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作者： 来源： 阅读次数： 日期：2026-05-13
研究动机
近年来，鄱阳湖流域干旱风险不断加剧。特别是2022年长江流域出现罕见“汛期反枯”，鄱阳湖水位降至有记录以来的低位，对区域水资源、生态安全和湿地系统乃至社会经济发展造成显著影响。面对气候变化背景下更加频繁的极端水文事件，未来几十年至本世纪末，鄱阳湖流域的水储量会如何变化？干旱风险会不会进一步加剧？是科学研究乃至社会治理共同关心的热点问题。
陆地水储量异常（TWSA）能够综合反映地表水、土壤水和地下水等多类型水储量变化，是认识区域水资源状态和水文干旱风险的重要指标。GRACE/GRACE-FO卫星为TWSA监测提供了重要观测资料，但其观测时间长度有限，难以直接支撑未来百年尺度预测。因此，如何将有限卫星观测与未来气候情景结合起来，是本研究工作重点解决的关键技术问题。
同时，在气候变化背景下，降水、气温和蒸散发等气候因子均可能发生显著变化，仅依赖历史 TWSA 序列进行外推，难以刻画未来不同排放情景下的水储量响应。如何结合有限卫星观测资料与未来气候情景数据，建立具有气候约束能力的长期 TWSA 预测模型，是当前AI+水文学研究领域的重要问题。
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方法创新：让模型“看懂”气候信号
针对GRACE/GRACE-FO观测序列较短、未来长期TWSA预测缺乏气候约束的问题，本研究工作引入CMIP6情景气候数据，构建了“气候驱动—TWSA预测—干旱评估”的一体化研究框架。在SSP2-4.5和SSP5-8.5两种排放情景下，利用降水、气温和潜在蒸散发等气候因子驱动模型，预测鄱阳湖流域2025—2100年TWSA序列，并进一步计算WSDI评估未来干旱风险。
图1 本文研究框架
1. 以CMIP6情景约束未来百年TWSA预测
研究将CMIP6中SSP2-4.5和SSP5-8.5两种排放情景引入模型，用未来气候变化信息驱动水储量预测。这样，模型不仅学习历史TWSA的变化规律，也能够在不同气候情景下推演未来水储量变化。
2. 融合气候水量平衡与水储量动态信息
在输入特征设计上，研究构建了包含气候驱动和水储量动态信息的特征体系。模型输入包括降水、气温、潜在蒸散发、TWSA，同时引入两个具有水文意义的衍生特征：气候水量平衡（CWB）和TWSA变化率。
其中，CWB用于表征降水补给与蒸散耗散之间的关系；TWSA变化率则用于刻画水储量系统自身的变化趋势。通过这种方式，模型能够同时学习气候因子的外部驱动作用和水储量系统的内部演化规律。
图2 数据特征处理
3. 用交叉注意力筛选关键气候信号
在模型结构方面，研究采用Transformer提取气候因子与TWSA之间的长期依赖关系，并利用GRU进行时序解码和逐月预测。更重要的是，模型引入了交叉注意力机制。该机制以TWSA特征作为查询，以气候因子作为键和值，使模型能够自适应识别哪些气候信号对水储量变化更关键。换句话说，模型并不是平均看待所有气候变量，而是根据TWSA状态主动“选择”更有预测价值的气候信息，从而提高多源气候因子的融合能力和长期预测稳定性。
图3 Transformer-GRU 模型结构及参数
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主要结论
主要结论一：独立构建的模型体现了可靠的预测能力
模型通过前滚式交叉验证和独立测试进行评估。结果表明，本文构建的Transformer-GRU混合模型在未参与训练的独立测试期仍表现出可靠预测能力。预测结果与观测序列的相关系数r为0.87，RMSE为5.17 cm，说明模型能够较好地捕捉鄱阳湖流域TWSA的时序变化特征，具备一定的跨时段泛化能力。
这也为进一步开展2025—2100年气候情景约束下的TWSA条件预测提供了基础。
图4 前滚式交叉验证(G1 —G4) 与独立测试(G5) 的散点评估
图5 TWSA 2005 —2025 年真实值与预测值时间序列
主要结论二：高排放情景下水储量变化呈现显著不稳定性
在未来情景预测中，鄱阳湖流域 TWSA 对不同排放路径表现出明显响应。
SSP2-4.5 情景下，未来水储量整体维持相对较高水平；而在 SSP5-8.5 高排放情景下，TWSA 长期均值整体偏低，年际振幅增强，表明高排放路径可能导致鄱阳湖流域水储量系统稳定性下降。
