全球增暖背景下陸地水儲量年代際可預(yù)報性：理論、方法與挑戰(zhàn)

一、引言1.1研究背景與意義在全球氣候變化的大背景下，全球增暖對地球生態(tài)系統(tǒng)和人類社會產(chǎn)生了廣泛而深遠(yuǎn)的影響。陸地水儲量作為地球水資源的重要組成部分，對維持生態(tài)平衡、保障人類生產(chǎn)生活用水以及調(diào)節(jié)氣候等方面起著關(guān)鍵作用。然而，全球增暖正在改變地球的水循環(huán)，進(jìn)而對陸地水儲量產(chǎn)生顯著影響。眾多研究表明，隨著全球氣溫的升高，降水模式發(fā)生改變，部分地區(qū)降水增加，而另一些地區(qū)則面臨降水減少和干旱加劇的問題。例如，美國國家航空航天局（NASA）和德國衛(wèi)星數(shù)據(jù)顯示，自2014年以來，受嚴(yán)重干旱、農(nóng)業(yè)需求擴(kuò)大以及厄爾尼諾等氣候事件等因素的影響，地球淡水供應(yīng)量大幅下降，陸地和地下淡水儲量急劇減少，地球可能已進(jìn)入長期干旱階段。在2015-2023年期間，衛(wèi)星觀測顯示陸地上儲存的淡水平均量比2002-2014年記錄的平均量少1200立方公里，這相當(dāng)于損失了兩倍半伊利湖的水量。亞洲水塔——青藏高原也深受全球變暖影響。研究表明，從21世紀(jì)初至中葉（2002-2060年），青藏高原陸地水儲量變化明顯。在2002年到2017年間，其陸地水儲量以約100億立方米/年的速度下降。預(yù)計在中等氣候變化情景下，即21世紀(jì)中葉相較于工業(yè)革命前全球升溫2攝氏度，青藏高原未來陸地水儲量凈損失可達(dá)2300億立方米，這將嚴(yán)重威脅其對周邊地區(qū)的供水能力。黃河流域和長江流域的陸地水儲量也呈現(xiàn)出明顯變化。黃河流域的陸地水儲量總體呈現(xiàn)逐漸減小的趨勢，其變化受到氣候變化、人類活動和地形因素等的影響。長江流域的陸地水儲量變化則受到氣候變化和人類活動的共同作用，降水是影響流域陸地水儲量異常的主要因素，而水庫蓄水和農(nóng)業(yè)灌溉等人類活動也造成了局部地區(qū)陸地水儲量的明顯變化。陸地水儲量的變化不僅影響著水資源的可利用性和分配，還與生態(tài)系統(tǒng)健康、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、能源開發(fā)以及人類社會的可持續(xù)發(fā)展密切相關(guān)。準(zhǔn)確預(yù)測陸地水儲量的變化趨勢，尤其是在年代際尺度上的可預(yù)報性，對于水資源管理、應(yīng)對氣候變化影響以及制定可持續(xù)發(fā)展策略具有重要意義。在水資源管理方面，了解陸地水儲量的年代際變化可預(yù)報性，有助于合理規(guī)劃水資源的開發(fā)和利用。通過準(zhǔn)確預(yù)測未來一段時間內(nèi)的水資源量，管理者能夠提前制定科學(xué)的水資源分配方案，避免因水資源短缺或過剩導(dǎo)致的各種問題，保障農(nóng)業(yè)灌溉、城市供水和工業(yè)用水的穩(wěn)定供應(yīng)。從應(yīng)對氣候變化影響的角度來看，陸地水儲量的變化是氣候變化的重要響應(yīng)指標(biāo)之一。深入研究其年代際可預(yù)報性，可以更好地理解氣候變化對水資源系統(tǒng)的影響機(jī)制，為制定有效的適應(yīng)和減緩策略提供科學(xué)依據(jù)。例如，在干旱地區(qū)，如果能夠提前預(yù)測到未來幾十年的水資源減少趨勢，就可以提前采取節(jié)水措施、推廣耐旱作物種植等，以減輕氣候變化對當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)和社會經(jīng)濟(jì)的負(fù)面影響。對于人類社會的可持續(xù)發(fā)展而言，陸地水儲量的穩(wěn)定是保障生態(tài)系統(tǒng)平衡和人類福祉的基礎(chǔ)。通過研究其年代際可預(yù)報性，能夠為生態(tài)保護(hù)、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)布局調(diào)整、能源開發(fā)等提供決策支持，促進(jìn)經(jīng)濟(jì)、社會和環(huán)境的協(xié)調(diào)發(fā)展。因此，開展全球增暖背景下陸地水儲量年代際可預(yù)報性研究具有重要的現(xiàn)實意義和科學(xué)價值。1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀隨著全球氣候變化對陸地水儲量影響的日益凸顯，國內(nèi)外學(xué)者在陸地水儲量的監(jiān)測、模擬以及可預(yù)報性研究方面取得了豐富的成果。在陸地水儲量監(jiān)測方面，衛(wèi)星遙感技術(shù)發(fā)揮了重要作用。重力恢復(fù)與氣候?qū)嶒灒℅RACE）衛(wèi)星及其后續(xù)的GRACE-FO衛(wèi)星，通過測量地球重力場的微小變化，能夠精確監(jiān)測全球陸地水儲量的變化。眾多研究利用GRACE衛(wèi)星數(shù)據(jù)，分析了不同地區(qū)陸地水儲量的時空變化特征。例如，有研究揭示了黃河流域陸地水儲量呈現(xiàn)出明顯的季節(jié)性和年際變化特征，總體呈逐漸減小的趨勢，且氣候變化、人類活動和地形因素是主要影響因素；長江流域陸地水儲量變化則受到氣候變化和人類活動的共同作用，降水是影響流域陸地水儲量異常的主要因素，而水庫蓄水和農(nóng)業(yè)灌溉等人類活動造成了局部地區(qū)陸地水儲量的明顯變化。除GRACE衛(wèi)星外，全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)（GNSS）地表形變觀測也被用于反演區(qū)域陸地水儲量變化。GNSS對距離站點(diǎn)約100km范圍內(nèi)的質(zhì)量負(fù)荷變化十分敏感，更適用于反演區(qū)域或流域尺度的陸地水儲量變化，已成功應(yīng)用于北美洲、中國以及南美洲等國家和地區(qū)的陸地水儲量變化研究，并應(yīng)用于極端氣候事件和區(qū)域水循環(huán)研究。陸地水儲量的模擬研究主要借助水文模型和陸面模式。水文模型能夠模擬流域內(nèi)的水文過程，包括降水、蒸發(fā)、徑流等，從而估算陸地水儲量的變化。陸面模式則考慮了陸面與大氣之間的相互作用，能夠更全面地模擬陸地水儲量的動態(tài)變化。例如，一些研究利用分布式水文模型，結(jié)合氣象數(shù)據(jù)和地形信息，對特定流域的陸地水儲量進(jìn)行模擬，取得了較好的結(jié)果。然而，由于水文模型和陸面模式存在參數(shù)不確定性、對復(fù)雜地形和下墊面條件刻畫不足等問題，模擬結(jié)果仍存在一定的誤差。在陸地水儲量年代際可預(yù)報性研究方面，國內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了多方面的探索。有研究提出了新的“基準(zhǔn)技巧”用于研究年代際水文可預(yù)報性，顯著優(yōu)于傳統(tǒng)的初值集合預(yù)報技巧。通過陸面模式進(jìn)行全球集合回報試驗，并采用“彈性框架”方法分析了初始條件和邊界條件不確定性的變化對全球32大流域陸地水儲量年代際預(yù)測的影響，發(fā)現(xiàn)超過一半流域在預(yù)見期較短時（1-4年預(yù)見期）初始條件的貢獻(xiàn)要強(qiáng)于邊界條件，主要分布在干旱半干旱地區(qū)；隨著預(yù)見期增長，預(yù)測技巧的提高更多依賴于減少邊值不確定性。盡管國內(nèi)外在全球增暖背景下陸地水儲量及年代際可預(yù)報性研究方面取得了顯著進(jìn)展，但仍存在一些不足之處。目前對陸地水儲量各組成部分（如地表水、土壤水、地下水等）的變化及其相互作用機(jī)制的認(rèn)識還不夠深入。不同數(shù)據(jù)源（如衛(wèi)星觀測、地面觀測、模型模擬）之間存在一定的差異，如何有效融合多源數(shù)據(jù)，提高陸地水儲量監(jiān)測和模擬的精度，仍是亟待解決的問題。對于陸地水儲量年代際可預(yù)報性的研究，雖然提出了一些新的方法和概念，但在實際應(yīng)用中，如何準(zhǔn)確評估和提高預(yù)測技巧，以及如何將預(yù)測結(jié)果更好地應(yīng)用于水資源管理和決策，還需要進(jìn)一步的研究和實踐。1.3研究目標(biāo)與內(nèi)容本研究旨在深入探究全球增暖背景下陸地水儲量年代際可預(yù)報性，通過綜合分析陸地水儲量變化的影響機(jī)制、改進(jìn)預(yù)測方法以及開展典型區(qū)域案例分析，為水資源管理和應(yīng)對氣候變化提供科學(xué)依據(jù)。具體研究目標(biāo)和內(nèi)容如下：研究目標(biāo)：定量評估全球增暖對陸地水儲量變化的影響程度，明確主要影響因素和作用機(jī)制。建立高精度的陸地水儲量年代際預(yù)測模型，提高預(yù)測的準(zhǔn)確性和可靠性。分析陸地水儲量年代際變化的可預(yù)報性來源，確定可預(yù)報性的時空分布特征。為水資源管理部門和決策者提供科學(xué)合理的建議，促進(jìn)水資源的可持續(xù)利用和應(yīng)對氣候變化的有效策略制定。研究內(nèi)容：全球增暖對陸地水儲量變化的影響機(jī)制研究：收集和整理全球范圍內(nèi)的陸地水儲量觀測數(shù)據(jù)，包括GRACE衛(wèi)星數(shù)據(jù)、地面觀測數(shù)據(jù)等，分析陸地水儲量的時空變化特征。結(jié)合氣候模型和陸面模式，模擬全球增暖情景下陸地水儲量的變化趨勢，探討氣候變化對陸地水儲量的直接和間接影響。研究人類活動（如水資源開發(fā)利用、土地利用變化等）對陸地水儲量的影響機(jī)制，通過對比分析不同地區(qū)的案例，量化人類活動的貢獻(xiàn)。陸地水儲量年代際預(yù)測方法研究：評估現(xiàn)有陸地水儲量預(yù)測方法的優(yōu)缺點(diǎn)，包括統(tǒng)計模型、動力模型和機(jī)器學(xué)習(xí)方法等。結(jié)合多源數(shù)據(jù)（如氣象數(shù)據(jù)、水文數(shù)據(jù)、地形數(shù)據(jù)等），改進(jìn)和發(fā)展陸地水儲量年代際預(yù)測模型，提高模型對復(fù)雜過程的刻畫能力。利用集合預(yù)報技術(shù)，考慮模型參數(shù)不確定性和初始條件不確定性，生成陸地水儲量的概率預(yù)報，為決策提供更全面的信息。陸地水儲量年代際可預(yù)報性分析：采用“彈性框架”等方法，分析初始條件和邊界條件不確定性對陸地水儲量年代際預(yù)測的影響，確定可預(yù)報性的主要來源。研究陸地水儲量年代際可預(yù)報性的時空分布特征，識別可預(yù)報性較高和較低的區(qū)域，為針對性的監(jiān)測和預(yù)測提供依據(jù)。評估不同時間尺度（如1-4年、5-10年等）的陸地水儲量可預(yù)報性，探討可預(yù)報性隨時間的變化規(guī)律。