался ись для

исследованиять водного ый баланса во многих речных бассейнах, особенно

для оценки засухи и наводнений. Например Примеры включают

бБассейн Амазонки [14,15], бассейн реки Янцзы [16,17],

бБассейн реки Миссисипи [18], бассейн Мюррей Дарлинг [19]

и бассейн Нила [20].

В настоящем исследовании TWS на основе GRACE в сочетании

с данными об осадках и уровне воды на месте LTR,

наряду с результатами двух гидрологических моделей: Глобальнойго

Системыа ассимиляции земельных данных (GLDAS) и WaterGAP

Глобальная гидрологическая модель (WGHM) используется для исследования воды.

вариации по PRB. Возможные телесвязи с тихоокеанской Тихим океаном

изменчивостью климата анализируюется с использованием индексов Эль-Ниньо,.

Южногое колебанияе (ЭНСОENSO) и Тихоокеанскогое десятилетнегое колебанияе

(PDO). Целью этого исследования является оценка связанных воздействий вмешательства человека и изменчивости климата ~~на воду.~~

~~ресурсы в PRB~~. на водные ресурсы в пределах PRB.

2. Район исследования

PRB варьируется от 97⁰39’0

E - 117⁰18’0

E и 3⁰41’0

N e- 29⁰15’0

площадью ~ 442000 км², расположенномый в Китае (рис. 1). В

в дополнение к неравномерным пространственно-временным осадкам, ?

раздача?, примерно 80% от общего разряда

концентрируется в сезон дождей (апрель-сентябрь) [4]. КВ

климат в основном зависит от восточноазиатских муссонов

и тайфуновы, а также топографическихе особенностейи [9]. Многиео

плотины (данные доступны на http://www.fao.org/nr/water/

aquastat / dams / index.stm) были построены для орошения и

гидроэлектроэнергиия. Среди них LTR, который является второйым

по величине самая большая?? величиная плотина в Китае, была построена в среднем течении PRB,

Провинцияобласть Гуанси. На первой стадии водохранилища

с сентября 2006 г. по конец 2009 г. уровень воды

достигла 375 м с общей емкостью хранения 16,2 км3км³

. Это

искусственное водохранилище сильно повлияло на водуб

вариации PRB [8]

3. Данные и методы

3.1. Данные GRACE

Последний выпуск CSR RL 05, GFZ RL 05a и GRGS RL03 данные за период с 2003 по ноябрь 2014 были использованы для получения TWS. для PRB. GRGS - это упорядоченное решение, и не более того. требуется фильтрация [21]. И данные CSR, и GFZ были обработаныо по методике [22] для получения ежемесячных аАномалийи TWS. Во-первых, зональные временные ряды C20 степени 2 были заменены проанализированными данными спутниковой лазерной дальнометрии (SLR) [23]. ~~Комбинированный фильтр декорреляции в гибридной схеме фильтрации P3M6 [24] и фильтр вентилятора 300 км. уменьшить шум [25~~] Затем для уменьшения шума использовалась гибридная схема фильтрации, объединившая фильтр декорреляции P3M6 [24] и фильтр вентилятора 300 км. Расчетный региональный масштабный коэффициент 1,48 был получен путем применения тех же методов фильтрации (за исключением декорреляции) к TWS на основе GLDAS [26] чтобы было получено восстановить потерянный сигнал из-за ?усечения силы коэффициента силы тяжести коэффициенты и фильтрации?я для CSR и GFZ TWS. Этот коэффициент масштабирования близок к значению 1,35, полученному из общей модели ЗемлиМодель общинной земли версии 4.0, предоставленнойая веб-сайтом GRACE Tellus для того же региона. Кроме того, Long et al. [17] также показывает, что коэффициенты масштабирования, оцененные по шести моделям, варьируются с 1.09 до 1.53 для PRB.

3.2. Гидрологические модели

~~Оценки TWS по двум моделям земной поверхности из GLDAS~~

~~с промежутком времени с 2003 по 2014 год и WGHM [27~~-~~e29]~~

~~за период 2003–2013 гг. использовались для~~ ~~сравнения~~

с БЛАГОДАТЬЮ. Ежемесячные изменения TWS на основе GLDAS по сравнению с версией NOAH при пространственном разрешении 11, используемом в

~~анализ суммы 4-х слойной влажности почвы, снеговой воды~~

~~эквивалент и растительный полог воды. СПЦ на основе~~ ~~WGHM~~

~~аномалии при пространственном разрешении 0,5 0,5 включают изменения~~

~~в поверхностных водохранилищах (вода в реках, озерах, водохранилищах и~~

~~водно-болотные угодья), запасы воды в почве, снег и грунтовые воды.~~

Для сравнения с GRACE использовались оценки TWS на основе двух моделей земной поверхности из GLDAS с временным интервалом с 2003 по 2014 год и WGHM [27-29] за период 2003–2013 годов. Ежемесячные изменения TWS на основе GLDAS по сравнению с версией NOAH при пространственном разрешении 1⁰x 1⁰, используемом в анализе, представляют собой сумму четырехслойной влажности почвы, эквивалентной снежной воды и воды растительного покрова. Основанные на WGHM TWS аномалии с пространственным разрешением 0,5⁰ x 0,5⁰ включают изменения в запасах поверхностных вод (вода в реках, озерах, водохранилищах и заболоченных территориях), запасах воды в почве, снеге и грунтовых водах.

