中东地区陆地水储量与水资源可利用性的时空动态及驱动机制：基于GRACE/GRACE-FO的开放数据分析

《Ecological Informatics》：Open data analysis of terrestrial water storage and water availability in the Middle East: Spatiotemporal trends, hydroclimatic drivers, and socio-ecological implications

本研究针对中东地区严峻的水资源短缺问题，利用GRACE/GRACE-FO重力卫星、GLDAS-Noah模型、CHIRPS降水数据等多源开放数据，系统分析了2002-2024年间陆地水储量(TWS)与水资源可利用性(WA)的时空变化趋势。研究通过组分贡献率(CCR)和最小二乘交叉小波分析(LSCWA)量化了雪水当量(SWE)、冠层储水(CWS)、土壤水分储量(SMS)、地下水储量(GWS)、降水(P)和蒸散发(ET)等六大水文气候变量对TWS和WA的贡献。结果表明，中东地区年均损失水量达45 km3，约半数区域面临水资源短缺，且地下水是TWS变化的主要驱动因子。该研究为中东这一全球最缺水地区的水资源管理和可持续政策制定提供了重要科学依据。

　　

水，是生命之源，亦是社会经济发展的重要基石。然而，在全球气候变化和人口增长的双重压力下，水资源短缺已成为许多地区面临的严峻挑战，尤其是在本就干旱少雨的中东地区。这片横跨700多万平方公里的土地，养育着全球超过4.4%的人口，但其年均降水量远低于全球平均水平，大部分区域属于干旱和半干旱气候，使其成为世界上最干旱的地区之一。自1998年以来，该地区经历了一系列干旱事件，水资源状况持续恶化。快速增长的人口以及对食物、能源和水资源日益增长的需求，给本已脆弱的环境和水资源带来了巨大压力，特别是农业灌溉等人类活动的过度取水，进一步加剧了水资源的消耗。因此，精确监测和深入理解中东地区陆地水储量及其可利用性的时空动态变化、驱动机制，对于该地区的水资源管理、生态保护和社会经济可持续发展具有至关重要的意义。

为了回答上述问题，由绍兴大学人工智能研究所Fahimeh Youssefi、Behnam Khorrami等领衔的研究团队，在《Ecological Informatics》上发表了题为“Open data analysis of terrestrial water storage and water availability in the Middle East: Spatiotemporal trends, hydroclimatic drivers, and socio-ecological implications”的研究论文。该研究综合利用了GRACE及其后续任务GRACE-FO的mascon解决方案、GLDAS-Noah模型模拟数据、CHIRPS降水记录以及全球干旱指数等多种开放获取数据集，对2002年4月至2024年4月期间中东18个国家的陆地水储量(TWS)和水资源可利用性(WA)进行了全面分析。

研究人员采用了几项关键技术方法：首先，利用季节性趋势分解(STL)方法重建了GRACE/GRACE-FO任务中缺失的数据，确保了时间序列的连续性。其次，通过曼-肯德尔(Mann-Kendall)趋势检验分析了TWS、WA及其各水文气候分量的长期变化趋势。第三，采用组分贡献率(CCR)方法量化了雪水当量(SWE)、冠层储水(CWS)、土壤水分储量(SMS)、地下水储量(GWS)、降水(P)和蒸散发(ET)对TWS和WA变化的相对贡献。第四，应用最小二乘交叉小波分析(LSCWA)探究了TWS、WA与各驱动因子在不同时间尺度上的相干性和相位关系。最后，基于全球干旱指数数据集对中东地区的气候带进行了划分，并分析了不同气候条件下各水文气候因子贡献率的变化。研究区域涵盖了中东地区18个国家。

3.1. 水储量及其波动的估算

研究结果显示，在2002年4月至2024年4月期间，整个中东地区的TWS呈现出显著的下降趋势，平均 depletion 速率约为-0.048 cm/月。地下水储量(GWS)的下降趋势与TWS高度一致，约为-0.049 cm/月，表明地下水消耗是TWS减少的主要原因。土壤水分储量(SMS)显示出微弱的上升趋势(0.0016 cm/月)，但未通过显著性检验。雪水当量(SWE)和冠层储水(CWS)在整个区域尺度上未检测到显著趋势。空间上，TWS和GWS的严重下降主要集中在伊朗、土耳其、伊拉克、沙特阿拉伯、阿富汗和巴基斯坦等国家。伊朗的水储量损失情况最为严峻，TWS下降速率达-1.09 cm/年，相当于每年损失约16.93 km3的水量。整个研究期内，中东地区年均水储量损失高达45 km3，总损失量约为1041 km3，凸显了该地区水资源的严重危机。

3.2. 水资源可利用性的变化

水资源可利用性(WA)的时空变化分析表明，其波动主要受降水(P)主导，两者相关性高达0.74。WA与蒸散发(ET)呈负相关(-0.4)。WA与GRACE观测的TWS变化量(TWSC)也表现出高度相关性(0.71)，印证了水收支平衡关系。空间上，约一半(49.46%)的中东地区处于水资源短缺状态(WA为负值)，尤其是在伊朗、伊拉克、叙利亚、埃及、也门和巴基斯坦的大部分地区。水资源较为丰富的区域主要分布在土耳其沿海地区、伊朗北部、叙利亚西部、伊拉克西部以及巴基斯坦东北部等降水相对较多的区域。