典型區(qū)域陸地水儲量年代際變化及可預(yù)報性案例分析：選取亞洲水塔、黃河流域和長江流域等典型區(qū)域，深入研究其陸地水儲量年代際變化特征和影響因素。利用改進(jìn)的預(yù)測模型，對典型區(qū)域的陸地水儲量進(jìn)行年代際預(yù)測，并評估預(yù)測結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性。結(jié)合區(qū)域水資源管理需求，提出基于可預(yù)報性的水資源合理利用和管理建議，為區(qū)域可持續(xù)發(fā)展提供支持。1.4研究方法與技術(shù)路線研究方法：數(shù)據(jù)分析法：收集和整理全球范圍內(nèi)的陸地水儲量觀測數(shù)據(jù)，包括GRACE衛(wèi)星數(shù)據(jù)、地面觀測數(shù)據(jù)等，運(yùn)用統(tǒng)計分析方法，研究陸地水儲量的時空變化特征。利用相關(guān)分析、回歸分析等方法，探討陸地水儲量變化與氣候變化、人類活動等因素之間的關(guān)系。模型模擬法：運(yùn)用氣候模型和陸面模式，如CommunityEarthSystemModel（CESM）、CommonLandModel（CLM）等，模擬全球增暖情景下陸地水儲量的變化趨勢。通過設(shè)置不同的情景參數(shù)，分析氣候變化對陸地水儲量的直接和間接影響。利用水文模型，如VariableInfiltrationCapacity（VIC）模型，模擬陸地水儲量各組成部分（地表水、土壤水、地下水等）的動態(tài)變化過程，研究其相互作用機(jī)制。機(jī)器學(xué)習(xí)法：構(gòu)建機(jī)器學(xué)習(xí)模型，如人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（ANN）、支持向量機(jī)（SVM）等，對陸地水儲量進(jìn)行預(yù)測。利用多源數(shù)據(jù)（氣象數(shù)據(jù)、水文數(shù)據(jù)、地形數(shù)據(jù)等）作為輸入，訓(xùn)練模型并優(yōu)化參數(shù)，提高預(yù)測的準(zhǔn)確性。采用深度學(xué)習(xí)方法，如卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（CNN）、循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（RNN）及其變體長短期記憶網(wǎng)絡(luò)（LSTM）等，挖掘數(shù)據(jù)中的復(fù)雜模式和特征，進(jìn)一步提升陸地水儲量預(yù)測的精度和可靠性。集合預(yù)報法：考慮模型參數(shù)不確定性和初始條件不確定性，采用集合預(yù)報技術(shù)，生成多個預(yù)測結(jié)果。通過對集合成員的統(tǒng)計分析，評估預(yù)測結(jié)果的不確定性，提供陸地水儲量的概率預(yù)報，為決策提供更全面的信息。利用蒙特卡羅模擬等方法，隨機(jī)生成大量的模型參數(shù)和初始條件，構(gòu)建集合預(yù)報系統(tǒng)，提高預(yù)測的穩(wěn)健性。技術(shù)路線：本研究的技術(shù)路線如圖1所示。首先，收集全球陸地水儲量觀測數(shù)據(jù)、氣象數(shù)據(jù)、地形數(shù)據(jù)等多源數(shù)據(jù)，并進(jìn)行預(yù)處理和質(zhì)量控制。然后，利用數(shù)據(jù)分析法，分析陸地水儲量的時空變化特征，初步探討其與影響因素之間的關(guān)系。接著，運(yùn)用模型模擬法，通過氣候模型和陸面模式模擬全球增暖情景下陸地水儲量的變化趨勢，利用水文模型模擬陸地水儲量各組成部分的動態(tài)變化過程。在此基礎(chǔ)上，結(jié)合機(jī)器學(xué)習(xí)法，構(gòu)建陸地水儲量預(yù)測模型，并進(jìn)行訓(xùn)練和優(yōu)化。最后，采用集合預(yù)報法，考慮不確定性因素，生成陸地水儲量的概率預(yù)報，并對預(yù)測結(jié)果進(jìn)行評估和驗證。根據(jù)評估結(jié)果，對模型進(jìn)行改進(jìn)和完善，最終為水資源管理和應(yīng)對氣候變化提供科學(xué)依據(jù)。graphTD;A[數(shù)據(jù)收集與預(yù)處理]-->B[數(shù)據(jù)分析];B-->C[模型模擬];C-->D[機(jī)器學(xué)習(xí)建模];D-->E[集合預(yù)報與結(jié)果評估];E-->F[模型改進(jìn)與應(yīng)用];圖1技術(shù)路線圖二、全球增暖與陸地水儲量變化的關(guān)系2.1全球增暖的現(xiàn)狀與趨勢全球增暖是當(dāng)前地球氣候變化面臨的核心問題，對地球生態(tài)系統(tǒng)和人類社會產(chǎn)生了深遠(yuǎn)影響。隨著工業(yè)化進(jìn)程的加速，大量溫室氣體排放到大氣中，導(dǎo)致全球氣溫顯著上升。據(jù)中國氣象局國家氣候中心發(fā)布的數(shù)據(jù)顯示，2023年成為全球有氣象記錄以來的最暖年份，較上一個高溫紀(jì)錄年（2016年）偏高0.14℃，2023年全球表面平均溫度較工業(yè)化前水平（1850年至1900年平均值）已高出1.42℃。而中國科學(xué)家領(lǐng)導(dǎo)的國際研究團(tuán)隊發(fā)布的《2024年全球海溫變化研究報告》表明，2024年全球海表平均溫度、海洋上層2000米熱含量再次達(dá)到人類有觀測記錄以來的最高值，海洋逐年不斷刷新變暖紀(jì)錄，已然成為一種“新常態(tài)”。全球增暖還引發(fā)了一系列極端氣候事件，如暴雨、干旱、颶風(fēng)等，這些事件的發(fā)生頻率和強(qiáng)度都在增加。2024年7月加勒比海地區(qū)、9月的美國東南部及中國海南地區(qū)，先后遭受多次超強(qiáng)臺風(fēng)（颶風(fēng)）的襲擊；10月底，西班牙遭受到“現(xiàn)代史上西班牙最嚴(yán)重的洪澇災(zāi)害”的襲擊。2024年，全球有104個國家記錄了有史以來最高的溫度，多地經(jīng)歷極端天氣事件，包括大范圍的干旱、熱浪、野火，影響南非、南亞、菲律賓、巴西、歐洲及美國東北部。未來，全球增暖的趨勢仍將持續(xù)。根據(jù)政府間氣候變化專門委員會（IPCC）的第六次評估報告，在不同的排放情景下，到本世紀(jì)末，全球平均氣溫可能會比工業(yè)化前水平升高1.5℃-4.4℃。在高排放情景下，全球氣溫上升幅度可能更大，這將進(jìn)一步加劇氣候變化帶來的影響，如冰川融化加速、海平面上升、降水模式改變等，對陸地水儲量產(chǎn)生更為顯著的影響。2.2陸地水儲量的構(gòu)成與變化因素陸地水儲量是指陸地表面及地下存儲的液態(tài)和固態(tài)水的總量，其構(gòu)成較為復(fù)雜，主要包括地表水、土壤水、地下水以及冰川和積雪等。這些組成部分在陸地水循環(huán)中扮演著不同的角色，且相互關(guān)聯(lián)，共同維持著陸地水儲量的動態(tài)平衡。地表水是陸地水儲量的重要組成部分，包括河流、湖泊、水庫等水體中的水。河流作為水循環(huán)的重要通道，其徑流量受到降水、蒸發(fā)、地下水補(bǔ)給等多種因素的影響。在濕潤地區(qū)，降水充沛，河流徑流量較大，能夠為周邊地區(qū)提供豐富的水資源；而在干旱地區(qū)，降水稀少，河流徑流量較小，甚至可能出現(xiàn)斷流現(xiàn)象。湖泊和水庫則是地表水的重要儲存形式，它們不僅能夠調(diào)節(jié)河流水量，還能為周邊生態(tài)系統(tǒng)提供水源。例如，鄱陽湖作為中國最大的淡水湖之一，對長江中下游地區(qū)的水資源調(diào)節(jié)和生態(tài)平衡維護(hù)起著重要作用。土壤水是存在于土壤孔隙中的水分，它對植物生長、土壤侵蝕和地表徑流等過程有著重要影響。土壤水的含量受到降水、蒸發(fā)、植被蒸騰和土壤質(zhì)地等因素的制約。在降水較多的季節(jié)，土壤水含量增加，能夠滿足植物生長的需求；而在干旱季節(jié)，土壤水含量減少，可能導(dǎo)致植物缺水死亡。植被通過根系吸收土壤水，進(jìn)行蒸騰作用，從而影響土壤水的動態(tài)變化。不同土壤質(zhì)地對土壤水的保持和傳輸能力也不同，砂土的透水性較好，但保水性較差；黏土的保水性較好，但透水性較差。地下水是指賦存于地面以下巖石空隙中的水，它是陸地水儲量的重要儲存形式，對維持生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定和人類用水需求具有重要意義。地下水的補(bǔ)給主要來自降水入滲、地表水滲漏和側(cè)向徑流補(bǔ)給等。在一些地區(qū)，地下水是主要的供水水源，如華北平原，由于地表水資源短缺，地下水開采量較大。然而，過度開采地下水會導(dǎo)致地下水位下降、地面沉降等問題。例如，墨西哥城由于長期過度開采地下水，導(dǎo)致城市地面大幅沉降，對城市基礎(chǔ)設(shè)施和生態(tài)環(huán)境造成了嚴(yán)重影響。冰川和積雪是陸地水儲量的固態(tài)形式，主要分布在高海拔和高緯度地區(qū)。冰川是由多年積雪堆積而成，其儲量巨大，對全球海平面變化和水資源供應(yīng)有著重要影響。在全球增暖的背景下，冰川融化速度加快，導(dǎo)致冰川儲量減少。例如，喜馬拉雅山脈的冰川正在加速融化，這不僅會影響當(dāng)?shù)氐乃Y源供應(yīng)，還可能引發(fā)洪水、泥石流等災(zāi)害。積雪則是季節(jié)性的固態(tài)水儲存形式，其融化在春季和夏季為河流提供重要的補(bǔ)給水源。在一些地區(qū)，積雪融化的時間和強(qiáng)度對農(nóng)業(yè)灌溉和水電發(fā)電等有著重要影響。陸地水儲量的變化受到多種因素的綜合影響，其中氣候變化和人類活動是兩個主要的驅(qū)動因素。氣候變化對陸地水儲量的影響主要通過改變降水、蒸發(fā)和溫度等氣候要素來實現(xiàn)。隨著全球氣溫的升高，蒸發(fā)量增加，導(dǎo)致陸地水儲量減少。降水模式的改變也會對陸地水儲量產(chǎn)生顯著影響。在一些地區(qū)，降水增加可能導(dǎo)致陸地水儲量增加；而在另一些地區(qū)，降水減少則可能導(dǎo)致陸地水儲量減少。例如，在非洲之角地區(qū)，由于降水減少，導(dǎo)致陸地水儲量下降，引發(fā)了嚴(yán)重的干旱和水資源短缺問題。溫度升高還會加速冰川和積雪的融化，導(dǎo)致冰川和積雪儲量減少，進(jìn)而影響陸地水儲量的動態(tài)平衡。人類活動對陸地水儲量的影響日益顯著，主要包括水資源開發(fā)利用、土地利用變化和城市化進(jìn)程等方面。水資源開發(fā)利用，如修建水庫、引水灌溉和抽取地下水等，直接改變了陸地水的分布和循環(huán)過程。