“天眼”监测我国地下水变化

GRACE卫星示意图

华北地区地下水亏损示意图

近日，名叫GRACE Follow On的升级版重力卫星，将由SpaceX公司的猎鹰9号火箭从美国的范登堡空军基地发射升空。

重力卫星能有什么应用？近年来，中国科学院测量与地球物理研究所冯伟博士团队在《水资源研究》《地球物理研究通讯》《遥感》《地球物理学报》等杂志发表了基于重力卫星开展地下水监测的系列研究成果，分析了中国地区的地下水时空变化特征。特约文章加以介绍。

　太空中的“汤姆和杰瑞”

一部“猫和老鼠”动画片，相信是很多80后的童年美好回忆。在太空中，也有一对被誉为“汤姆和杰瑞”的卫星。它们自2002年升空以来，在距离地面400多公里的太空中相互“追逐”，两颗卫星的距离时远时近，绕着地球不停运转。科学家们给它们的专业名称为“重力场恢复与气候实验卫星”，简称“GRACE重力卫星”。

GRACE重力卫星的体积只有家用轿车这么大，两颗卫星相距约200多公里，通过相互发射K波段的微波信号来精确测定两者的距离变化，其测量误差小于0.1个微米，这相当于人类头发丝的百分之一。在相距200多公里的超远距离上，实现微米级的距离测量，这使得GRACE重力卫星被誉为低轨卫星中对观测精度要求最高、制作工艺最复杂、卫星平台和载荷高度耦合的卫星系统。由于地球表面的质量迁移会导致重力的变化，这会引起两颗GRACE重力卫星之间的距离发生微小的变化。卫星通过精确测定这一距离变化信号，就可以反演地球的重力场变化及地表的质量迁移。

对于地下水的监测，通常只能通过水井来监测地下水水位变化情况。传统的水井监测手段成本较高，且监测范围较为有限，数据质量和数据共享都较难保证。目前，在全球尺度上，仍很难精确评估地下水的储量变化情况。

而传统的遥感手段只能监测地表水和浅层土壤水的变化，对更深的地下水变化则无法进行监测。GRACE重力卫星通过监测重力变化可以精确估计总的水质量变化，通过结合其他实测与模型资料，进一步扣除地表水和土壤水的影响后，可以用定量监测地下水的变化情况。目前，GRACE重力卫星成为监测地下水储量变化的唯一卫星遥感监测手段，并被广泛应用于全球和区域地下水监测。在美国加州地区、印度北部地区和中国华北地区等，GRACE重力卫星都已成功用于监测地下水的长期变化。

我国华北和东北地下水变化

利用GRACE重力卫星，可成功监测我国主要流域的地下水储量变化情况。特别是在我国华北地区，GRACE重力卫星监测的2002年以来的地下水亏损速率约为每年60亿至80亿吨；而基于水井资料估计的浅层地下水亏损速率只有每年约15亿吨。两者之间的差异则代表了深层地下水亏损总额。通过全球导航卫星系统和合成孔径雷达干涉等技术对地表形变的监测可以发现，我国华北地区的大面积沉降主要集中在中东部平原地区。这些地区的地面沉降主要是由于对深层地下水的严重超采导致的。

除了华北地区，我国东北地区的地下水变化也十分剧烈。特别是在辽河地区，2005年至2009年地下水快速亏损，GRACE重力卫星观测到的年均地下水亏损约50亿吨；但2010年以来，由于降雨偏多，地下含水层得到充分补给，地下水水位有所回升。从更长的时间尺度上看，辽河地区从上世纪80年代以来地下水稳中有降，但是从1998年以来加速下降。1998年以来每年的地下水亏损在10亿吨以上。

地下水的长期亏损与气候变化和人类活动密切相关。以我国华北为例，近五十年来年平均降水量呈减少趋势。在干旱气候的大背景下，华北地区快速的工农业发展和城镇化进程，进一步导致水资源的需求量十分巨大。由于华北地区地表水资源的匮乏，人们通过大量开采地下水来获得充足的水资源。近年来，华北地区地下水开采量已占水资源利用量的60%以上，成为农业灌溉、工业用水和城市生活用水的重要淡水来源之一。长期的地下水超采已导致华北平原地下水水位不断下降。在农业种植密度较高的太行山山前平原区（主要包括石家庄、邢台和保定等地），近四十年来的浅层地下水水位下降达50米，河北中东部平原区的深层地下水水位下降高达90米。在华北中东部平原区，地下水水位的持续下降产生了大面积的地下水降落漏斗。

目前，农业用水导致的地下水超采仍是华北地区地下水亏损的主因。特别是冬小麦的大范围种植，在解决粮食安全保障问题的同时，也带来了地下水超采和土壤污染等问题。

在我国东北地区，除了人类超采地下水导致地下水亏损外，长期气候变化的影响也十分显著。在东北的辽河流域，“厄尔尼诺”通常导致该地区降雨的增加，进而地下水和地表水得到充分的补给；而在“拉尼娜”期间，降雨通常减少，这将导致水资源的紧缺，加剧了地下水的超采。自从1997至1998年强“厄尔尼诺”事件之后，发生了多次的强“拉尼娜”事件，这导致辽河流域十余年的长期干旱，并使得地下水加速亏损。

　“天眼”将升级装备持续对地观测

GRACE重力卫星就像一双“天眼”，帮助人类时刻监视着地表与地下的质量变化。然而，这对“天眼”也有一些不足。受制于卫星研制时的技术水平和轨道设计的局限性，GRACE重力卫星的观测精度和空间分辨率仍不能完全满足地下水监测的需求。有别于传统光学遥感卫星米级甚至亚米级的空间分辨率，GRACE重力卫星的分辨率只有约300公里。这使得它无法“看清”更小空间尺度的质量变化信号。

GRACE重力卫星的继任卫星GRACE Follow On重力卫星近日将由SpaceX公司的猎鹰9号火箭从美国的范登堡空军基地发射。GRACE Follow On重力卫星除了搭载微波测距系统外，还将搭载激光测距系统，其观测精度达到纳米量级，比微波测距精度又提升了三个数量级。这有望进一步提高重力卫星的观测精度和空间分辨率，提升重力卫星在水文学中的应用范围。

GRACE重力卫星和GRACE Follow On重力卫星计划主要由美国和德国共同研制。我国目前也在积极开展相关重力卫星的研制工作。比如，我国中山大学提出的引力波探测计划“天琴计划”中，明确提出了双星激光测距重力卫星的方案。

除了目前正在实施和计划发射的“单轨道双星”重力卫星计划，国内外科学家也在积极推动“双轨道四星”模式的下一代重力卫星计划。就在前几天，武汉举办了首届“中欧下一代重力卫星协调会”，来自欧洲空间局及国内中山大学、中国科学院测量与地球物理研究所等单位的科学家在会议上，共同讨论了下一代重力卫星计划的科学模拟与技术预研。

“双轨道四星”模式的下一代重力卫星计划，构成两对“天眼”，从不同“视角”对地球进行观测，可以极大地提高观测精度和时空分辨率，将有望在大地测量学、水文学、地球物理学、冰冻圈科学、海洋学和大气科学等领域产生更多开创性的科学成果，造福人类社会。