分阶段统计结果进一步显示：
2025—2040年，SSP5-8.5情景下年均TWSA为1.5 cm，低于SSP2-4.5情景下的5.0 cm。
2041—2070年，SSP5-8.5情景下TWSA年际振幅达到45.0 cm，较SSP2-4.5情景增加约25%。
图6 SSP2-4.5 和SSP5-8.5 情景下2025 —2100 年的 TWSA 时间序列预测
图7 SSP2-4.5 和SSP5-8.5 情景下2025 —2100 年 TWSA 预测结果对比
主要结论三：降水减少与蒸散发增强共同推高水储量异常风险
为什么高排放情景下水储量系统更脆弱？
气候驱动分析表明，SSP5-8.5情景下 TWSA下降和波动增强，主要受降水补给减少与潜在蒸散发增强共同影响。
在2041—2070年，SSP5-8.5情景下降水量减少约8%—10%，明显高于SSP2-4.5情景。同时，随着气温升高，潜在蒸散发显著增强，SSP5-8.5情景下PET增幅约76%，远高于SSP2-4.5情景。
降水输入减少意味着水分补给减弱，潜在蒸散发增强则意味着大气需水能力上升。二者共同作用，使区域水量平衡趋于不利状态，进而降低水储量系统抵御气候波动的能力。
图8 SSP2-4.5 和SSP5-8.5 情景下2002—2100 年的降水、 温度和潜在蒸散发的10 年的滚动均值
主要结论四：高排放路径下未来百年干旱风险显著增加
基于预测TWSA计算得到的WSDI结果显示，高排放情景下鄱阳湖流域未来干旱风险显著增加。
相较SSP2-4.5情景，SSP5-8.5下轻度、中度和重度干旱发生比例分别增加5.3、9.1和5.5个百分点，极端干旱占比也有小幅增加。
同时，中度和重度干旱强度整体更高，说明高排放情景下干旱不仅更容易发生，而且发生后可能更严重。
两种情景下干旱持续时间差异并不显著，主要集中在3—5个月。表明未来干旱风险的增加，更多体现为发生频率和强度上升，而不是单次干旱事件持续时间明显延长。
图9 SSP2-4.5 和SSP5-8.5 情景下2002—2100 年的 WSDI 时间序列
图10 SSP2-4.5 与SSP5-8.5 情景下干旱特征对比
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研究意义：为区域水资源适应提供情景参考
总体来看，在高排放路径下，鄱阳湖流域未来水储量系统可能呈现出“均值降低、波动增强、干旱风险升高”的演变特征。
这一结果提示，在气候变化背景下，鄱阳湖流域不仅需要关注当前干旱事件，也需要重视未来长期水储量基线变化和水文系统稳定性下降所带来的潜在风险。
通过融合卫星重力观测、长时序 TWSA 数据和 CMIP6 情景气候数据，本研究为有限观测条件下开展未来百年水储量预测提供了一种可操作的技术路径，也可为鄱阳湖流域水资源管理、干旱风险防控和气候变化适应策略制定提供科学参考。
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发文信息
该研究成果于2026年4月在《测绘学报》发表。中国地质大学（武汉）地理与信息工程学院硕士研究生李洋为论文第一作者，吴云龙教授为通讯作者，黄海军副教授、刘素兰博士、吴晓辉博士、刘琦硕士、庞琪沛博士为论文共同作者。
该研究工作得到国家重点研发计划（2024YFF1308104）和国家自然科学基金（42574073、42274111）资助。
CITATION
李洋, 黄海军, 刘素兰, 等. 鄱阳湖流域未来百年陆地水储量异常预测及干旱风险评估: 基于 CMIP6 驱动的Transformer-GRU 模型[J] . 测绘学报,2026 ,55(4) :721-738. DOI:10.11947/j. AGCS.2026. 20260016.
LI Yang, HUANG Haijun, LIU Sulan, et al. Century-scale projection of terrestrial water storage anomaly and drought risk in the Poyang Lake Basin using a CMIP6-driven Transformer-GRU model, 2026, 55 (4): 721-738. DOI: 10. 11947/j. AGCS. 2026. 20260016.