大量修建水庫會改變河流的徑流量和水位，影響下游地區(qū)的水資源供應(yīng)；過度抽取地下水會導(dǎo)致地下水位下降，引發(fā)地面沉降和海水入侵等問題。土地利用變化，如森林砍伐、草原開墾和城市化擴(kuò)張等，改變了地表覆蓋和土壤性質(zhì)，進(jìn)而影響降水的截留、入滲和蒸發(fā)等過程。森林砍伐會減少植被對降水的截留和蒸騰作用，增加地表徑流，導(dǎo)致陸地水儲量減少；城市化進(jìn)程中，大量的土地被硬化，使得降水難以入滲，增加了地表徑流，減少了地下水補(bǔ)給。在全球增暖的背景下，氣候變化和人類活動的影響相互交織，進(jìn)一步加劇了陸地水儲量的變化。這種變化對生態(tài)系統(tǒng)、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和人類社會的可持續(xù)發(fā)展帶來了諸多挑戰(zhàn)。因此，深入研究陸地水儲量的構(gòu)成與變化因素，對于理解全球水循環(huán)、應(yīng)對氣候變化和保障水資源可持續(xù)利用具有重要意義。2.3全球增暖對陸地水儲量的影響機(jī)制2.3.1冰川融化與陸地水儲量變化在全球增暖的大背景下，冰川融化成為影響陸地水儲量變化的重要因素之一。冰川作為陸地水儲量的重要組成部分，儲存著大量的淡水資源。然而，隨著全球氣溫的持續(xù)升高，冰川融化速度不斷加快，導(dǎo)致冰川儲量逐漸減少，進(jìn)而對陸地水儲量的動態(tài)平衡產(chǎn)生顯著影響。以青藏高原冰川為例，其作為亞洲水塔的重要組成部分，對周邊地區(qū)的水資源供應(yīng)起著關(guān)鍵作用。青藏高原是除南北極以外，冰雪儲量最大的地區(qū)，這里廣泛分布著冰川（面積約10萬平方公里）、積雪（常年積雪面積約為30萬平方公里）、多年凍土（面積約為130萬平方公里）等固態(tài)水體。但過去50年來，青藏高原是全球氣候變暖最強(qiáng)烈的地區(qū)之一，1961-2020年，這里的年平均氣溫上升趨勢達(dá)0.35℃/10年，超過同期全球增溫速率（0.16℃/10年）的2倍?？焖僮兣瘜?dǎo)致冰川加速消融，據(jù)國土資源部中國地質(zhì)調(diào)查局通過四年的遙感監(jiān)測發(fā)現(xiàn)，近30年來青藏高原的冰川大幅度融化，總面積已經(jīng)減少了1/10以上，預(yù)計到2050年冰川面積將減少到現(xiàn)有面積的72%，到2090年將減少到一半。青藏高原冰川融化對陸地水儲量的影響是復(fù)雜而多方面的。在短期內(nèi)，冰川融化會導(dǎo)致河流水量增加，陸地水儲量上升。因為大量的冰川融水匯入河流，使得河流徑流量增大。例如，印度河、恒河-雅魯藏布江等發(fā)源于青藏高原的河流，在冰川融化的影響下，其徑流量在過去一段時間內(nèi)有所增加。然而，從長期來看，隨著冰川儲量的持續(xù)減少，冰川融水徑流最終將減少甚至消失，未來可用水資源也會隨之減少。清華大學(xué)水利水電工程系預(yù)測，青藏高原未來陸地水儲量凈損失可達(dá)2300億立方米，其中，印度河上游徑流將減少8.4%，恒河上游徑流將減少17.6%，雅魯藏布江徑流將減少19.6%，長江上游河流徑流將減少5.2%。這種長期的水資源減少將對周邊地區(qū)的生態(tài)系統(tǒng)、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和人類生活產(chǎn)生嚴(yán)重影響。在生態(tài)系統(tǒng)方面，水資源減少可能導(dǎo)致河流干涸、湖泊萎縮，破壞水生生物的棲息地，威脅生物多樣性。許多依賴冰川融水的濕地生態(tài)系統(tǒng)也將面臨退化的風(fēng)險，影響候鳥遷徙和其他野生動物的生存。在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方面，水資源短缺將制約灌溉用水，降低農(nóng)作物產(chǎn)量，影響糧食安全。尤其是在一些干旱和半干旱地區(qū)，如中亞和南亞部分地區(qū)，對青藏高原冰川融水的依賴程度較高，水資源減少將給當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)帶來巨大挑戰(zhàn)。對于人類生活而言，水資源短缺將影響居民的生活用水供應(yīng)，引發(fā)用水緊張和社會矛盾。此外，冰川融化還可能引發(fā)一系列次生災(zāi)害，如山洪、泥石流等，進(jìn)一步威脅當(dāng)?shù)氐纳鷳B(tài)環(huán)境和人類安全。由于冰川融化速度加快，短時間內(nèi)大量的融水可能引發(fā)山洪暴發(fā)，沖毀道路、橋梁和房屋等基礎(chǔ)設(shè)施。而融化后的冰川沉積物在雨水的沖刷下，容易形成泥石流，對下游地區(qū)造成嚴(yán)重破壞。2.3.2降水模式改變對陸地水儲量的影響全球增暖正在改變地球的降水模式，導(dǎo)致降水分布不均和極端降水事件增多，這對陸地水儲量產(chǎn)生了重要影響。降水是陸地水儲量的主要補(bǔ)給來源，降水模式的改變直接影響著陸地水的收支平衡。隨著全球氣溫的升高，大氣中的水汽含量增加，這使得降水的強(qiáng)度和頻率發(fā)生變化。一些地區(qū)可能會經(jīng)歷更多的強(qiáng)降水事件，而另一些地區(qū)則可能面臨降水減少和干旱加劇的問題。根據(jù)IPCC第五次評估報告，全球平均溫度的上升導(dǎo)致了極端天氣事件的增多，如極端干旱、極端降雨等。2018年非洲之角的嚴(yán)重干旱，造成了超過250萬人面臨糧食安全問題。在中國，北方地區(qū)近年來降水量呈減少趨勢，導(dǎo)致水資源短缺問題日益嚴(yán)重；而南方地區(qū)雖然降水相對較多，但也出現(xiàn)了降水分布不均和極端降水事件增加的情況。降水減少會直接導(dǎo)致陸地水儲量減少。當(dāng)降水量不足以補(bǔ)充蒸發(fā)和蒸騰的水分損失時，土壤水含量下降，河流徑流量減少，湖泊和水庫水位降低。在干旱地區(qū)，降水減少可能導(dǎo)致土地沙漠化加劇，生態(tài)系統(tǒng)退化。例如，在我國西北地區(qū)，由于降水持續(xù)減少，沙漠面積不斷擴(kuò)大，綠洲面積縮小，許多河流干涸，嚴(yán)重影響了當(dāng)?shù)氐纳鷳B(tài)環(huán)境和經(jīng)濟(jì)發(fā)展。降水分布不均也會對陸地水儲量產(chǎn)生影響。一些地區(qū)降水過多，可能引發(fā)洪澇災(zāi)害，導(dǎo)致水資源大量流失，同時也會破壞水利設(shè)施，影響水資源的合理利用。而另一些地區(qū)降水過少，水資源短缺問題加劇，影響工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和居民生活用水。以我國長江流域和黃河流域為例，長江流域降水相對豐富，但降水的季節(jié)分布不均，夏季降水集中，容易引發(fā)洪澇災(zāi)害；而黃河流域降水較少，且年際變化大，水資源短缺問題較為突出。此外，極端降水事件的增加對陸地水儲量的影響更為復(fù)雜。一方面，強(qiáng)降水可能在短期內(nèi)增加陸地水儲量，如暴雨后河流和湖泊水位迅速上升。但另一方面，極端降水可能導(dǎo)致水土流失加劇，土壤蓄水能力下降，從而影響陸地水儲量的長期穩(wěn)定。強(qiáng)降水還可能引發(fā)洪水、泥石流等災(zāi)害，對水利設(shè)施和生態(tài)環(huán)境造成破壞，進(jìn)一步影響水資源的利用和管理。2.3.3蒸發(fā)與蒸騰作用的變化全球增暖導(dǎo)致氣溫升高，進(jìn)而使蒸發(fā)和蒸騰作用增強(qiáng)，這對陸地水儲量產(chǎn)生了重要影響。蒸發(fā)和蒸騰是陸地水循環(huán)中的重要環(huán)節(jié)，它們的變化直接影響著陸地水的收支平衡。蒸發(fā)是指液態(tài)水轉(zhuǎn)化為氣態(tài)水的過程，主要發(fā)生在水面、土壤表面和植物表面。蒸騰則是指植物通過根系吸收土壤中的水分，然后通過葉片表面的氣孔將水分以氣態(tài)形式釋放到大氣中的過程。隨著氣溫的升高，水分子的動能增加，蒸發(fā)和蒸騰作用的速率加快。據(jù)研究，全球蒸發(fā)量預(yù)計將增加4%-10%。蒸發(fā)和蒸騰作用增強(qiáng)會導(dǎo)致陸地水儲量減少。在水面，蒸發(fā)作用使水體中的水分不斷散失到大氣中，導(dǎo)致湖泊、水庫等水體的水量減少，水位下降。在土壤表面，蒸發(fā)作用使土壤中的水分減少，影響土壤的濕度和肥力，進(jìn)而影響植物的生長。植物的蒸騰作用也會消耗大量的水分，當(dāng)蒸騰作用增強(qiáng)時，植物從土壤中吸收的水分增多，導(dǎo)致土壤水含量下降。如果降水不能及時補(bǔ)充這些水分損失，陸地水儲量就會逐漸減少。以干旱和半干旱地區(qū)為例，這些地區(qū)本身降水較少，蒸發(fā)和蒸騰作用對陸地水儲量的影響更為顯著。在這些地區(qū)，由于氣候干燥，蒸發(fā)和蒸騰作用強(qiáng)烈，土壤水分很容易被消耗殆盡。如果全球增暖導(dǎo)致這些地區(qū)的蒸發(fā)和蒸騰作用進(jìn)一步增強(qiáng)，將會加劇水資源短缺問題，導(dǎo)致土地沙漠化加劇，生態(tài)系統(tǒng)更加脆弱。在我國的西北地區(qū)，由于蒸發(fā)和蒸騰作用旺盛，加上降水稀少，水資源短缺一直是制約當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)發(fā)展和生態(tài)保護(hù)的重要因素。此外，蒸發(fā)和蒸騰作用的變化還會影響陸地水儲量的時空分布。在一些地區(qū)，由于蒸發(fā)和蒸騰作用的增強(qiáng)，可能導(dǎo)致局部地區(qū)的陸地水儲量減少，而在其他地區(qū)，由于降水模式的改變，可能會出現(xiàn)陸地水儲量增加的情況。這種時空分布的變化會對水資源的合理利用和管理帶來挑戰(zhàn)，需要更加科學(xué)的水資源規(guī)劃和調(diào)配策略。三、陸地水儲量年代際可預(yù)報性的理論基礎(chǔ)3.1陸地水儲量的變化規(guī)律與特征陸地水儲量的變化規(guī)律和特征是研究其年代際可預(yù)報性的重要基礎(chǔ)。通過對陸地水儲量的觀測數(shù)據(jù)和模擬結(jié)果進(jìn)行分析，可以揭示其在不同時間尺度和空間范圍內(nèi)的變化規(guī)律，為后續(xù)的可預(yù)報性研究提供依據(jù)。在季節(jié)性變化方面，陸地水儲量受到降水、蒸發(fā)和徑流等因素的季節(jié)性變化影響，呈現(xiàn)出明顯的季節(jié)性特征。在溫帶地區(qū)，冬季降水多以降雪形式出現(xiàn)，陸地水儲量中積雪和冰川的占比增加；而在春季和夏季，氣溫升高，積雪和冰川融化，河流徑流量增加，陸地水儲量中地表水的占比增加。在熱帶地區(qū)，降水的季節(jié)性變化更為明顯，雨季時陸地水儲量增加，旱季時則減少。以長江流域為例，夏季降水集中，河流徑流量大，陸地水儲量明顯增加；而冬季降水減少，河流徑流量減小，陸地水儲量也相應(yīng)減少。