Page 6 - 2023年第54卷第3期

本研究比较了不同 ＧＲＡＣＥ信号处理方法和产品，集成 ＧＲＡＣＥ观测信息、陆面模式和水文模型以
及 《海河流域水资源公报》 ［１５］ 数据，反演了海河流域的总水储量及海河平原的地下水储量变化，分析
了供用水结构变化及海河流域水量平衡关系，以期为华北地下水超采综合治理、南水北调后续工程建
设等国家重大需求提供参考。

２ 方法和数据

２．１ 总水储量变化 总水储量变化可由尺度因子校正的球谐函数（ＳｐｈｅｒｉｃａｌＨａｒｍｏｎｉｃｓ，ＳＨ）系数产品
和基于质量块（ Ｍａｓｃｏｎｓ）的产品获得。
２．１．１ 尺度因子方法 尺度因子是在每个网格单元上构造的参数，用以放大或缩小每个网格单元的数
据，进而达到校正 ＧＲＡＣＥ反演水储量变化的高阶误差的目的。尺度因子法，即通过对全球陆面模式
ＣＬＭ４．０或全球水文模型（ＷＧＨＭ 和 ＰＣＲ － ＧＬＯＢＷＢ）的总水储量输出，进行和 ＧＲＡＣＥ?ＧＲＡＣＥ － ＦＯ一
致的低通滤波处理，进而通过滤波前后的模型总水储量变化构造尺度因子 ［１６ － １８］ ，以此校正经过低通滤
波处理后 的 ＧＲＡＣＥ?ＧＲＡＣＥ － ＦＯ总水 储量 变化。结合 ＧＲＡＣＥＳＨ 和 全 球 水 文 模 型 ＷＧＨＭ 和 ＰＣＲ －
ＧＬＯＢＷＢ，使用尺度因子法校正总水储量变化的流程如图 １所示 ［１９ － ２２］ 。

图 １ 尺度因子法校正 ＧＲＡＣＥ球谐函数系数反演的总水储量变化流程

由于全球水文模型详细刻画了人类活动对流域水储量变化和水循环造成的影响 ［２３］ ，如地表水和地
下水的取用、灌溉回归流、土壤水重分布、灌溉导致蒸散发增加等，利用其总水储量变化的空间信息
构造尺度因子，理论上更为完备，有潜力提高总水储量变化的反演精度，减小采用陆面模式由于模拟
机制不足造成的信号校正的不确定性。
２．１．２ 质量块方法 由于地表质量重分布引起的地球重力场时变，可以用一个在有限时间间隔内的全
球分布质量浓度场来模拟。其中，在特定位置的每一个质量块有相同的质量密度，代表地表质量的增
加或减少，质量块（ Ｍａｓｃｏｎｓ）方法直接利用 ＧＲＡＣＥ?ＧＲＡＣＥ － ＦＯ研究地表浅层物质运动，把质量变化
对应的等效水高，作为引力场变化模型的参数进行解析计算 ［２４ － ２５］ 。
２．２ 地下水储量变化和流域水量平衡 通过全球陆面同化系统 ＧＬＤＡＳ － ２．１的陆面模式 Ｎｏａｈ和 ＶＩＣ，
以及 ＧＬＤＡＳ － ２．２的 ＣＬＳＭ模式获取土壤水储量变化。不同陆面模式在模拟土壤水过程中会存在偏差，
尤其是在无法获得大范围根区土壤水实测数据的情况下，采用多种陆面模式模拟的土壤水分距平值的
集合平均，是降低根区土壤水分估算结果不确定性的有效方法 ［２６］ 。假设海河平原地表水储量变化相对
于土壤水储量和地下水储量变化在总水储量变化中占比较小、可以忽略 ［１２ － １３］ ，则地下水储量变化可由
式（ １）表示的质量平衡计算。根据 ＧＲＡＣＥ反演的总水储量变化，减去 ３个陆面模式各自模拟的土壤水

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