1. 引言
经济的快速发展，水资源的需求量不断增加，导致局部地区水资源不足问题大量出现 [1] ，所以水资源成为国家经济和社会发展最关心的问题之一 [2] - [5] 。随着国家“一带一路”政策的出台，使得中国西北地区和中亚地区成为经济贸易枢纽地区。而这里地处欧亚大陆腹地，有大量戈壁沙漠，气候极端，仅在河流及地下水补给的绿洲和山区有人口定居，所以水资源成为该地区环境限制因子 [6] 。伊犁河是中亚地区主要河流之一，发源于中国境内天山，最终汇入哈萨克斯坦国境内巴尔喀什湖，所流经地区是农牧业等领域繁荣地区，同时也是区域水循环过程变化剧烈地区。水储量是水循环中可以综合衡量降水、蒸发、径流等部分作用结果。因此，研究伊犁河流域的水储量变化可以了解流域内水循环过程时空变化，为流域水资源管理提供依据。
目前针对水储量研究热点为利用GRACE (Gravity Recovery And Climate Experiment)重力卫星 [7] 和全球陆面数据同化系统(GLDAS)数据研究水储量变化 [8] 。在国内，GRACE卫星水储量反演结果已经在长江流域 [9] [10] 、黄河流域 [11] 、海河流域 [12] 等流域进行大量验证和应用；在国外，在拉普拉塔河流域 [13] 、咸海 [14] 、土耳其 [15] 等地区，GRACE结果能够反映水储量的变化趋势。然而这些建立在GRACE重力卫星数据源基础上的水储量研究限于GRACE卫星数据时间和空间分辨率，仅能在大尺度上进行研究。近些年来，再分析数据和陆面同化数据已经在模拟精度和空间分辨率上明显提高。其中，美国CFSR (Climate Forecast System Reanalysis)、MERRA (Modern-Era Retrospective Analysis For Research Applications) [16] [17] 再分析数据空间分辨率已经在0.5度以内，这为中小流域的水循环过程研究提供了新的途径。
本文针对GRACE重力卫星目前无法在小流域上研究小流域水储量问题，利用高分辨率的MERRA再分析数据弥补研究不足，分析长时间序列伊犁河流域水储量变化趋势，为区域水资源管理提供数据支持。
2. 研究区概况
伊犁河流域位于哈萨克斯坦东南部的伊犁-巴尔喀什湖盆地总面积为15.12 × 104 km2，其中哈萨克斯坦境内面积为9.45 × 104 km2 [18] 。伊犁河是亚洲中部的一条内陆河，发源于中国天山山脉西段，在中国境内河流长度超过400 km，最后注入哈萨克斯坦国的巴尔喀什湖(见图1，审图号：GS(2008)1390)。流域内河流纵横，其主要的补给源为中国境内的特克斯河，巩乃斯河，喀什河三条支流。流域全区属于温带大陆性气候，年平均气温10.4℃，年平均降水量为500 mm。
3. 数据处理和研究方法
3.1. 数据来源
(1) 格点观测数据：本文基础格点观测数据采用中国气象局由2400余站外推差值制作的1960~2013年CN05数据，该数据空间分辨率为0.25˚，时间分辨率为1天。在该数据的基础上，评估MERRA再分析数据在伊犁河上游地区的适用性。
(2) 高程数据：本文选取美国USGS制作的GTOP30s高程数据(空间分辨率1 km)，并将DEM数据重采样至0.3˚进行空间分析。
(3) NASA/MERRA再分析数据：MERRA数据美国航空航天局的新一代再分析数据。MERRA数据主要联系到GEOS模型和数据同化(DAS)系统。该数据已经在新疆进行了评估 [19] 。该数据空间分辨率为(2/3˚) × (1/2˚)，本文选用1980~2014年的MERRA再分析数据逐小时降水、气温、蒸发、径流数据用于空间分析。
3.2. 研究方法
(1) 本文利用MERRA降水、蒸发数据反演伊犁河流域水储量。因伊犁河是内陆河，水循环是闭合状态，无外流径流。计算水储量表达式为：
水储量 = 降水量 − 蒸发量 − 径流量 = 土壤变化 + 积雪变化 + 植被截留 (1)
蒸发是水循环的一个重要环节并且过程比较复杂，需要进一步的细分。蒸发计算公式为：
Figure 1. Geographical location of the Ili River Basin
图1. 伊犁河流域位置图
(2)
上式LV和LS分别是汽化潜热和升华潜热，EVLAND为陆面蒸发量，EVPTRNS为植物蒸腾量，EVPSOIL为裸地蒸发量，EVPINTR为植被截留量，EVPSBLN为积雪升华量，LV = 2.4548 × 106 J·㎏−1，LS = 2.8368 × 106 J·㎏−1。