Кроме того, из-за большой неопределенности могут существовать

различные модели поверхности земли, применение поверхности

данныхе о стоках из четырех версий GLDAS (NOAH, CLM, VIC и

MOSAIC) с разрешением 1⁰ x 1⁰ [26] были исследованы перед их использованием для характеристики гидрологических вариаций

в PRB путем изучения корреляции между

даннымие об осадкахх и стоке с точки зрения месячных и

годовые масштабовы времени (рис. 2, рис. 3 и таблица 1). Самый высокий

был и обнаружены корреляциейи между месячными / годовыми

осадки от Китайской метеорологической администрации

(CMA) (описано в разделе 3.4) и данные стока из CLM

(Таблица 1). Кроме Более того, среднее значение общего годового стока

от CLM (353,4 мм) более разумно, поскольку Fekete et al. [30]

указали, что годовой сток находится в диапазоне

200-e400 мм между 20⁰N и 30⁰N. Поэтому мы выбрали

CLM для оценки данных стока по PRB. К тому же,

данные эвапотранспирации из CLM с тем же

разрешением также использовалиось для анализа.

3.3. ЭНСО ENSO и ПДОPDO

Nino Нинью 3.4 предоставлен Центром прогнозирования климата ~ (CPC) используется для представления индекса ЭНСОENSO в этом исследовании. Он представляет собой аномалию средней температуры поверхности моря (SST) в области между 5⁰N и 5⁰S и 170We120W170⁰W-120⁰W. Как в значительной степени междекадные колебания, PDO, предоставленные Объединенным институтом изучения исследования атмосферы и океана (JISAO), могут модулировать межгодовые телесвязи, связанные с ЭНСОENSO [31].

3.4. Другие наборы данных

~~Месячные осадки с привязкой к координатной сетке с 2003 по 2014 г. и данные о температуре за период 2003-2013 гг.~~

~~такое же пространственное разрешение 0,5 0,5, используемое в исследовании,~~

~~предоставлено CMA (доступно по адресу http://cdc.nmic.cn/home.~~

~~делать). Ежемесячные данные об уровне воды LTR с января 2006 г. по~~

~~2014 г. были использованы для исследования антропогенных воздействий в~~

Б~~ассейн~~

Месячные осадки с привязкой к сетке с 2003 по 2014 гг. И данные о температуре за период 2003-2013 гг. С одинаковым пространственным разрешением 0,5⁰ x 0,5⁰, используемым в исследовании, предоставлены CMA (доступны на http://cdc.nmic.cn/home.do). Ежемесячные данные об уровне воды LTR с января 2006 по 2014 гг использовались для исследования антропогенных воздействий в бассейне.

4. Результаты

4.1. Сравнение аномалии TWS от GRACE и гидрологические модели

На рис.4 показаны вековые тенденции оценок TWS из

различные решения и гидрологические модели GRACE, а также

осадки из CХМА. Хорошее сочетание гласие можно увидеть среди

разныхе оценокки TWS, как очевидные тенденции к снижению

произошлио внад верхним PRB (кроме решения CSR),

в то время как среднее и нижнее течение PRB в основном показывает, что количество

водыа увеличивается. Эти долгосрочные тенденции обычно сравнивают

хорошо с осадками. Кроме того, истощение воды внад

верхнемий PRB можно отнести к недавним сильным засухам

[11,32], которые связанные со стойким малым количеством осадков [1,3], чтоа также

можно увидеть на рис. 4eд. Положительные пики показаны в GRGS и

сСчитается, что причиной GLDAS является водозабор

LTR, поскольку дефицит осадков произошел в тойм же

области (рис. 4eд). Однако положительные пики CSR TWS и

GFZ TWS произошлиа в разных областях, которые могутли быть

объясняется сильной модификацией сигнала, вызванной пространственным

сглаживанием [33]. Более того, очевидные различия в величине

можно увидеть между тенденциями на основе GRGS и тенденциями CSR и GFZ. Эти расхождения можно отнести к разным

факторамы, такиме как стратегии обработки данных, используемые

различные центры, эффектамы фильтрации и усечения [33,34].