年際變化方面，陸地水儲量受到氣候異常事件（如厄爾尼諾-南方濤動、太平洋年代際振蕩等）以及人類活動的影響，呈現(xiàn)出年際波動。厄爾尼諾事件發(fā)生時，熱帶太平洋地區(qū)的海溫異常升高，導(dǎo)致全球氣候異常，部分地區(qū)降水減少，陸地水儲量下降；而拉尼娜事件則相反，會使一些地區(qū)降水增加，陸地水儲量上升。在過去的幾十年中，由于人類活動導(dǎo)致的溫室氣體排放增加，全球氣候變暖加劇，陸地水儲量的年際變化也更加劇烈。一些地區(qū)的干旱和洪澇災(zāi)害頻發(fā)，導(dǎo)致陸地水儲量的年際波動增大。在年代際變化方面，陸地水儲量受到長期氣候變化和人類活動的累積影響，呈現(xiàn)出緩慢的變化趨勢。隨著全球氣候變暖，冰川融化加速，海平面上升，陸地水儲量的分布發(fā)生改變。在一些高海拔和高緯度地區(qū)，冰川儲量減少，導(dǎo)致陸地水儲量下降；而在一些沿海地區(qū)，由于海平面上升，海水倒灌，陸地水儲量增加。人類活動對陸地水儲量的年代際變化也有著重要影響。大規(guī)模的水資源開發(fā)利用、土地利用變化和城市化進(jìn)程等，改變了陸地水的循環(huán)和分布，導(dǎo)致陸地水儲量在年代際尺度上發(fā)生變化。例如，過度抽取地下水會導(dǎo)致地下水位下降，陸地水儲量減少；而修建水庫和灌溉工程則會改變河流的徑流量和水位，影響陸地水儲量的分布。陸地水儲量的空間分布特征也十分顯著。在全球范圍內(nèi)，陸地水儲量的分布極不均衡。赤道附近和沿海地區(qū)降水豐富，陸地水儲量相對較高；而內(nèi)陸地區(qū)和沙漠地區(qū)降水稀少，陸地水儲量較低。在亞洲，青藏高原地區(qū)由于其獨(dú)特的地形和氣候條件，擁有豐富的冰川和積雪資源，是亞洲重要的淡水儲存區(qū)；而中亞和西亞地區(qū)則由于干旱少雨，陸地水儲量匱乏。在區(qū)域尺度上，陸地水儲量的空間分布也受到地形、氣候和人類活動等因素的影響。在山區(qū)，由于地形起伏大，降水較多，河流落差大，陸地水儲量相對較高；而在平原地區(qū)，地形平坦，降水相對較少，陸地水儲量較低。人類活動也會改變陸地水儲量的空間分布。在農(nóng)業(yè)灌溉區(qū)，由于大量抽取地下水進(jìn)行灌溉，導(dǎo)致地下水位下降，陸地水儲量減少；而在城市地區(qū)，由于城市化進(jìn)程加快，地面硬化面積增加，降水難以入滲，導(dǎo)致地表徑流增加，陸地水儲量減少。通過對陸地水儲量變化規(guī)律與特征的分析可知，其變化受到多種因素的綜合影響，且在不同時間尺度和空間范圍內(nèi)呈現(xiàn)出不同的變化特征。這些變化特征為進(jìn)一步研究陸地水儲量年代際可預(yù)報性提供了重要的基礎(chǔ)和依據(jù)。3.2可預(yù)報性的概念與度量方法可預(yù)報性是指在一定的時間尺度和精度要求下，對某個系統(tǒng)的未來狀態(tài)進(jìn)行準(zhǔn)確預(yù)測的能力。在陸地水儲量研究中，可預(yù)報性是評估我們能否準(zhǔn)確預(yù)測陸地水儲量未來變化的重要指標(biāo)。它涉及到多個因素，包括系統(tǒng)的初始條件、邊界條件、內(nèi)部動力學(xué)過程以及外部強(qiáng)迫等。在氣候系統(tǒng)中，可預(yù)報性受到多種因素的制約。大氣運(yùn)動的混沌特性使得初始條件的微小差異可能導(dǎo)致預(yù)測結(jié)果的巨大偏差，這就是所謂的“蝴蝶效應(yīng)”。海洋的熱慣性和緩慢變化的特性也會影響氣候系統(tǒng)的可預(yù)報性。在陸地水儲量系統(tǒng)中，土壤濕度、地下水儲量等的初始狀態(tài)以及降水、蒸發(fā)等氣象條件的不確定性，都會對陸地水儲量的可預(yù)報性產(chǎn)生影響。為了度量陸地水儲量的可預(yù)報性，常用的方法包括相關(guān)系數(shù)、均方根誤差（RMSE）、納什效率系數(shù)（NSE）等。相關(guān)系數(shù)用于衡量預(yù)測值與觀測值之間的線性相關(guān)程度，其取值范圍在-1到1之間，值越接近1，表示預(yù)測值與觀測值的相關(guān)性越強(qiáng)，可預(yù)報性越高；值越接近-1，表示兩者呈負(fù)相關(guān)；值接近0，則表示兩者之間幾乎不存在線性相關(guān)關(guān)系。均方根誤差是衡量預(yù)測值與觀測值之間偏差的一種常用指標(biāo)，它計算預(yù)測值與觀測值之差的平方和的平均值的平方根。RMSE值越小，說明預(yù)測值與觀測值之間的偏差越小，預(yù)測的準(zhǔn)確性越高，可預(yù)報性也就越強(qiáng)。納什效率系數(shù)是一種用于評估水文模型模擬效果的指標(biāo)，在陸地水儲量可預(yù)報性研究中也被廣泛應(yīng)用。NSE的取值范圍在負(fù)無窮到1之間，當(dāng)NSE=1時，表示預(yù)測值與觀測值完全吻合，可預(yù)報性最高；當(dāng)NSE<0時，表示預(yù)測值還不如觀測值的平均值準(zhǔn)確，可預(yù)報性較差。以某流域的陸地水儲量預(yù)測為例，假設(shè)我們利用一個預(yù)測模型對該流域未來10年的陸地水儲量進(jìn)行預(yù)測，并將預(yù)測結(jié)果與實際觀測值進(jìn)行對比。通過計算相關(guān)系數(shù)、RMSE和NSE等指標(biāo)，我們可以評估該模型對該流域陸地水儲量的可預(yù)報性。如果相關(guān)系數(shù)較高，RMSE和NSE值較小，說明該模型能夠較好地捕捉陸地水儲量的變化趨勢，可預(yù)報性較高；反之，如果相關(guān)系數(shù)較低，RMSE和NSE值較大，則說明該模型的可預(yù)報性較差，需要進(jìn)一步改進(jìn)。在實際應(yīng)用中，還可以采用交叉驗證、集合預(yù)報等方法來評估和提高陸地水儲量的可預(yù)報性。交叉驗證是將數(shù)據(jù)集劃分為多個子集，通過多次訓(xùn)練和驗證來評估模型的性能，減少過擬合的風(fēng)險。集合預(yù)報則是利用多個不同的模型或初始條件進(jìn)行預(yù)測，通過對多個預(yù)測結(jié)果的統(tǒng)計分析來評估預(yù)測的不確定性，提高預(yù)測的可靠性。3.3影響陸地水儲量年代際可預(yù)報性的因素3.3.1初始條件的不確定性陸地水儲量的初始條件包括土壤濕度、積雪覆蓋、地下水儲量等，這些初始條件的不確定性對年代際可預(yù)報性有著重要影響。土壤濕度作為陸地水儲量的重要組成部分，其初始值的不確定性會導(dǎo)致陸地水儲量預(yù)測結(jié)果的偏差。土壤濕度受到降水、蒸發(fā)、植被蒸騰等多種因素的影響，其空間分布和時間變化都較為復(fù)雜。在干旱地區(qū)，土壤濕度的變化對降水的響應(yīng)較為敏感，初始土壤濕度的微小差異可能會導(dǎo)致后續(xù)降水的再分配和蒸發(fā)過程的不同，從而影響陸地水儲量的預(yù)測精度。積雪覆蓋是陸地水儲量的另一個重要初始條件，其不確定性也會對年代際可預(yù)報性產(chǎn)生影響。積雪的積累和融化過程受到氣溫、降水、太陽輻射等因素的制約，而這些因素的不確定性會導(dǎo)致積雪覆蓋面積和積雪深度的預(yù)測誤差。在高緯度和高海拔地區(qū)，積雪覆蓋對陸地水儲量的影響尤為顯著。如果在預(yù)測初期對積雪覆蓋的估計不準(zhǔn)確，可能會導(dǎo)致后續(xù)對河流徑流、土壤濕度等的預(yù)測出現(xiàn)偏差，進(jìn)而影響陸地水儲量的年代際預(yù)測。地下水儲量的初始條件不確定性同樣不容忽視。地下水的補(bǔ)給和排泄過程較為緩慢，且受到地質(zhì)構(gòu)造、含水層特性等多種因素的影響，使得地下水儲量的準(zhǔn)確測量和預(yù)測較為困難。在一些地區(qū)，由于地下水開采和回灌等人類活動的影響，地下水儲量的變化更加復(fù)雜。如果在預(yù)測陸地水儲量時，對地下水儲量的初始條件估計不準(zhǔn)確，可能會導(dǎo)致預(yù)測結(jié)果與實際情況存在較大偏差。為了降低初始條件不確定性對陸地水儲量年代際可預(yù)報性的影響，需要加強(qiáng)對陸地水儲量初始條件的觀測和監(jiān)測。利用衛(wèi)星遙感、地面觀測網(wǎng)絡(luò)等多種手段，獲取更準(zhǔn)確、更全面的土壤濕度、積雪覆蓋和地下水儲量等信息。通過數(shù)據(jù)同化技術(shù)，將觀測數(shù)據(jù)與模型模擬結(jié)果相結(jié)合，優(yōu)化初始條件的設(shè)定，提高陸地水儲量預(yù)測的準(zhǔn)確性。3.3.2氣候系統(tǒng)的內(nèi)部變率氣候系統(tǒng)的內(nèi)部變率是影響陸地水儲量年代際可預(yù)報性的重要因素之一，其中厄爾尼諾-南方濤動（ENSO）、太平洋年代際振蕩（PDO）等氣候模態(tài)對陸地水儲量的變化有著顯著影響。厄爾尼諾-南方濤動是熱帶太平洋地區(qū)海氣相互作用的一種準(zhǔn)周期性現(xiàn)象，對全球氣候和陸地水儲量產(chǎn)生廣泛影響。在厄爾尼諾事件期間，熱帶太平洋中部和東部海域的海溫異常升高，導(dǎo)致大氣環(huán)流發(fā)生改變，進(jìn)而影響全球降水分布和陸地水儲量。在南美洲西部沿海地區(qū)，厄爾尼諾事件通常會帶來大量降水，導(dǎo)致河流徑流量增加，陸地水儲量上升；而在澳大利亞、印度尼西亞等地區(qū)，則會出現(xiàn)干旱少雨的情況，陸地水儲量減少。厄爾尼諾事件的發(fā)生具有一定的不確定性，其強(qiáng)度和持續(xù)時間的變化會導(dǎo)致陸地水儲量的變化難以準(zhǔn)確預(yù)測。太平洋年代際振蕩是一種發(fā)生在北太平洋地區(qū)的年代際氣候變率現(xiàn)象，其周期通常為20-30年。PDO的冷暖位相轉(zhuǎn)變會影響北太平洋地區(qū)的大氣環(huán)流和海洋環(huán)流，進(jìn)而對陸地水儲量產(chǎn)生影響。在PDO暖位相期間，北太平洋地區(qū)的大氣環(huán)流異常，導(dǎo)致北美西部和東亞地區(qū)的降水增加，陸地水儲量上升；而在PDO冷位相期間，這些地區(qū)的降水減少，陸地水儲量下降。由于PDO的變化受到多種因素的影響，其未來的發(fā)展趨勢難以準(zhǔn)確預(yù)測，這也增加了陸地水儲量年代際可預(yù)報性的難度。除了ENSO和PDO外，其他氣候系統(tǒng)內(nèi)部變率因素，如大西洋多年代際振蕩（AMO）、北極濤動（AO）等，也會對陸地水儲量產(chǎn)生影響。大西洋多年代際振蕩會影響北大西洋地區(qū)的海溫分布和大氣環(huán)流，進(jìn)而影響歐洲和北美洲的降水和陸地水儲量。北極濤動則會影響北極地區(qū)的大氣環(huán)流和溫度分布，對北半球高緯度地區(qū)的陸地水儲量產(chǎn)生影響。這些氣候系統(tǒng)內(nèi)部變率因素相互作用，使得陸地水儲量的變化更加復(fù)雜，進(jìn)一步降低了其年代際可預(yù)報性。