01 研究背景

陆地水储量（Terrestrial Water Storage, TWS）作为全球水循环的综合表征，涵盖了土壤水、植被冠层水、积雪、地表水及地下水等所有形式的水资源，是反映气候变化、水资源安全及极端旱涝事件的关键变量。虽然GRACE及GRACE-FO重力卫星任务的实施让我们首次能够从太空直接观测全球水储量的整体变化，提供了自2002年以来宝贵的“实测”信息，但其原始数据的粗分辨率（约300公里）限制了在中小流域的应用。与此同时，为了弥补观测的不足，科学界发展了多种陆面模式、全球水文模型、再分析产品及数据同化系统来模拟TWS，但由于模型结构不完整（如缺乏深层地下水或动态地表水过程）、参数化方案差异以及缺乏系统的多尺度评估框架，这些模型在全球、气候带及流域尺度上与卫星观测之间存在显著的系统性不一致，且这种不一致性具有强烈的尺度依赖性—模型在全球/大区域尺度表现尚可，到中小流域尺度误差会显著放大，而恰恰这些尺度才是水资源管理实践最关切的空间单元。因此，在当前高分辨率GRACE重构产品（如0.05°分辨率的HWSA v1.0）不断涌现的背景下，构建一个统一的多源多尺度评估框架来系统揭示不同模型在多时空尺度下的表现差异，对于理解模型偏差来源、改进水文预测以及制定有效的气候适应和水资源管理策略至关重要。

02 研究数据和方法

本研究构建了一个综合性的多源多尺度评估框架，旨在系统揭示不同陆地水储量产品与卫星观测之间的尺度依赖性差异。在观测基准方面，研究选取了高分辨率融合产品HWSA v1.0作为参考标准，该产品通过贝叶斯三角帽融合技术整合了三个GRACE处理中心的mascon数据，并运用物理约束的机器学习方法将原始约300公里的分辨率下尺度至0.05°（约5公里），提供了2002-2022年全球月尺度的陆地水储量异常数据。在模型产品选择上，研究系统收集了七种具有代表性的主流产品，包括三种陆面模式（Noah v2.1、VIC v2.1、CLM 5.0）、两种全球水文模型（WGHM、PCR-GLOBWB）、一种再分析产品（ERA5-Land）以及一种数据同化系统（CLSM v2.2），涵盖了从结构不完整的浅层水储量模拟到包含深层地下水和人类用水过程的完整水文表征。评估框架采用三层空间尺度设计：全球尺度用于分析整体时空变化特征，气候带尺度基于Köppen分类划分为热带、干旱、温带、寒带和极地五个区域以探讨气候控制因素，流域尺度则选取全球310个大型流域并按面积分为大、中、小三类以揭示尺度依赖性规律。在评估方法上，研究建立了完整的指标体系，时间维度采用Spearman相关系数和均方根误差等指标量化时间序列的一致性，空间维度运用结构相似性指数（SSIM）和归一化相对熵（NRE）评估空间格局的保真度，并通过Mann-Kendall检验识别长期趋势的统计显著性，同时引入多种ENSO指数和CRU降水数据，深入分析各模型在捕捉气候振荡对水储量异常响应方面的能力，从而在统一的方法论框架下实现对模型-观测不一致性的全方位、多维度系统性评估（图1）。

图1 整体研究框架

03 研究结果

（1）全球尺度：时空表现分化，同化系统平衡优势显著

所有产品均成功捕捉全球水储量的季节波动和长期下降趋势（-1.71 mm/年），但时空维度表现分化明显：时间序列上WGHM表现最佳（CC = 0.94），而CLSM v2.2相对较低（CC = 0.80）；然而在空间趋势一致性方面，数据同化系统CLSM v2.2凭借卫星观测约束大幅领先（CC = 0.73，SSIM = 0.75），准确再现了全球干湿变化的区域格局，而结构不完整的陆面模式和纯物理水文模型在空间保真度上明显不足（CC = 0.16-0.48），凸显卫星观测约束在平衡时空一致性的显著优势（图2、图3）。

图3 多源TWSA数据产品的年变化趋势空间格局。（a）GRACE观测、（b）WGHM、（c）PCR-GLOBWB、（d）ERA5-Land、（e）Noah v2.1、（f）VIC v2.1、（g）CLSM v2.2、（h）CLM 5.0。线性趋势计算时段为2004年1月至2014年12月；单位为mm/yr

（2）气候带尺度：极地模拟成难点，同化系统全域稳健

跨Köppen五大气候带评估显示，同化系统CLSM v2.2是唯一在所有气候带均保持高一致性的产品（CC = 0.69-0.84，NRMSE = 0.55-0.76），特别是在极地带仍达CC = 0.74；相比之下，纯物理模型虽在热带和温带表现尚可（CC = 0.43-0.72），但在干旱、寒带性能明显下降（CC = 0.26-0.64），在极地带更出现系统性失效（CC = -0.40至0.23），部分模型甚至与GRACE呈相反趋势，这种极地性能骤降现象凸显了复杂冰雪过程、观测稀缺环境对常规模型的巨大挑战，也印证了数据同化技术在数据稀缺区域的关键价值（图4）。