(2) 变化趋势计算方法
一元回归模型来描述两个元素之间的关系，本文用此方法计算年际间趋势。用
来表示样本量为n的变量，用
来表示所对应的时间，
与
之间的一元回归模型为：
(3)
式中a为回归常数，b为回归系数，i为年数，a和b可用最小二乘法来进行估计。利用最小二乘法，就可以得到参数a和b的拟合值 [20] ：
(4)
4. 结果分析
4.1. 伊犁河流域降水、水储量时空变化
图2(a)是由MERRA再分析数据可得到的水储量的空间分布。在1980~2014年间，伊犁河流域大部分区域水储量变化处于亏损状态，水储量多年平均变化阈值在−19.9 mm~482.2 mm之间，仅在部分地区(如南部的阿拉木图附近山区，东南部伊宁和东南部的阿拉套山区)水储量呈现盈余状态。这可能因为是山区蒸发较少，降水较多导致；平原大部分地区处于平衡或亏空状态。1980~2014年间多年平均年降水的空间分布图(图2(b))可以看出，多年年内降水量与水储量空间分布相似，但具有显著差异。总体上，多年平均年降水量空间分布表现为流域内北部、西部和、中部少，东南和南部多。整体上，在山区年降水在500 mm以上，在巴尔喀什湖附近区域年降水在200m以内。
图3是伊犁河流域水储量和降水量时序变化。由图可知，水储量年际变化幅度在−40 mm~45 mm之间，增加的最大幅度可达45 mm (1993年)，减小的最大幅度为−40 mm (1995年)。整体上，伊犁河流域水储量变化呈稳定下降趋势(在0.01水平上p = −0.021)。降水量与水储量都呈现下降趋势，年降水量最大值出现在2004年(371 mm)，最小值出现在1995年(195 mm)。降水量较少年份有1991年(202 mm)、1995年(195 mm)、1997年(205 mm)；年降水量较多的年份有1981年、1987年、1993年。
4.2. 伊犁河流域月平均水储量时空分布变化
从1980~2014年逐月平均水储量空间分布(图4)中可以看出，研究区域水储量变化年内变化具有空间差异性。1~2月伊犁河流域水储量处于盈余状态，表现为北多南少，水储量变化幅度是−1.6~70.0 mm。3月北部和中部处于亏损状态，最大亏损量为12.46 mm，其他区域为增长状态。4~8月水储量变化大部分为亏损状态，东南部(如伊宁)相对较多，最大亏损量为81.2 mm (6月)，最小值为−68.7 mm，出现在北部(如巴尔喀什附近)。进入9月，整个伊犁河流域水储量均减小，减小量为−25.36 mm，局部地区(东北部和
(a) (b)
Figure 2. The Ili River Basin’s annual water storage field (a) and precipitation field (b) in 1980-2014
图2. 1980~2014年伊犁河流域水储量(a)和降水量(b)空间分布
Figure 3. The Ili River Basin’s trend of annual water storage and precipitation in 1980-2014
图3. 1980~2014年伊犁河流域水储量变化及降水过程
西南部)较多。10月整个流域水储量处于增长状态，分布不均匀，最大值在阿里木图附近山区(57.86 mm)，出现。11~12月整个流域区域水储量变化处于盈余状态，水储量分布自南向北越多的分布规律，11月水储量为102.98 mm，为一年中最大值。
在图5中，10月到次年3月伊犁河流域水储量变化为盈余状态，水储量变化为1.67 mm~16.05 mm，最大值出现在12月。由于伊犁河流域降水主要集中在4~9月，变化范围为−14.68 mm~−1.58 mm。在4~9月中，水储量最小值出现在6月。
4.3. 伊犁河流域中国境内和国外部分降水量时空变化
图6为MERRA数据多年平均年降水在伊犁河流域中国境内和国外部分空间分布。从图中可以看出，国内(图6(b))区域降水量自北向南逐渐增多的分布规律，南部最丰富(特克斯河流域内，894.6 mm)。国外(图6(a))区域降水量基本上从中部向周围呈逐渐增加，东南部和南部最丰富，可达844.0 mm。综合图6中国内和国外两部分，年降水量的高值区分布在山区。在图7中，1980~2014年35年间伊犁河流域中国境内和境外部分降水呈现不同变化趋势。中国境内部分，多年平均年年降水量为512 mm，在35年呈现增加趋势5.96 mm/10 a (在0.01水平上p = 0.72)。境外部分多年平均年降水量为273 mm，与境内部分相反呈现微弱的下降趋势2.28 mm/10 a (在0.01水平上p = −0.055)。