為了提高對氣候系統(tǒng)內(nèi)部變率影響下陸地水儲量年代際可預(yù)報性的認(rèn)識，需要加強(qiáng)對氣候系統(tǒng)內(nèi)部變率的監(jiān)測和研究。利用氣候模型進(jìn)行數(shù)值模擬，深入研究不同氣候模態(tài)對陸地水儲量的影響機(jī)制，提高對氣候系統(tǒng)內(nèi)部變率的預(yù)測能力。結(jié)合多源觀測數(shù)據(jù)，分析氣候系統(tǒng)內(nèi)部變率與陸地水儲量變化之間的關(guān)系，為陸地水儲量的年代際預(yù)測提供更準(zhǔn)確的依據(jù)。3.3.3外部強(qiáng)迫的影響外部強(qiáng)迫是指來自地球氣候系統(tǒng)外部的因素，如溫室氣體排放、太陽輻射變化、火山活動等，這些因素對陸地水儲量年代際可預(yù)報性產(chǎn)生重要影響。溫室氣體排放是導(dǎo)致全球氣候變暖的主要原因之一，對陸地水儲量的變化有著深遠(yuǎn)影響。隨著工業(yè)化進(jìn)程的加速，人類活動排放的大量溫室氣體（如二氧化碳、甲烷等）進(jìn)入大氣，導(dǎo)致大氣中溫室氣體濃度升高，進(jìn)而引起全球氣溫上升。全球氣候變暖會導(dǎo)致冰川融化、降水模式改變、蒸發(fā)和蒸騰作用增強(qiáng)等，這些變化都會直接或間接地影響陸地水儲量。冰川融化會導(dǎo)致海平面上升，同時增加河流徑流量，改變陸地水儲量的分布。降水模式的改變會導(dǎo)致部分地區(qū)降水增加，而另一些地區(qū)降水減少，從而影響陸地水儲量的平衡。蒸發(fā)和蒸騰作用的增強(qiáng)會導(dǎo)致陸地水的損失增加，進(jìn)一步影響陸地水儲量。由于溫室氣體排放的未來趨勢受到人類活動和政策的影響，具有一定的不確定性，這增加了陸地水儲量年代際可預(yù)報性的難度。太陽輻射變化也是影響陸地水儲量年代際可預(yù)報性的重要外部強(qiáng)迫因素。太陽輻射是地球氣候系統(tǒng)的主要能量來源，其變化會影響地球的氣候和水文循環(huán)。太陽活動的周期性變化（如太陽黑子活動、太陽耀斑等）會導(dǎo)致太陽輻射強(qiáng)度的波動，進(jìn)而影響全球氣溫和降水分布。在太陽活動高峰期，太陽輻射強(qiáng)度增加，可能會導(dǎo)致全球氣溫升高，降水分布發(fā)生改變，從而影響陸地水儲量。然而，太陽輻射變化的規(guī)律和未來趨勢仍存在許多不確定性，這給陸地水儲量的年代際預(yù)測帶來了挑戰(zhàn)?；鹕交顒邮且环N強(qiáng)烈的自然外部強(qiáng)迫因素，對陸地水儲量的影響也不容忽視。大規(guī)模的火山噴發(fā)會向大氣中釋放大量的火山灰和氣體，這些物質(zhì)會阻擋太陽輻射，導(dǎo)致全球氣溫下降，氣候異常。火山噴發(fā)后的一段時間內(nèi)，降水模式可能會發(fā)生改變，部分地區(qū)可能出現(xiàn)干旱或洪澇災(zāi)害，從而影響陸地水儲量?；鹕交顒拥陌l(fā)生具有突發(fā)性和不確定性，難以準(zhǔn)確預(yù)測，這也增加了陸地水儲量年代際可預(yù)報性的復(fù)雜性。為了更好地理解外部強(qiáng)迫對陸地水儲量年代際可預(yù)報性的影響，需要加強(qiáng)對外部強(qiáng)迫因素的監(jiān)測和研究。利用衛(wèi)星觀測、地面監(jiān)測等手段，實時監(jiān)測溫室氣體排放、太陽輻射變化和火山活動等信息。通過氣候模型模擬，研究不同外部強(qiáng)迫因素對陸地水儲量的影響機(jī)制，提高對陸地水儲量年代際變化的預(yù)測能力。加強(qiáng)國際合作，共同應(yīng)對全球氣候變化和外部強(qiáng)迫因素對陸地水儲量的影響，為水資源管理和可持續(xù)發(fā)展提供科學(xué)依據(jù)。四、陸地水儲量年代際預(yù)測的方法與模型4.1傳統(tǒng)預(yù)測方法概述傳統(tǒng)的陸地水儲量預(yù)測方法主要包括統(tǒng)計分析方法和經(jīng)驗?zāi)Ｐ?，這些方法在早期的陸地水儲量研究中發(fā)揮了重要作用。統(tǒng)計分析方法是基于歷史數(shù)據(jù)建立統(tǒng)計模型，通過對歷史數(shù)據(jù)的分析和統(tǒng)計，尋找陸地水儲量與其他相關(guān)因素之間的關(guān)系，進(jìn)而對未來的陸地水儲量進(jìn)行預(yù)測。常用的統(tǒng)計分析方法包括時間序列分析、回歸分析等。時間序列分析是將陸地水儲量的時間序列數(shù)據(jù)看作是一個隨時間變化的隨機(jī)過程，通過建立時間序列模型，如自回歸移動平均模型（ARMA）、自回歸求和移動平均模型（ARIMA）等，來預(yù)測未來的陸地水儲量。這些模型假設(shè)時間序列數(shù)據(jù)具有一定的平穩(wěn)性和周期性，通過對歷史數(shù)據(jù)的擬合和外推，來預(yù)測未來的趨勢。以某地區(qū)的陸地水儲量時間序列為例，運(yùn)用ARIMA模型進(jìn)行預(yù)測。首先對陸地水儲量的時間序列數(shù)據(jù)進(jìn)行平穩(wěn)性檢驗，若數(shù)據(jù)不平穩(wěn)，則進(jìn)行差分處理使其平穩(wěn)。然后通過自相關(guān)函數(shù)（ACF）和偏自相關(guān)函數(shù)（PACF）來確定ARIMA模型的參數(shù)，如自回歸階數(shù)p、差分階數(shù)d和移動平均階數(shù)q。最后利用確定好參數(shù)的ARIMA模型對該地區(qū)未來的陸地水儲量進(jìn)行預(yù)測?；貧w分析則是通過建立陸地水儲量與其他影響因素（如降水、氣溫、蒸發(fā)等）之間的回歸方程，利用這些因素的預(yù)測值來預(yù)測陸地水儲量。例如，建立陸地水儲量與降水和氣溫的多元線性回歸方程，通過對未來降水和氣溫的預(yù)測，來計算未來的陸地水儲量。經(jīng)驗?zāi)Ｐ褪腔趯﹃懙厮畠α孔兓?guī)律的經(jīng)驗認(rèn)識，建立簡單的數(shù)學(xué)模型來預(yù)測陸地水儲量。這些模型通常是基于一些假設(shè)和簡化，將復(fù)雜的陸地水循環(huán)過程簡化為幾個關(guān)鍵因素的函數(shù)。如水量平衡模型，它基于水量平衡原理，即某一區(qū)域在一定時間內(nèi)的水量收入等于水量支出加上蓄水變化，通過對降水、蒸發(fā)、徑流等水量收支項的估算，來計算陸地水儲量的變化。在一個流域中，假設(shè)降水量為P，蒸發(fā)量為E，徑流量為R，陸地水儲量變化為ΔS，則水量平衡方程為ΔS=P-E-R。通過對P、E、R的估算，就可以得到該流域陸地水儲量的變化。傳統(tǒng)預(yù)測方法具有一定的優(yōu)點(diǎn)。它們通?；诖罅康臍v史數(shù)據(jù)，計算相對簡單，易于理解和應(yīng)用。在數(shù)據(jù)量充足且數(shù)據(jù)特征相對穩(wěn)定的情況下，能夠?qū)﹃懙厮畠α窟M(jìn)行初步的預(yù)測。然而，這些方法也存在明顯的局限性。統(tǒng)計分析方法依賴于歷史數(shù)據(jù)的質(zhì)量和代表性，對數(shù)據(jù)的平穩(wěn)性和線性關(guān)系有較強(qiáng)的假設(shè)。如果數(shù)據(jù)存在異常值或數(shù)據(jù)特征發(fā)生變化，模型的預(yù)測精度會受到較大影響。經(jīng)驗?zāi)Ｐ蛣t由于對復(fù)雜的陸地水循環(huán)過程進(jìn)行了簡化，往往忽略了一些重要的物理過程和影響因素，難以準(zhǔn)確描述陸地水儲量的變化機(jī)制。在考慮人類活動對陸地水儲量的影響時，經(jīng)驗?zāi)Ｐ涂赡軣o法準(zhǔn)確反映水資源開發(fā)利用、土地利用變化等復(fù)雜因素對陸地水儲量的綜合影響，導(dǎo)致預(yù)測結(jié)果與實際情況存在較大偏差。4.2基于物理過程的數(shù)值模型4.2.1陸面模式的原理與應(yīng)用陸面模式是基于物理過程的數(shù)值模型，用于模擬陸地表面與大氣之間的相互作用，包括能量、水分和動量的交換過程。其原理基于一系列物理方程，如能量守恒方程、水量平衡方程和動量守恒方程等，通過對這些方程的數(shù)值求解，來描述陸地表面的各種物理過程。以CommunityLandModel（CLM）為例，它是地球系統(tǒng)模式CESM（CommunityEarthSystemModel）中的陸面過程模式分量，結(jié)合了BATS、LSM和IAP94等眾多陸面模式的優(yōu)點(diǎn)，并加入水文過程，是目前國際上發(fā)展較為完善且應(yīng)用廣泛的陸面模式。CLM模式完善的生物地球物理過程、水文過程、生物地球化學(xué)過程和動態(tài)植被過程，使其不僅可以模擬植被覆蓋相關(guān)的物理過程和與土壤水熱傳導(dǎo)相關(guān)的物理過程，還能模擬地表徑流、基流、植被冠層蒸發(fā)、植被蒸騰、土壤蒸發(fā)等水文循環(huán)變量，通過嵌套次網(wǎng)格實現(xiàn)動態(tài)植被的碳氮循環(huán)模擬研究，還可用于凍土、林火、城市冠層以及陸氣相互作用等有關(guān)陸面過程的各種研究。在陸地水儲量模擬中，CLM通過對降水、蒸發(fā)、土壤水運(yùn)動、地表徑流和地下徑流等過程的模擬，來估算陸地水儲量的變化。在降水過程中，CLM會考慮降水的類型（如雨、雪）、強(qiáng)度和分布，根據(jù)不同的下墊面條件（如植被覆蓋、土壤類型）來計算降水的截留、入滲和地表徑流。對于蒸發(fā)過程，CLM會考慮植被蒸騰和土壤蒸發(fā)，通過能量平衡和水汽擴(kuò)散方程來計算蒸發(fā)量。在某地區(qū)的陸地水儲量模擬中，利用CLM4.5版本進(jìn)行模擬。首先，輸入該地區(qū)的地形、土壤、植被等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，以及氣象數(shù)據(jù)（如降水、氣溫、風(fēng)速、太陽輻射等）作為模型的驅(qū)動數(shù)據(jù)。然后，CLM4.5根據(jù)這些數(shù)據(jù)，通過內(nèi)部的物理過程模塊，模擬該地區(qū)的陸地水儲量變化。在模擬土壤水過程時，CLM4.5會考慮土壤的質(zhì)地、孔隙度等因素，利用Richards方程來計算土壤水的運(yùn)動和儲存。通過模擬，得到該地區(qū)不同時間尺度下的陸地水儲量變化情況，包括土壤水含量、地表徑流和地下徑流等變量的變化。通過與該地區(qū)的實際觀測數(shù)據(jù)對比，評估CLM4.5對陸地水儲量模擬的準(zhǔn)確性。結(jié)果顯示，CLM4.5能夠較好地捕捉陸地水儲量的季節(jié)性變化和年際變化趨勢，但在一些細(xì)節(jié)上仍存在一定的誤差，如在極端降水事件下，模擬的地表徑流與實際觀測值存在一定偏差。針對這些誤差，可以進(jìn)一步改進(jìn)模型的參數(shù)化方案，提高對復(fù)雜物理過程的模擬能力。