Предыдущие исследования также показали, что из-за значительного

различия между различными решениями GRACE, это опасно

констатировать региональную потерю или прирост массы на основе единого набора данных

[35] и использование только одного решения для конкретного центра может привести к

неверномуе толкованиюе геофизических процессов в изучаемыхх

регионахн [33]. Кроме того, ?WGHM не может обнаружить эту плотину.

эффект возможно из-за заниженной сезонной

изменчивость общего TWS в сезон дождей Индокитая регулируется

области? [36]. Наблюдается еще один очевидный сигнал увеличения воды

CSR, GFZ, GLDAS и WGHM в нижнем течении

PRB можно объяснить увеличением количества осадков.

На рис. 5 показаны корреляции между разными ? решениями? GRACE. решения и GLDAS / WGHM. Оценки TWS из CSR, GFZ и GRGS демонстрируют сильную корреляцию с GLDAS, с корреляциейи 0,86, 0,84 и 0,82 соответственно. Родственныеик меньшие коэффициенты корреляции были обнаружены между GRACE и WGHM (0,60, 0,58 и 0,50 для CSR, GFZ и GRGS соответственно), предполагая, что возможные недооцененные сезонные колебания WGHM [36] повлияют на его производительность при моделировании вариации TWS в PRB. Аналогичные результаты были получены и в других регионах, например, в речном бассейне ЯнцзыЯнцзы . Речной бассейн [16]. Кроме того, изменения TWS оцениваются от гидрологических моделей менее изменчивы, чем GRACE, что совпадает с находкой в других регионах [37], в первую очередь из-за WGHM, которая, возможно, переоценивает основание подпитка или сток воды [36], а также отсутствие поверхности и подземные воды в GLDAS [37].

4.2. Временная аномалия TWS от GRACE и гидрологические модели

Годовой сигнал был удален из исходного сигнала, для того чтобы получить несезонную аномалию, которая может отражать несезонные аномальные сухие и влажные условия. Неопределенности GRACE, показанные на рис. 6a, были вычислены из стандартногое отклонение TWS, которое изменяется от трех решений. На рис.6 показано поведение несезонных изменений TWS. и другихе компонентовы воды в PRB. Было показано, что длительные засушливые условия с 2004 г. до середины 2006 г. (рис. 6а) соответствует стойким отрицательным осадкам / поверхности аномалии стока из 5-месячного среднего временного ряда (Рис. 6bб). Очевидный период увеличения TWS с середины 2008 г. до начало 2009 г. (рис. 6а) можно отнести к положительным осадкам аномалии (рис. 6bб), а также значительным е водныме заполненияме LTR (рис. 6c), с увеличением уровня ем воды увеличена с 332 м до 374 м. Пока дефицит воды в зЗасухи 2009-e2010 и 2011 годов, вызванныйе в основном стойкимое сокращением количества осадков. В частности, последняяий засуха привела к чрезвычайно низкому поверхностному стоку и в 2011 году LRT не сзаполнилаобирала водохранилище (рис. 6c). Большаяой неопределенность в GRACE TWS на начало 2003 г. в основном связана с относительное низкимое качеством данных GRACE на ранней стадии [16].

Кроме того, WGHM показывает более низкую несезонную изменчивость.

и быстрее реагирует на изменения осадков, чем GRACE и GLDAS в PRB, например, быстрое восстановление TWS в

зЗасухуа 2011 г. в ответ на положительные аномалии осадков.

Корреляция 0,88 была обнаружена между 5-месячным средним

временныме рядомы осадков и поверхностнымого стокома, указывающие на то, что

осадки являются основной движущей силой образования стока в

бассейн. Удивительно, но эвапотранспирация снизилась во время засух 2009–2010 и 2011 годов, даже если во время бывшей засухи имели место значительные положительные температурные аномалии .

(Рис. 6d). Это может быть следствием ограниченной влажности почвы и

увядание растений в условиях сильной засухи [38]. Более того,

несоответствие между температурой и эвапотранспирацией

(как положительная, так и отрицательная температура соответствуют дефициту эвапотранспирации) означает, что засухи больше

зависит от осадков, чем от температуры (отражающий

эвапотранспирация) в PRB.

Сезонные изменения различных гидрологических переменных были

вычисленыо на рис. 7. Заметим, что осадки в основном

сосредоточено весной (март - майMarcheMay) и летом

(иИюнь-, август) с меньшим количеством осадков осенью (сентябрь-

нНоябрь) и зимой (декабрь-февраль). Увеличение

тренда зимних осадков (рис. 7dг) совпадает с

находящимся в Ref. [3]. Высокаяая изменчивость летних осадков

привелао к большим колебаниям поверхностного стока, и

мМежду ними была обнаружена корреляция 0,89. Это может легко

вызвать летние наводнения и засухи в бассейне. Поскольку

LTR обычно собирает воду осенью, большие колебания

летние осадки сильно повлияли на воду

водохранилища конфискация LTR, особенно после для тяжелойго

засуха (рис. 7bб). Кроме того, эвапотранспирация в первую очередь

сосредоточен летом, и его низкая изменчивость во всех

сезонов еще раз свидетельствует о том, что осадков выпало больше

важно, чем эвапотранспирация, для возникновения летних засух в ЧРБ. Аналогичный случай был найден в

Литовскойая рекеа [39] и Syed et al. [37] также отметили, что

количество осадков преобладает над изменениями TWS в тропиках.