Figure 4. The Ili River Basin’s spatial distribution of monthly water storage in 1980-2014
图4. 1980~2014伊犁河流域水储量年内空间分布
Figure 5. Change of monthly water storage in the Ili River Basin during the period of 1980-2014
图5. 1980~2014年伊犁河流域平均水储量变化年内分布
Figure 6. Spatial distribution of the precipitation in the Ili River Basin of Kazakhstan and China during 1980-2014
图6. 1980~2014年国内外伊犁河流域降水量空间分布
Figure 7. The comparison of the annual precipitation in Ili River Basin of Kazakhstan and China during 1980-2014
图7. 1980~2014年国内外伊犁河流域降水量变化情况
4.4. 伊犁河国内外流域蒸发量时空变化
图8为伊犁河流域国内外区域蒸散发量空间分布图。在国外部分，流域北部哈萨克斯坦多年平均年蒸散发量较多(229.3 mm)；流域中部巴尔喀什湖及沙漠地区，蒸散发量较小；流域东部天山北支阿拉套山和西天山北坡地区蒸发量为流域内高值区(平均为556.3 mm)；在中天山伊犁河谷地下游蒸发量相对周围山区较小(平均为143.7 mm)。国外北多，中少，东南和南部最丰富的变化规律，最小值出现在中部的巴尔喀什湖区域，平均蒸发量在229.4 mm (见图8(a))。中国境内部分，在昭苏地区多年平均年蒸散发量可达到645.3 mm (图8b)，而在伊犁河上游霍城地区年蒸发较少，这与降水空间分布相似(图6)。在年蒸散发时间序列上，中国境外部分呈微弱的下降趋势为2.3 mm/10 a (在0.01水平上p = −0.069)，最大值出现在1979年(339.0 mm)。而中国境内年蒸散发量呈增长趋势为4.9 mm/10 a (在0.01水平上p = 0.17)，1980年出现最大值(487 mm)，整体上蒸散发量比国外区域多(图9)。
4.5. 伊犁河国内外流域年径流量时空变化
图10是伊犁河国内外流域径流量空间分布图。伊犁河流域境外流域(图10(a))径流量西北部较少，东南、南部多的规律，而中国境内流域(图10(b))，表现为从南部向东北和西北逐渐增加。从伊犁河国内外流域径流量变化过程(图11)中，两者变化过程基本一致，呈增长趋势。1982~2009年径流量变化比其他时间段平稳，而1980~1981年、2010~2011年是年径流量变化剧烈时间段。
Figure 8. Spatial distribution of the evapotranspiration in the Ili River Basin of Kazakhstan and China during 1980-2014
图8. 1980~2014国内外伊犁河流域蒸散量变化空间分布
Figure 9. The time series of annual evapotranspiration in Ili River Basin between Kazakhstan and China during the period of 1980-2014
图9. 1980~2014国内外伊犁河流域蒸散量变化过程
Figure 10. The spatial distribution of the annual runoff in Ili River Basin of Kazakhstan and China during 1980-2014
图10. 1980~2014国内外伊犁河流域径流空间分布
4.6. 伊犁河国内外流域水储量变化空间分布