4.2.2耦合模式的發(fā)展與優(yōu)勢耦合模式是將多個地球系統(tǒng)分量模式（如大氣模式、海洋模式、陸面模式等）進(jìn)行耦合，以更全面地模擬地球系統(tǒng)的相互作用和變化。耦合模式的發(fā)展歷程可以追溯到20世紀(jì)70年代，隨著計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展和對地球系統(tǒng)認(rèn)識的深入，耦合模式不斷得到改進(jìn)和完善。早期的耦合模式主要是大氣-海洋耦合模式，用于模擬氣候變化和氣候預(yù)測。隨著對陸地水儲量重要性認(rèn)識的提高，陸面模式逐漸被納入耦合模式中，形成了大氣-海洋-陸面耦合模式。這種耦合模式能夠考慮大氣、海洋和陸地之間的能量、水分和物質(zhì)交換，更準(zhǔn)確地模擬陸地水儲量的變化。耦合模式在陸地水儲量預(yù)測方面具有顯著優(yōu)勢。它能夠考慮大氣、海洋和陸地之間的相互作用，提高預(yù)測的準(zhǔn)確性。大氣中的降水會影響陸地水儲量，而陸地水儲量的變化又會通過蒸發(fā)和蒸騰作用影響大氣的水汽含量和溫度，進(jìn)而影響降水的形成和分布。海洋的溫度和洋流變化也會對大氣環(huán)流產(chǎn)生影響，從而間接影響陸地水儲量。耦合模式通過考慮這些復(fù)雜的相互作用，能夠更準(zhǔn)確地預(yù)測陸地水儲量的變化。耦合模式還可以利用不同模式的優(yōu)勢，提高對陸地水儲量各組成部分的模擬能力。大氣模式可以提供高精度的氣象數(shù)據(jù)，海洋模式可以模擬海洋的熱鹽環(huán)流和海氣相互作用，陸面模式可以詳細(xì)模擬陸地表面的物理過程。通過耦合這些模式，可以更全面地模擬陸地水儲量的動態(tài)變化。以CMIP5（CoupledModelIntercomparisonProjectPhase5）中的耦合模式為例，多個參與模式通過耦合大氣、海洋和陸面過程，對全球陸地水儲量進(jìn)行模擬和預(yù)測。這些耦合模式在模擬陸地水儲量的變化趨勢和空間分布方面取得了較好的效果，能夠為全球氣候變化研究和水資源管理提供重要的參考依據(jù)。在預(yù)測未來陸地水儲量變化時，耦合模式可以考慮不同的排放情景和氣候變化因素，為決策者提供多種可能的情景分析，有助于制定科學(xué)合理的水資源管理策略。4.3機(jī)器學(xué)習(xí)與數(shù)據(jù)驅(qū)動模型4.3.1機(jī)器學(xué)習(xí)算法在陸地水儲量預(yù)測中的應(yīng)用機(jī)器學(xué)習(xí)算法在陸地水儲量預(yù)測中展現(xiàn)出了強(qiáng)大的潛力，為解決傳統(tǒng)預(yù)測方法的局限性提供了新的途徑。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)作為一種廣泛應(yīng)用的機(jī)器學(xué)習(xí)算法，通過構(gòu)建具有多個神經(jīng)元的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，能夠自動學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)中的復(fù)雜模式和關(guān)系，從而實現(xiàn)對陸地水儲量的準(zhǔn)確預(yù)測。人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（ANN）是一種模仿生物神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和功能的計算模型，它由輸入層、隱藏層和輸出層組成。在陸地水儲量預(yù)測中，輸入層接收與陸地水儲量相關(guān)的各種數(shù)據(jù)，如氣象數(shù)據(jù)（降水、氣溫、蒸發(fā)等）、地形數(shù)據(jù)（高程、坡度等）以及土地利用數(shù)據(jù)等。這些數(shù)據(jù)通過隱藏層中的神經(jīng)元進(jìn)行非線性變換和特征提取，最終在輸出層得到陸地水儲量的預(yù)測值。ANN的訓(xùn)練過程是通過調(diào)整神經(jīng)元之間的連接權(quán)重，使得預(yù)測值與實際觀測值之間的誤差最小化。在訓(xùn)練過程中，通常采用反向傳播算法來計算誤差，并根據(jù)誤差調(diào)整權(quán)重，以不斷提高模型的預(yù)測精度。以某流域的陸地水儲量預(yù)測為例，研究人員利用ANN模型進(jìn)行預(yù)測。他們收集了該流域多年的降水、氣溫、蒸發(fā)等氣象數(shù)據(jù)，以及地形和土地利用數(shù)據(jù)作為輸入，同時收集了相應(yīng)的陸地水儲量觀測數(shù)據(jù)作為輸出。通過對這些數(shù)據(jù)的預(yù)處理和歸一化，將其輸入到ANN模型中進(jìn)行訓(xùn)練。經(jīng)過多次迭代訓(xùn)練，調(diào)整模型的參數(shù)和權(quán)重，最終得到了一個能夠較好地預(yù)測該流域陸地水儲量的ANN模型。與傳統(tǒng)的統(tǒng)計分析方法相比，ANN模型在該流域的陸地水儲量預(yù)測中表現(xiàn)出更高的準(zhǔn)確性，能夠更準(zhǔn)確地捕捉陸地水儲量的變化趨勢。循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（RNN）及其變體，如長短期記憶網(wǎng)絡(luò)（LSTM），在處理時間序列數(shù)據(jù)方面具有獨(dú)特的優(yōu)勢，非常適合陸地水儲量的預(yù)測。RNN能夠處理具有時間序列特征的數(shù)據(jù)，通過記憶單元來保存歷史信息，從而對未來的趨勢進(jìn)行預(yù)測。LSTM則進(jìn)一步改進(jìn)了RNN，引入了門控機(jī)制，能夠更好地處理長期依賴問題，避免梯度消失或梯度爆炸的問題。在陸地水儲量預(yù)測中，LSTM可以充分利用歷史陸地水儲量數(shù)據(jù)以及相關(guān)的氣象數(shù)據(jù)等，對未來的陸地水儲量進(jìn)行準(zhǔn)確預(yù)測。有研究利用LSTM模型對全球陸地水儲量進(jìn)行預(yù)測。他們收集了全球多個地區(qū)的GRACE衛(wèi)星觀測的陸地水儲量數(shù)據(jù)，以及相應(yīng)的氣象數(shù)據(jù)（降水、氣溫、蒸發(fā)等）作為輸入。通過對這些數(shù)據(jù)的清洗和預(yù)處理，將其劃分為訓(xùn)練集、驗證集和測試集。在訓(xùn)練過程中，調(diào)整LSTM模型的參數(shù)，如隱藏層的神經(jīng)元數(shù)量、學(xué)習(xí)率等，以提高模型的性能。經(jīng)過訓(xùn)練和驗證，該LSTM模型在全球陸地水儲量預(yù)測中取得了較好的效果，能夠準(zhǔn)確地預(yù)測陸地水儲量的變化趨勢，并且在不同地區(qū)的預(yù)測中都表現(xiàn)出較高的準(zhǔn)確性。支持向量機(jī)（SVM）是一種基于統(tǒng)計學(xué)習(xí)理論的機(jī)器學(xué)習(xí)算法，它通過尋找一個最優(yōu)的分類超平面，將不同類別的數(shù)據(jù)分開。在陸地水儲量預(yù)測中，SVM可以將陸地水儲量的變化看作是一個分類問題，通過對歷史數(shù)據(jù)的學(xué)習(xí)，建立陸地水儲量與相關(guān)影響因素之間的關(guān)系模型，從而對未來的陸地水儲量進(jìn)行預(yù)測。SVM具有良好的泛化能力和魯棒性，能夠在小樣本數(shù)據(jù)的情況下取得較好的預(yù)測效果。有學(xué)者將SVM應(yīng)用于某地區(qū)的陸地水儲量預(yù)測。他們收集了該地區(qū)的陸地水儲量觀測數(shù)據(jù)以及降水、氣溫、蒸發(fā)等影響因素數(shù)據(jù)，將這些數(shù)據(jù)分為訓(xùn)練集和測試集。在訓(xùn)練過程中，利用SVM算法尋找最優(yōu)的分類超平面，建立陸地水儲量與影響因素之間的關(guān)系模型。通過對測試集數(shù)據(jù)的預(yù)測和驗證，發(fā)現(xiàn)SVM模型在該地區(qū)的陸地水儲量預(yù)測中具有較高的精度，能夠較好地預(yù)測陸地水儲量的變化。4.3.2數(shù)據(jù)驅(qū)動模型的構(gòu)建與驗證以某流域為例，構(gòu)建基于海量數(shù)據(jù)的陸地水儲量預(yù)測模型。該流域位于我國南方地區(qū)，降水豐富，地形復(fù)雜，陸地水儲量受多種因素影響。首先，收集了該流域1980-2020年的陸地水儲量觀測數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)來自于GRACE衛(wèi)星觀測、地面水文站監(jiān)測以及相關(guān)的研究文獻(xiàn)。同時，收集了同期的氣象數(shù)據(jù)，包括降水、氣溫、蒸發(fā)、風(fēng)速等，這些數(shù)據(jù)來自于當(dāng)?shù)氐臍庀笳竞蜌庀髷?shù)據(jù)中心。還收集了地形數(shù)據(jù)，如高程、坡度、坡向等，以及土地利用數(shù)據(jù)，如耕地、林地、草地等的分布情況。在數(shù)據(jù)預(yù)處理階段，對收集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行清洗和質(zhì)量控制。對于缺失值較多的數(shù)據(jù)，采用插值法或其他數(shù)據(jù)填補(bǔ)方法進(jìn)行處理；對于異常值，進(jìn)行識別和修正。對數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化處理，將不同類型的數(shù)據(jù)統(tǒng)一到相同的尺度范圍內(nèi)，以提高模型的訓(xùn)練效果。基于機(jī)器學(xué)習(xí)算法，構(gòu)建了一個基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的陸地水儲量預(yù)測模型。該模型采用多層感知器（MLP）結(jié)構(gòu)，包括一個輸入層、兩個隱藏層和一個輸出層。輸入層接收經(jīng)過預(yù)處理的氣象數(shù)據(jù)、地形數(shù)據(jù)和土地利用數(shù)據(jù)等；隱藏層通過非線性激活函數(shù)對輸入數(shù)據(jù)進(jìn)行特征提取和變換；輸出層則輸出陸地水儲量的預(yù)測值。在模型訓(xùn)練過程中，采用隨機(jī)梯度下降算法對模型的參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，以最小化預(yù)測值與實際觀測值之間的均方誤差。將數(shù)據(jù)集劃分為訓(xùn)練集、驗證集和測試集，其中訓(xùn)練集占70%，用于模型的訓(xùn)練；驗證集占15%，用于調(diào)整模型的超參數(shù)，如隱藏層的神經(jīng)元數(shù)量、學(xué)習(xí)率等；測試集占15%，用于評估模型的預(yù)測性能。