3.3. 水储量与水资源可利用性的季节性动态

季节性分析揭示，TWS和GWS在所有季节均呈现下降趋势，其中TWS在10月亏损最大(-6.79 cm)，GWS在11月亏损最大(-5.21 cm)。SWE从1月到4月积累，之后逐渐消融。SMS在3月达到峰值(+1.94 cm)，在10月降至谷值(-1.78 cm)。降水在4月达到峰值(2.90 cm)，12月最低(0.68 cm)。ET在7月最高(2.79 cm)，1月最低(0.75 cm)。WA在1月至6月为正值，7月至12月为负值，4月可用水最丰富(+1.62 cm)，9月最为短缺(-1.21 cm)。季节性变异性（以标准差衡量）的空间分布表明，TWS和GWS的季节性波动在伊朗北部和南部、土耳其、沙特阿拉伯北部以及阿富汗和巴基斯坦东部最为显著。

3.4. LSCWA结果

最小二乘交叉小波分析(LSCWA)应用于伊朗、土耳其、巴基斯坦、埃及和沙特阿拉伯这五个中东人口大国。结果显示，TWS与CWS、SMS和GWS的年周期在2010年至2015年间表现出约80%的相干性，但在2020年后显著减弱。TWS的年周期通常滞后于SWE、CWS和SMS约2-3个月，但领先于GWS约2个月。GWS在2015年之前与TWS波动关联最为紧密。WA、P和ET的年周期在伊朗、土耳其和埃及最为显著，而在巴基斯坦以半年周期为主，在沙特阿拉伯则以每年3个周期（四个月周期）为主。降水序列的年周期通常领先WA序列几个月，而ET的年周期则滞后于WA约一个月，或在某些时期同相。

3.5. 水文气候参数的贡献

组分贡献率(CCR)分析表明，在中东地区TWS的变化中，地下水储量(GWS)是主导因子，平均贡献率达75.72%，在埃及、约旦、沙特阿拉伯、阿联酋和伊朗等国的贡献率均超过80%。土壤水分储量(SMS)是第二大贡献因子，区域平均贡献率为22.97%，在黎巴嫩、塞浦路斯、科威特和土耳其等地贡献突出。雪水当量(SWE)的贡献较小(平均1.31%)，主要影响土耳其东北部、伊朗西部、阿富汗和巴基斯坦的山区。冠层储水(CWS)的贡献可忽略不计。对于水资源可利用性(WA)，降水(P)是其主要控制因子（除埃及外），在大多数国家贡献率超过50%，而ET则在埃及对WA的贡献最大(71.98%)。P和ET的贡献呈现出一定的互补性。

3.6. 中东地区总体气候条件制图

基于干旱指数(AI)的气候分区显示，中东地区约49.02%属于干旱气候，19.95%属于极干旱气候，14.98%属于半干旱气候，10.84%属于湿润气候，5.22%属于干性半湿润气候。总计约84%的区域受到干旱程度的压力。

3.7. 贡献率随干旱度的变化

不同气候带下的贡献率分析进一步揭示，GWS的贡献在极干旱气候下最高(87.41%)，随着气候变湿，其贡献逐渐减弱，在湿润气候区降至48.28%。SMS和SWE的贡献则随着气候变湿而增加，SWS在湿润区贡献最大(44.27%)，SWE在湿润区贡献达7.45%。P对WA的贡献在干性半湿润气候下最高(62.89%)，在极干旱气候下最低(40.37%)；而ET的贡献则相反，在极干旱气候下最高(59.63%)，在湿润气候下最低(37.85%)。

该研究的结论部分总结了核心发现：首先，地下水是中东地区TWS变化最主要的驱动力，凸显了该地区对地下水的严重依赖以及可持续管理的紧迫性。其次，近半数区域持续面临水资源短缺，反映了水资源供需的结构性失衡以及区域人口对气候变异和人为压力的脆弱性。第三，不同水文气候变量的作用受气候带调节，在湿润区土壤水分和雪储量的重要性增加，而在干旱区地下水则绝对主导储水变化。这些发现为国家和地区层面的水资源管理，特别是在地下水消耗加速的地区，提供了科学证据。

讨论部分深入探讨了研究结果的生态水文与社会经济维度。持续的水储量消耗会产生深远影响，例如通过陆地-大气反馈影响气候极端事件和生态系统功能，威胁湿地、河岸生态系统和生物多样性，进而影响农业生产力、城市供水安全和区域粮食安全，可能加剧城乡移民和跨境人口流动，带来人道主义和安全挑战。研究还指出了人类活动（如上游筑坝、灌溉扩张）通过远程耦合效应，使得一个地区的水文压力通过贸易、移民和虚拟水流动影响到邻近经济体。因此，将跨尺度相互作用纳入适应规划和跨境治理框架，有助于加强卫星水文气候监测的政策相关性。

研究人员也指出了本研究的局限性，例如将不同空间分辨率的数据统一到GRACE mascon尺度可能损失局部异质性；依赖Noah单一模型估算非地下水组分存在不确定性；以及曼-肯德尔趋势分析未考虑自相关和多重比较校正等。未来研究方向包括使用多模型集合、结合过程性水文模型（如ParFlow-CLM、TerrSysMP）以及引入机器学习方法来提高评估的稳健性和预测能力。

总而言之，这项研究通过综合利用多源开放数据和高阶分析方法，全面揭示了中东地区陆地水储量和可利用性的时空格局、驱动机制及其与气候因子的复杂关系，为该地区应对水资源挑战、制定科学的水管理策略提供了至关重要的数据和见解。