图12是伊犁河国内外流域水储量空间分布图。从图中可以看出，水储量空间分布具有明显的空间差异性。国外流域水储量处于亏损状态，最大亏损量为16.6 mm (图12(a))，而局部区域(东南部的阿里木图附近山区)水储量比较丰富，可达270.3 mm。国内流域大部分区域处于增长状态，可达371.6 mm (图12(b))，在部分地区(如西北部)表现相反趋势，处于亏损状态，亏损量为−10.8 mm。由图13可以看出，伊犁河流域国外区域水储量呈下降趋势0.5 mm/10 a (在0.01水平上p = −0.031)，变化幅度比较小，最大亏损量为46.7 mm (1995年)。国内区域水储量变化呈增长趋势(在0.01水平上p = 0.013)，多年来处于盈余状态，1999年水储量达到最大值(191.9 mm)，仅在1995年出现亏损状态(−7.2 mm)。
4.7. 伊犁河流域蒸散发量中各个组成部分所占的比例
图14是伊犁河流域月平均蒸发量中各个成分所占的比例，不同月份蒸发量各个成分所占的比例也不同。10月到次年3月植被蒸腾量在蒸散发量中占的比例很小(平均为1%)，在4~9月比例比较大(平均为12%)。伊犁河流域蒸发过程中土壤蒸发占主导位置，最大值出现在4月(78%)，最小值出现在1月(21%)。植物截留从1~7月逐渐增加，7月达到最大值(34%)，8月到12月逐渐减小的趋势，12月达到17%。11
Figure 11. The time series of annual runoff in Ili River Basin between Kazakhstan and China during the period of 1980-2014
图11. 1980~2014年国内外伊犁河流域径流变化
Figure 12. The spatial distribution of water storage in Ili River Basin of Kazakhstan and China during the period of 1980-2014
图12. 1980~2014年伊犁河国内外流域水储量空间分布
Figure 13. Change of water storage in Ili River Basin of Kazakhstan and China during the period of 1980- 2014
图13. 1980~2014年伊犁河国内外流域水储量变化
Figure 14. The proportion of evaporation composition in total evapotranspiration
图14. 各个蒸发成分年内总蒸发量所占的比例
月到次年3月积雪升华占蒸散发的比例比较大。这可能由于是1月积雪多，积雪升华也多(最高70%)，4~9月气温比较高，基本上无积雪，升华占的比例很小，平均为0.5%。综上，蒸散发各个组成部分所占比重从大到小依次为土壤蒸发(52%)，植物截留(22%)，升华(19%)，植物蒸腾6%)。
5. 结论
(1) 伊犁河流域水储量在大部分区域处于亏损状态，与降水量空间分布有一定空间相似性。在35年时间中，水储量和降水量变化趋势基本一致。1980~2014年伊犁河流域水储量总体上呈下降趋势(0.4 mm/10 a)。
(2) 1980~2014年水储量年内变化4~9月为亏损状态，亏损水量范围为−14.68 mm~−1.58 mm，最小值出现在6月。10月到次年3月，伊犁河流域水储量变化为盈余状态，水储量变化范围为1.67 mm~16.05 mm，最大值出现在12月。6~7月亏损比较严重。
(3) 国内区域的降水、蒸发、水储量比伊犁河流域国外部分多，两者径流量变化趋势基本一致。从空间分布上看，伊犁河流域国外区域一直处于亏损状态，而国内区域处于盈余状态。
致谢
本文使用的MERRA再分析数据是由美国NASA Goddard Space Flight Center中心Global Modeling and Assimilation Office (GMAO)提供。在本文的数据处理过程，得到新疆干旱区水循环与水利用重点实验室“拉布拉多”集群设备支持。
基金项目
自治区青年科技创新人才培养工程项目(QN2015YX009)，国家自然科学基金项目(41461006, 41161007)，新疆师范大学博士启动基金项目(XJNUBS1528)。