4.3. Несезонное изменение TWS и тихоокеанский климат изменчивость

Исследования обнаружили связь между ТПМ STT Тихого океана и осадками целиком или частично с PRPRB [4,40,41]. Также стоит посмотреть как изменчивость климата Тихого океана влияет на TWS в PRB. На На рис. 8 показано, что тенденции PRB должны быть сухими в Эль-Ниньо и ~ влажнымио в Ла-Нине, что соответствует графику осадков-ЭНСОENSO в ~ Южномый Китаей [42]. Например, долгосрочный отрицательный TWS аномалии за два периода с 2004 г. по конец 2005 г. и с конца 2009 г. до середины 2010 г. соответствуют событиям Эль-Ниньо, ~ а положительные аномалии TWS за периоды 2008-2009 гг. и 2010–2011 совпадают с событиями Ла Нинья. Однако PDO ~ модуляция аномального антициклона Филиппинского моря может привести к изменению отношения количества осадков к ЭНСОENSO в Южномый Китаей, поскольку ЭНСОENSO оказывает влияние на климаты в Восточной Азии Восточноазиатские климата посредством телесвязи между аномальным и Антициклоном Филиппинского моря и аномальным й юго-запад ветры [40,43]. Это может объяснить возникновение положительной корреляции. между ENSO и TWS в 2006 и 2011e2012 годах, событие Ла Нинья La Nina ~ события, и событие Эль-Ниньо в 2006–2007 гг. Подобные изменения в отношениях осадков и ЭНСОENSO, связанных с воздействием ЗОП также были зарегистрированы на юге Китая в различныех периоды [40,41]. Более того, хорошее соответствие между пикамии аномалий TWS и PDO в 2003, 2008 и 2011–2012 гг. По срокам и масштабам показывает, что крайняя аномалия TWS в PRB, вероятно, была под влиянием пика фазы PDO, включая теплуюый и прохладнуюая фазуа. Но объяснение их положительного или отрицательного отношения должны включать больше факторов, так как PRB подвержен влиянию сложных климатических систем, таких как SST в Южно-Китайское море [44], Индийскомий океане [32] и Нагреваниюе Тибетского плато [45].

5. Выводы и обсуждение.

В настоящем исследовании мы исследовали изменчивость воды. через PRB из GRACE, гидрологических моделей и на местах колебания уровня воды LTR. Значительное истощение воды над верхним PRB и дефицитом воды, вызванным засухой в 2011 г. а также сильное водохранилище LTR хорошо наблюдается GRACEГРЕЙС. Две сильные засухи в 2009–2010 гг. иИ 2011 г. привели к экстремально низкому уровню воды в LTR и поверхностномуый стоку, особенно последний. Осадки были основной причиной возникновения этих засух в PRB как эвапотранспирация показывает низкую сезонную изменчивость. Кроме того, большая изменчивость летних осадков сильно повлияли на регулярное водохранилище LTR и его поверхностный сток, и, как следствие, это может легко вызвать засуху и наводнения в бассейне. Этот результат совпадает с выводами в предыдущих исследованиях [1,4]. Результаты еще раз показывают возможности GRACE при обнаружении водозабора плотинами в PRB как это было сделано в предыдущей работе Wang et al. [46]. Дополнительно, TWS в бассейне отрицательно коррелировал с ENSO. Вообще в Общее. вВозникновение положительных корреляций между TWS и ENSO может быть связано с модуляцией PDO в в частности, экстремальная аномалия TWS могла произойти в пик фазы PDO. Наши результаты будут полезны для более всесторонний анализ воздействия климатической изменчивости климата изменчивость и человеческойая деятельностиь на TWS в PRB.

Благодарности

Мы благодарны Чунхэн Яну за предоставленную воду.

данные об уровне я LTR. Работа поддержана Национальным

Фондом естественных наук Китая (41174020, 41131067),

Фондамиы фундаментальных исследований для центральных университетов

(2014214020203), открытымй фондом Key Laboratory of Geospace

Окружающая среда и геодезия, Министерством образования (14-02-011)

и открытымй фондом Гуансийской ключевой лаборатории пространственной информации и геоматики (14-045-24-17).

12 Следующая ⇒