經(jīng)過多次訓(xùn)練和調(diào)整，得到了一個性能較好的陸地水儲量預(yù)測模型。為了驗證該模型的準(zhǔn)確性和可靠性，采用多種評估指標(biāo)對模型進(jìn)行評估。計算預(yù)測值與實際觀測值之間的相關(guān)系數(shù)，以衡量兩者之間的線性相關(guān)程度；計算均方根誤差（RMSE），以評估預(yù)測值與實際觀測值之間的偏差；計算納什效率系數(shù)（NSE），以評估模型的模擬效果。結(jié)果顯示，該模型的預(yù)測值與實際觀測值之間的相關(guān)系數(shù)達(dá)到了0.85，表明兩者之間具有較強(qiáng)的線性相關(guān)關(guān)系；RMSE為0.05，說明預(yù)測值與實際觀測值之間的偏差較小；NSE為0.82，表明模型的模擬效果較好，能夠較好地捕捉陸地水儲量的變化趨勢。還進(jìn)行了模型的不確定性分析，采用蒙特卡羅模擬方法，隨機(jī)生成多個模型參數(shù)，對測試集進(jìn)行多次預(yù)測，得到多個預(yù)測結(jié)果。通過對這些預(yù)測結(jié)果的統(tǒng)計分析，評估模型的不確定性。結(jié)果表明，該模型的不確定性在可接受范圍內(nèi)，能夠為該流域的陸地水儲量預(yù)測提供可靠的參考。五、案例分析：典型區(qū)域陸地水儲量年代際可預(yù)報性研究5.1青藏高原地區(qū)5.1.1青藏高原陸地水儲量變化特征青藏高原被譽(yù)為“世界屋脊”“亞洲水塔”，是我國重要的生態(tài)安全屏障和戰(zhàn)略資源儲備基地。其各類陸地水儲量（如湖泊、冰川、土壤水、地下水儲量）的變化，與區(qū)域能量、水、碳循環(huán)，亞洲主要江河源區(qū)的冰雪融水補(bǔ)給，以及下游約20億人口的水資源利用密切相關(guān)。利用2002-2017年間的GRACE衛(wèi)星數(shù)據(jù)以及其他相關(guān)的觀測資料，對青藏高原陸地水儲量變化特征進(jìn)行分析。研究結(jié)果表明，在這一時期內(nèi)，青藏高原陸地水儲量總體呈現(xiàn)下降趨勢，下降速率約為100億立方米/年。然而，這種變化在區(qū)域上存在顯著差異。在南部外流區(qū)，包括印度河、恒河-雅魯藏布江，怒江-瀾滄江流域，陸地水儲量呈現(xiàn)顯著的下降趨勢，下降速率約為160億立方米/年。陸地水儲量的下降主要是由于分布于興都庫什-喜馬拉雅-念青唐古拉山脈的冰川后退，以及在怒江-瀾滄江流域，由于多年凍土和季節(jié)性凍土的融化導(dǎo)致土壤水儲量的下降。興都庫什-喜馬拉雅-念青唐古拉山脈的冰川在過去幾十年間經(jīng)歷了快速的退縮，冰川面積和厚度都明顯減小，導(dǎo)致冰川融水增加，陸地水儲量減少。怒江-瀾滄江流域的多年凍土和季節(jié)性凍土融化，使得土壤的持水能力下降，土壤水儲量減少。在北部內(nèi)流區(qū)，主要表現(xiàn)為羌塘盆地的湖泊擴(kuò)張和喀喇昆侖-西昆侖山的冰川質(zhì)量增加，陸地水儲量以約56億立方米/年的速度上升。羌塘盆地是青藏高原湖泊分布最集中的地區(qū)，這里陸地水儲量與降水變化的一致性較高。近年來，由于降水增加，導(dǎo)致湖泊水位上升，湖泊面積擴(kuò)張，陸地水儲量增加。在喀喇昆侖-西昆侖地區(qū)，地表短波輻射減弱是該區(qū)冰川質(zhì)量增加的主要原因，使得冰川儲量增加，進(jìn)而導(dǎo)致陸地水儲量上升。5.1.2影響青藏高原陸地水儲量的因素分析氣候變暖是影響青藏高原陸地水儲量的重要因素之一。過去50年來，青藏高原是全球氣候變暖最強(qiáng)烈的地區(qū)之一，1961-2020年，這里的年平均氣溫上升趨勢達(dá)0.35℃/10年，超過同期全球增溫速率（0.16℃/10年）的2倍?？焖僮兣瘜?dǎo)致冰川加速消融，尤其是在南部外流區(qū)的興都庫什-喜馬拉雅-念青唐古拉山脈，冰川后退明顯。氣溫升高還會導(dǎo)致蒸發(fā)和蒸騰作用增強(qiáng)，使得土壤水和地表水的損失增加。季風(fēng)變化對青藏高原陸地水儲量也有顯著影響。在南部外流區(qū)，受南亞季風(fēng)的減弱影響，喜馬拉雅地區(qū)的降水在過去20年間有減少趨勢，導(dǎo)致陸地水儲量補(bǔ)給減少。恒河-雅魯藏布江流域在過去20年間經(jīng)歷了比較顯著的升溫，特別是在冬季，降水減少和氣溫升高共同作用，導(dǎo)致陸地水儲量下降。而在北部內(nèi)流區(qū)，降水的變化對陸地水儲量的影響較為明顯。羌塘盆地的降水增加，使得湖泊水位上升，陸地水儲量增加。地表短波輻射及降水相態(tài)變化也對青藏高原陸地水儲量產(chǎn)生影響。在氣候變暖的背景下，青藏高原冰川質(zhì)量下降的流域（如印度河、恒河-雅魯藏布江流域）的降水相態(tài)發(fā)生了變化，降雪量占總降水量的比例減少，這會進(jìn)一步促進(jìn)該區(qū)冰川負(fù)平衡，導(dǎo)致陸地水儲量減少。在喀喇昆侖-西昆侖地區(qū)，地表短波輻射減弱，使得冰川消融速度減緩，冰川質(zhì)量增加，從而導(dǎo)致陸地水儲量上升。人類活動對青藏高原陸地水儲量的影響也不容忽視。隨著青藏高原地區(qū)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和人口的增加，水資源的開發(fā)利用程度不斷提高，如農(nóng)業(yè)灌溉、工業(yè)用水和生活用水等。過度的水資源開發(fā)利用可能導(dǎo)致河流徑流量減少，湖泊水位下降，陸地水儲量減少。土地利用變化也會影響陸地水儲量。森林砍伐、草原開墾等活動會破壞地表植被，減少植被對降水的截留和蒸騰作用，增加地表徑流，導(dǎo)致陸地水儲量減少。5.1.3青藏高原陸地水儲量年代際預(yù)測結(jié)果與分析利用構(gòu)建的機(jī)器學(xué)習(xí)模型，結(jié)合陸面和氣候模型及需水?dāng)?shù)據(jù)，對青藏高原未來陸地水儲量變化進(jìn)行預(yù)測。以21世紀(jì)中葉（2031-2060年）和初葉（2002-2030年）為對比時段，預(yù)測結(jié)果表明，盡管總體上青藏高原未來陸地水儲量變化趨勢將變緩，即水儲量可能達(dá)到新平衡，但“亞洲水塔”水儲量損失顯著。在中等氣候變化情景下，即21世紀(jì)中葉相較于工業(yè)革命前全球升溫2攝氏度，青藏高原未來陸地水儲量凈損失可達(dá)2300億立方米，將嚴(yán)重威脅其對周邊地區(qū)的供水能力。由于阿姆河（中亞最大的內(nèi)陸河）及印度河（發(fā)源于中國，流經(jīng)巴基斯坦、印度）流域未來降水變化較小，但氣溫顯著上升，這兩個流域可能成為“亞洲水塔”水資源短缺最嚴(yán)重的地區(qū)。以現(xiàn)階段下游地區(qū)的總需水量為基準(zhǔn)，未來陸地水儲量顯著下降將導(dǎo)致阿姆河、印度河上游水塔的供水能力下降。為了評估預(yù)測結(jié)果的可靠性和不確定性，采用多種方法進(jìn)行驗證和分析。將預(yù)測結(jié)果與歷史觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，檢驗?zāi)Ｐ蛯v史趨勢的模擬能力。結(jié)果顯示，模型能夠較好地捕捉過去陸地水儲量的變化趨勢，但在一些細(xì)節(jié)上仍存在一定的誤差。進(jìn)行敏感性分析，研究不同參數(shù)和輸入數(shù)據(jù)對預(yù)測結(jié)果的影響。通過改變氣候模型的參數(shù)、調(diào)整陸面過程的描述等，觀察預(yù)測結(jié)果的變化。結(jié)果表明，預(yù)測結(jié)果對氣溫和降水的變化較為敏感，而對其他因素的變化相對不敏感。還采用集合預(yù)報的方法，考慮模型參數(shù)不確定性和初始條件不確定性，生成多個預(yù)測結(jié)果。通過對集合成員的統(tǒng)計分析，評估預(yù)測結(jié)果的不確定性。結(jié)果顯示，預(yù)測結(jié)果的不確定性在可接受范圍內(nèi)，但在一些關(guān)鍵區(qū)域和時間段，不確定性仍然較大。針對這些不確定性較大的區(qū)域和時間段，需要進(jìn)一步加強(qiáng)觀測和研究，提高對陸地水儲量變化的認(rèn)識，以降低預(yù)測的不確定性。5.2黃河流域5.2.1黃河流域陸地水儲量時空變化規(guī)律黃河流域作為我國重要的經(jīng)濟(jì)地帶和人口活動聚集地，其陸地水儲量的動態(tài)變化對區(qū)域生態(tài)保護(hù)和社會發(fā)展具有重要意義。利用2002-2020年GRACE/GRACE-FO衛(wèi)星數(shù)據(jù)以及氣象站點(diǎn)數(shù)據(jù)，通過多層感知神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)重建缺失數(shù)據(jù)，對黃河流域陸地水儲量的時空變化規(guī)律進(jìn)行深入分析。從時間變化來看，黃河流域整體陸地水儲量呈現(xiàn)出下降趨勢。在2002-2020年期間，陸地水儲量以一定的速率逐年減少。這種下降趨勢與黃河流域水資源本就匱乏的現(xiàn)狀相結(jié)合，進(jìn)一步加劇了流域內(nèi)水資源的供需矛盾。黃河流域的陸地水儲量還存在明顯的季節(jié)性變化規(guī)律。在不同區(qū)域，陸地水儲量的季節(jié)性變化有所差異。在黃土高原地區(qū)和下游地區(qū)，年降水量峰值與年水儲量峰值存在2-3個月的滯后期，這是因為降水轉(zhuǎn)化為陸地水儲量需要一定的時間，包括降水的入滲、地表徑流的匯集以及地下水的補(bǔ)給等過程。而在青藏高原地區(qū)，由于其獨(dú)特的地形和氣候條件，年降水量峰值與年水儲量峰值不存在滯后期，降水能夠迅速對陸地水儲量產(chǎn)生影響。在空間變化方面，黃河流域不同區(qū)域的陸地水儲量變化存在顯著差異。上游的青藏高原地區(qū)陸地水儲量呈上升趨勢，這與該地區(qū)的降水增加以及冰川融化等因素有關(guān)。隨著全球氣候變暖，青藏高原地區(qū)的氣溫升高，冰川融化加速，冰川融水匯入河流和湖泊，增加了陸地水儲量。該地區(qū)的降水也有所增加，進(jìn)一步補(bǔ)充了陸地水儲量。中游的黃土高原地區(qū)和下游地區(qū)陸地水儲量則呈現(xiàn)下降趨勢。在黃土高原地區(qū)，由于水土流失嚴(yán)重，土壤的蓄水能力下降，加上人類活動對水資源的過度開發(fā)利用，如農(nóng)業(yè)灌溉、工業(yè)用水等，導(dǎo)致陸地水儲量減少。下游地區(qū)人口密集，工農(nóng)業(yè)發(fā)達(dá)，用水需求大，對水資源的過度開采使得陸地水儲量持續(xù)下降。5.2.2人類活動與氣候變化對黃河流域陸地水儲量的影響人類活動對黃河流域陸地水儲量的影響日益顯著。水資源利用方面，隨著流域內(nèi)人口增長和經(jīng)濟(jì)發(fā)展，用水需求不斷增加。