天山北坡位于中国新疆，地处亚欧桥的国门，社会经济发展迅速，其绿洲经济和灌溉农业对地下水资源的依赖程度高。揭示1990—2020年地下水储量的演变规律对维持区域可持续发展具有重要意义。但由于长时序和较高分辨率的区域地下水观测数据匮乏，使得该任务又极具挑战性。本文基于重建的陆地水储量（TWS）变化数据、ERA5-Land再分析数据和其他相关的土壤质地、海拔高程、植被指数和冰川分布等辅助数据，建立了随机森林降尺度模型，据此估算了天山北坡1990—2020年的8 km分辨率地下水储量（GWS）变化，分析了天山北坡GWS的时空演变规律。估算的GWS变化与实测地下水位序列的时间变化具有较高的一致性，二者的相关系数最高达到0.68。天山北坡GWS具有明显的年内变化和年际变化。GWS在夏季和春季较高，在秋季和冬季较低，峰值出现在6月，最低值出现在10月。1990—2020年天山北坡有85%以上的地区GWS发生了显著下降，全区平均的变化趋势为-0.38 cm/a。其中，艾比湖水系和中段诸河区GWS下降最剧烈，额敏河流域下降速率最小；耕地下降速率最大，草地次之，裸地下降速率最小。日益增强的农业耗水活动是1990—2020年天山北坡GWS持续下降的主要驱动因素。相比于季节变化和亚季节变化，长期趋势性变化是天山北坡GWS时间变化的主导模式。但对于额敏河流域，GWS变化由三者共同主导。特别值得指出的是，在冰川覆盖区联合重力卫星与水储量组分方程开展GWS估算工作面临的挑战之一是缺乏长序列、高分辨率的冰川水储量数据，以往大部分研究忽视了冰川覆盖的影响。本文研究表明，若忽视冰川的影响，将导致天山北坡的平均GWS变化速率至少高估27.56%，应引起重视。