虽然世界上一些地区遭受极端高温和持续干旱，但其他地区却遭受洪水侵袭。总体而言，大陆水量随时间变化很大，导致全球海平面也出现显着波动。通过将水文模型 WaterGAP 与 GRACE 卫星数据相结合，波恩大学的大地测量学家团队得出了一组新数据，显示了过去 20 年来地球陆地表面水的总分布如何变化。比以往任何时候都准确。他们的研究结果现已发表在《大地测量学杂志》上。

“新方法使我们能够测试气候变化未来影响的模型计算，特别是气温上升和降水模式的变化将如何影响世界不同地区的水平衡，”工程博士教授说。Jürgen Kusche，来自波恩大学大地测量与地理信息研究所。该过程涉及将气候模型(总是覆盖过去的某一段时间)与实际测量结果进行比较，库什和他的团队计划在未来几个月内进行几项此类研究。

该团队所取得的改进结果表明，与 GRACE 卫星数据单独显示的情况相比，世界各地的干旱更为普遍。“我们看到的是，即使是像 2010 年袭击整个亚马逊地区的大规模干旱，其蔓延范围也比卫星数据本身显示的范围要广得多，”库什说。“这意味着卫星没有发现许多局部干旱。”

波恩大学的一组研究人员与法兰克福歌德大学和波兰首都华沙的同行合作，首次将卫星测量与高分辨率气象数据结合起来。“这种方法的特别之处在于，它使我们能够提高从 300 公里到 50 公里范围内生成的水分布图的分辨率，”Kusche 解释道，他是建模和可持续未来跨学科研究领域和波恩大学区域气候变化合作研究中心。为此，研究人员使用了法兰克福歌德大学开发的“WaterGAP”水文模型以及借鉴天气预报的数学技术。

大量的水引起重力场的变化

2002年至2017年间，GRACE(重力恢复和气候实验)双卫星测量了地球引力的变化。其后续项目“GRACE-FO”于 2018 年启动，波恩大学的研究人员使用的正是这些数据。由于地球的引力取决于质量的变化，因此可以得出有关其表面附近的水循环的结论。重力受到地下水和地表水库变化以及冰川融化的影响。

“GRACE 测量的一个独特优势是它们涵盖了所有类型的水库，即包括隐藏在地球表面深处以及数以万计的人工湖和湿地中的地下水储量的变化，”Kusche 的同事 Helena Gerdener 说。她说，缺点是由于所采用的测量原理，引力场数据的空间分辨率在300至350公里左右相对不精确。这意味着只能对10万平方公里左右的地区做出可靠的陈述。从规模上看，这个最小面积仍然比德国最大的联邦州巴伐利亚大，“仅”有 70,000 平方公里左右。

相比之下，全球水文模型的分辨率为 50 公里甚至更小。这些数据使用降水、温度和辐射的气象测量数据以及土地利用和土壤成分地图以及工业、农业和其他消费者如何使用水的数据。水文模型模拟蒸发以及土壤和地下水层、湖泊、河流和水库中水位的变化。“然而，这些模型的缺点是它们只能在有限的范围内反映现实，而且气象测量通常包含系统误差，”库什说，例如，如果没有地下水开采的数据。

研究人员首次将 GRACE 和 GRACE-FO 卫星的测量结果与 WaterGAP 水文模型结合起来，该模型本身集成了高分辨率气象数据。这使得生成的水分布图的分辨率提高到了50公里。为此，研究人员使用了一种称为数据同化的数学技术，这种技术在天气预报中更常见。然而，科学家们并没有简单地根据水文模型和卫星数据的结果计算平均值。正如 Kusche 解释的那样：“对水文模型的计算进行了调整，以便您可以接近卫星数据，同时尽可能少地修改水文模型所利用的物理原理。”

1,000 个用于测试目的的测量站

研究人员利用大约 1000 个测量站来测试通过卫星数据与水文模型相结合生成的大陆水资源分布图的质量。“当然，你总会看到一些地区差异，”Helena Gerdener 承认。然而，她表示，总体而言，合并后的数据比纯粹基于 GRACE 卫星数据或水文模型的计算更符合测量结果。