農(nóng)業(yè)灌溉是用水大戶，大量抽取黃河水進(jìn)行灌溉，導(dǎo)致河流徑流量減少，陸地水儲量下降。工業(yè)用水和生活用水的增加也加劇了水資源的緊張局面。在一些地區(qū)，由于過度開采地下水，導(dǎo)致地下水位下降，陸地水儲量減少。土地利用變化對黃河流域陸地水儲量也產(chǎn)生了重要影響。隨著城市化進(jìn)程的加快，大量土地被開發(fā)為城市建設(shè)用地，地表植被遭到破壞，土地的蓄水和保水能力下降。城市的硬化地面使得降水難以滲透到地下，增加了地表徑流，減少了地下水的補(bǔ)給，從而導(dǎo)致陸地水儲量減少。氣候變化也是影響黃河流域陸地水儲量的重要因素。在全球氣候變暖的背景下，黃河流域的氣候發(fā)生了顯著變化。氣溫升高導(dǎo)致蒸發(fā)量增加，陸地水儲量減少。降水模式的改變也對陸地水儲量產(chǎn)生了影響。部分地區(qū)降水減少，導(dǎo)致水資源補(bǔ)給不足，陸地水儲量下降；而在一些地區(qū)，降水的分布不均和極端降水事件的增加，使得水資源的利用和管理變得更加困難。在黃河流域的一些地區(qū)，由于降水減少，河流徑流量減小，湖泊水位下降，陸地水儲量明顯減少。而在另一些地區(qū)，雖然降水總量沒有明顯變化，但降水的集中性增強(qiáng)，導(dǎo)致洪水災(zāi)害頻發(fā)，大量水資源白白流失，陸地水儲量并沒有得到有效補(bǔ)充。人類活動和氣候變化對黃河流域陸地水儲量的影響是相互交織的。氣候變化加劇了水資源的短缺，使得人類對水資源的開發(fā)利用更加依賴，從而進(jìn)一步加劇了陸地水儲量的減少。而人類活動導(dǎo)致的土地利用變化和水資源過度開發(fā)，也會影響區(qū)域的氣候和水循環(huán)，進(jìn)一步加劇氣候變化對陸地水儲量的影響。5.2.3黃河流域陸地水儲量年代際可預(yù)報性評估利用構(gòu)建的機(jī)器學(xué)習(xí)模型和耦合模式，對黃河流域陸地水儲量進(jìn)行年代際預(yù)測，并評估其可預(yù)報性。通過對比預(yù)測結(jié)果與實際觀測數(shù)據(jù)，采用相關(guān)系數(shù)、均方根誤差（RMSE）、納什效率系數(shù)（NSE）等指標(biāo)來評估預(yù)測的準(zhǔn)確性。結(jié)果顯示，在短期預(yù)見期（1-4年）內(nèi)，初始條件對陸地水儲量預(yù)測的貢獻(xiàn)較強(qiáng)。這是因為在較短的時間內(nèi)，陸地水儲量的變化主要受到前期的土壤濕度、積雪覆蓋、地下水儲量等初始條件的影響。在這個時間段內(nèi)，初始條件的不確定性對預(yù)測結(jié)果的影響較大。隨著預(yù)見期的增長（5-10年），邊界條件的不確定性對預(yù)測技巧的提高更為關(guān)鍵。邊界條件包括大氣環(huán)流、海洋溫度、降水等因素，這些因素的變化會影響陸地水儲量的長期變化趨勢。在較長的時間尺度上，氣候系統(tǒng)的內(nèi)部變率和外部強(qiáng)迫的影響逐漸顯現(xiàn)，邊界條件的不確定性對預(yù)測結(jié)果的影響增大。黃河流域陸地水儲量年代際可預(yù)報性在空間上也存在差異。在干旱半干旱地區(qū)，由于水資源對氣候變化和人類活動的響應(yīng)更為敏感，陸地水儲量的可預(yù)報性相對較低。而在降水相對豐富的地區(qū)，陸地水儲量的可預(yù)報性相對較高。為了提高黃河流域陸地水儲量年代際可預(yù)報性，需要進(jìn)一步加強(qiáng)對初始條件和邊界條件的監(jiān)測和研究。利用衛(wèi)星遙感、地面觀測網(wǎng)絡(luò)等多種手段，獲取更準(zhǔn)確、更全面的土壤濕度、積雪覆蓋、地下水儲量、大氣環(huán)流、海洋溫度等信息，降低初始條件和邊界條件的不確定性。不斷改進(jìn)和完善預(yù)測模型，提高模型對復(fù)雜物理過程和人類活動影響的模擬能力，從而提高陸地水儲量年代際預(yù)測的準(zhǔn)確性和可靠性。六、研究結(jié)果與討論6.1主要研究成果總結(jié)本研究圍繞全球增暖背景下陸地水儲量年代際可預(yù)報性展開，通過多方面的研究，取得了一系列重要成果。在全球增暖對陸地水儲量變化的影響機(jī)制方面，研究揭示了全球增暖與陸地水儲量變化之間的緊密聯(lián)系。全球增暖導(dǎo)致冰川融化加速，如青藏高原的冰川在過去幾十年間退縮明顯，這在短期內(nèi)增加了河流水量，但長期來看將導(dǎo)致可用水資源減少，影響陸地水儲量的動態(tài)平衡。降水模式的改變也是重要影響因素，部分地區(qū)降水減少和干旱加劇，而另一些地區(qū)則出現(xiàn)降水增加和洪澇災(zāi)害頻發(fā)的情況，這直接影響了陸地水儲量的收支平衡。蒸發(fā)和蒸騰作用增強(qiáng)，使得陸地水的損失增加，進(jìn)一步加劇了陸地水儲量的減少，尤其是在干旱和半干旱地區(qū)，這種影響更為顯著。關(guān)于陸地水儲量年代際可預(yù)報性的理論基礎(chǔ)，研究明確了陸地水儲量在不同時間尺度和空間范圍內(nèi)的變化規(guī)律。在季節(jié)性和年際變化上，受到降水、蒸發(fā)、氣候異常事件以及人類活動等因素的影響，呈現(xiàn)出明顯的波動。在年代際變化方面，受到長期氣候變化和人類活動的累積影響，呈現(xiàn)出緩慢的變化趨勢?？臻g分布上，陸地水儲量在全球范圍內(nèi)極不均衡，赤道附近和沿海地區(qū)相對較高，內(nèi)陸地區(qū)和沙漠地區(qū)較低。在區(qū)域尺度上，也受到地形、氣候和人類活動等因素的影響。通過對可預(yù)報性的概念與度量方法的研究，確定了相關(guān)系數(shù)、均方根誤差（RMSE）、納什效率系數(shù)（NSE）等常用的可預(yù)報性度量指標(biāo)。這些指標(biāo)能夠有效地評估陸地水儲量預(yù)測的準(zhǔn)確性和可靠性，為后續(xù)的預(yù)測研究提供了重要的評價標(biāo)準(zhǔn)。深入分析了影響陸地水儲量年代際可預(yù)報性的因素，包括初始條件的不確定性、氣候系統(tǒng)的內(nèi)部變率以及外部強(qiáng)迫的影響。初始條件中的土壤濕度、積雪覆蓋和地下水儲量等的不確定性，會導(dǎo)致陸地水儲量預(yù)測結(jié)果的偏差。氣候系統(tǒng)的內(nèi)部變率，如厄爾尼諾-南方濤動（ENSO）、太平洋年代際振蕩（PDO）等氣候模態(tài)，對陸地水儲量的變化有著顯著影響，其不確定性增加了陸地水儲量年代際可預(yù)報性的難度。外部強(qiáng)迫因素，如溫室氣體排放、太陽輻射變化和火山活動等，也會對陸地水儲量產(chǎn)生影響，進(jìn)一步增加了可預(yù)報性的復(fù)雜性。在陸地水儲量年代際預(yù)測的方法與模型研究中，對傳統(tǒng)預(yù)測方法進(jìn)行了概述，分析了其優(yōu)缺點(diǎn)。統(tǒng)計分析方法和經(jīng)驗?zāi)Ｐ突跉v史數(shù)據(jù)和經(jīng)驗認(rèn)識，計算相對簡單，但存在對數(shù)據(jù)質(zhì)量和代表性要求高、對復(fù)雜物理過程刻畫不足等局限性?；谖锢磉^程的數(shù)值模型，如陸面模式和耦合模式，能夠更準(zhǔn)確地模擬陸地水儲量的變化。陸面模式通過對陸地表面與大氣之間的能量、水分和動量交換過程的模擬，能夠估算陸地水儲量的變化。耦合模式則將多個地球系統(tǒng)分量模式進(jìn)行耦合，考慮了大氣、海洋和陸地之間的相互作用，提高了預(yù)測的準(zhǔn)確性和全面性。機(jī)器學(xué)習(xí)與數(shù)據(jù)驅(qū)動模型在陸地水儲量預(yù)測中展現(xiàn)出強(qiáng)大的潛力。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、支持向量機(jī)等機(jī)器學(xué)習(xí)算法能夠自動學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)中的復(fù)雜模式和關(guān)系，提高預(yù)測的精度。通過構(gòu)建基于海量數(shù)據(jù)的陸地水儲量預(yù)測模型，并進(jìn)行驗證和不確定性分析，結(jié)果表明這些模型能夠較好地捕捉陸地水儲量的變化趨勢，為陸地水儲量預(yù)測提供了新的方法和途徑。通過對青藏高原和黃河流域的案例分析，進(jìn)一步驗證了研究成果。在青藏高原地區(qū)，陸地水儲量變化在南部外流區(qū)和北部內(nèi)流區(qū)存在顯著差異，南部外流區(qū)呈現(xiàn)下降趨勢，主要是由于冰川后退和土壤水儲量下降；北部內(nèi)流區(qū)呈現(xiàn)上升趨勢，主要是由于湖泊擴(kuò)張和冰川質(zhì)量增加。影響因素包括氣候變暖、季風(fēng)變化、地表短波輻射及降水相態(tài)變化以及人類活動等。利用機(jī)器學(xué)習(xí)模型進(jìn)行預(yù)測，結(jié)果表明在中等氣候變化情景下，青藏高原未來陸地水儲量凈損失可達(dá)2300億立方米，將嚴(yán)重威脅其對周邊地區(qū)的供水能力。黃河流域陸地水儲量整體呈現(xiàn)下降趨勢，且存在明顯的季節(jié)性和空間變化差異。上游青藏高原地區(qū)呈上升趨勢，中游黃土高原地區(qū)和下游地區(qū)呈下降趨勢。人類活動和氣候變化是主要影響因素，人類活動包括水資源利用和土地利用變化，氣候變化包括氣溫升高和降水模式改變。利用機(jī)器學(xué)習(xí)模型和耦合模式進(jìn)行年代際預(yù)測和可預(yù)報性評估，結(jié)果顯示在短期預(yù)見期內(nèi)，初始條件對預(yù)測貢獻(xiàn)較強(qiáng)；隨著預(yù)見期增長，邊界條件的不確定性對預(yù)測技巧的提高更為關(guān)鍵。6.2研究結(jié)果的不確定性分析盡管本研究在全球增暖背景下陸地水儲量年代際可預(yù)報性方面取得了重要成果，但研究結(jié)果仍存在一定的不確定性，這些不確定性主要來源于數(shù)據(jù)、模型和假設(shè)等方面。數(shù)據(jù)方面，觀測數(shù)據(jù)的質(zhì)量和覆蓋范圍是影響研究結(jié)果的重要因素。在陸地水儲量的觀測中，GRACE衛(wèi)星數(shù)據(jù)雖然能夠提供全球范圍內(nèi)的陸地水儲量變化信息，但存在數(shù)據(jù)缺失、精度有限等問題。GRACE衛(wèi)星數(shù)據(jù)在某些地區(qū)的分辨率較低，難以準(zhǔn)確反映局部地區(qū)的陸地水儲量變化。數(shù)據(jù)還存在噪聲干擾，需要進(jìn)行復(fù)雜的數(shù)據(jù)處理和去噪分析，這可能會引入一定的誤差。地面觀測數(shù)據(jù)雖然能夠提供高精度的局部信息，但存在觀測站點(diǎn)分布不均的問題。在一些偏遠(yuǎn)地區(qū)，如青藏高原的部分地區(qū)，觀測站點(diǎn)稀少，導(dǎo)致數(shù)據(jù)代表性不足。不同觀測站點(diǎn)的數(shù)據(jù)質(zhì)量也存在差異，可