图4 多源TWSA数据产品在不同气候带的性能评估。不同气候带下（热带、干旱带、温带、寒冷带、极地）、不同模拟产品（Noah v2.1、VIC v2.1、CLM 5.0、WGHM、PCR-GLOBWB、ERA5-Land、CLSM v2.2）同GRACE观测之间的CC和RMSE对比（2004.1-2014.12）

（3）多流域尺度：尺度依赖特征突出，同化系统稳定性最优

310个全球流域分析系统性揭示了模型性能的强烈尺度依赖特征，CLSM v2.2在大、中、小流域均保持高度稳定性（CC = 0.68-0.78，趋势方向一致率80.65%）；WGHM表现出明显尺度敏感性，从大流域CC = 0.69系统性降至中小流域的0.29-0.40；结构不完整的Noah v2.1各尺度均表现不佳（CC = 0.12-0.23，方向一致率仅55.81%），而ERA5-Land借助再分析框架实现中等稳定性能（方向一致率70.65%），空间信息一致性分析进一步证实，随流域变小所有模型的空间保真度普遍下降，但同化系统的衰减幅度明显最小（图5、图6）。

（4）气候/水文事件响应：复杂格局再现能力分化，观测约束提升模拟精度

在ENSO-降水-水储量耦合关系评估中，GRACE揭示了全球TWSA对ENSO响应的显著空间异质性（澳北、南美东北呈强负相关约-0.4，南美西部、美西南呈正相关约0.4），CLSM v2.2最准确再现了这种复杂遥相关格局；典型流域分析显示，多数模型能较好捕捉同步响应流域（如长江）的ENSO-降水-TWS传递过程，但在异步响应流域（如亚马逊流域）对极端事件幅度、相位滞后及反向响应机制的模拟仍存在一定偏差，主要源于区域大气环流调整和水汽输送过程参数化不足，再次凸显GRACE观测约束对提升复杂气候-水文事件模拟能力的关键作用（图7、图8）。

图7 多源TWSA产品不同流域同ENSO相关性分析。GRACE（a）、Noah v2.1（b）、CLSM v2.2（c）、WGHM（d）、ERA5-Land（e）、CC值随流域尺度的变化

图8 同步相位流域中TWSA、ENSO和降水之间的协同变化。（a）Yangtze River（ID:11）、（b）Dvina（ID:59）、（c）Jubba（ID:33）、（d）Columbia（ID:40）、（e）Paraná（ID:6）、（f）Great Artesian Basin（ID:18）

本研究针对全球陆地水储量模拟中普遍存在的模型-观测不一致性问题，构建了统一的多源、多尺度评估框架，系统评估了七种主流建模方法（三种陆面模型、两种全球水文模型、一种再分析产品和一种数据同化系统）与GRACE观测数据的一致性表现，揭示了不同建模方法在时空多尺度上的系统性差异规律与数据同化系统的显著优势。

研究发现，传统物理驱动模型虽能捕捉全球尺度的基本变化趋势，但随空间尺度精细化至气候带（特别是极地）和中小流域，性能显著衰减，核心原因在于水储量组分模拟不完整、复杂区域过程参数化不足以及观测约束有限。相比之下，融合GRACE卫星观测的数据同化系统展现出跨尺度稳健性，在极地等高难度区域和精细流域尺度仍保持高精度，充分证明了“观测约束+物理模型”混合框架的显著优势。

这一研究不仅为理解和改进全球陆地水储量模拟提供重要科学依据，更将为全球水资源精细化管理、气候适应策略制定提供精准的模型选择支撑，为后续高分辨率水文模型研发指明方向，助力构建更具韧性的水安全保障体系，在气候变化加剧的背景下，为全球水治理与可持续发展注入科学动力。

05 文章信息

该工作已于2026年2月发表在Nature系列下国际著名期刊《Communications Earth & Environment》，题目为“Scale-dependent model-observation inconsistencies in global terrestrial water storage models”。该研究得到了国家自然科学基金（42571391）资助。本文第一作者为北京师范大学地理科学学部张刚强博士生，通讯作者为北京师范大学徐同仁教授，其他合作者有北京师范大学刘绍民教授、张立强教授，University of Hawaii at Manoa 的Sayed M. Bateni教授，天津大学董建志教授，生态环境部生态环境卫星应用中心尹文杰博士、江苏省测绘工程研究院王青青博士。

文章链接：https://www.nature.com/articles/s43247-026-03327-z