应用GRACE卫星重力数据计算陆地水变化的相关进展评述

GRACE重力卫星自2002年3月发射至今,已进行了十多年的连续观测,由此获得的重力场变化数据被广泛地应用于研究地表河流及地下水储量变化、南极和格林兰岛冰盖厚度以及全球海平面变化等.本文从GRACE重力卫星数据的处理方法入手,对其数据特点、限制条件和水文模型计算方法等问题进行了系统总结,并针对近年来利用GRACE卫星数据开展的相关研究,从估算全球水储量的变化、区域水储量变化、地下水变化以及陆地河流流域的水储量变化等方面对相关研究和应用进行了简要评述.最后,对使用GRACE卫星数据反演陆地水储量的验证方法和存在的问题进行讨论.本文对于全面了解近年来应用GRACE卫星数据研究陆地水储量变化方面的相关进展具有参考意义.     

全球水储量变化的GRACE卫星检测

利用GRACE月尺度变化的地球重力场反演了全球水储量变化,并与陆地水文资料、卫星测高资料及海洋模式得到的结果进行了比对.通过对SOURE台站重力变化的陆地水储量变化计算结果和GRACE重力场系数截断为15阶得到的结果比较,发现两者比较接近,且年周期变化特征明显.对于亚马逊流域,当重力场系数截断为15阶且平滑半径使用106 m时,GRACE反演的区域平均水储量厚度的周年变化振幅为15.6×10-2m,小于使用平滑半径为4×105m的23.7×10-2m.在研究长江流域时,本文对水文资料做球谐系数展开,并与GRACE数据做同样的截断和平滑处理,结果发现GRACE反演的水厚度变化与水文资料结果基本上符合.对于纬度±66°之间的海洋区域,GRACE反演的海水质量变化接近于结合卫星测高和海洋模式得到的结果,但对于2°×2°网格,则在一些区域差异明显,最大超过了0.2 m,中误差为3.8×10-2m.可见,当前GRACE卫星时变重力场只能确定出上千公里及以上尺度区域的水储量变化.     

利用GRACE空间重力测量监测长江流域水储量的季节性变化

2002年3月成功发射的美德合作重力卫星计划GRACE(Gravity Recovery And Climate Experiment)已经开始提供阶次数达到120、时间分辨率为约1个月的地球重力场模型时变序列. GRACE的星座由两颗相距约220 km, 高度保持300~500 km, 而倾角保持约90°的近极轨卫星组成. 由于采用星载GPS和非保守力加速度计等高精度定轨技术以及高精度的星-星跟踪数据反演地球重力场, 在几百公里和更大空间尺度上, GRACE重力场的精度大大超过此前的卫星重力观测. 根据GRACE时变重力场反演的地球系统质量重新分布对固体地球物理、海洋物理、气候学以及大地测量等应用有重要的意义. 在长期时间尺度上, GRACE的结果可用于研究北极冰的变化, 并进而研究极冰融化对全球气候变化, 特别是对海平面长期变化的影响. 在季节性时间尺度上, 利用GRACE重力场的精度足以揭示平均小于1 cm的地表水变化或小于1 mbar的海底压强变化. 除了巨大的社会和经济效益外, 这些变化对了解地球系统的物质循环(主要是水循环)和能量循环有非常重要的意义. 利用2002年4月至2003年12月之间共15个月的GRACE时变重力场揭示了全球水储量的明显季节性变化, 并重点分析了中国长江流域水储量的变化. 结果表明长江流域水储量周年变化幅度可达到3.4 cm等效水高, 其最大值出现在春季和初秋. 根据GRACE时变重力场反演的水储量变化与两个目前最好的全球水文模型的符合相当好, 其差别小于1 cm等效水高. 研究表明现代空间重力测量技术在监测一些大流域的水储量变化(如长江流域)、全球水循环和气候变化上有巨大的应用潜力.     

利用GRACE卫星数据研究汶川地震前后重力场的变化

介绍了利用GRACE卫星数据计算和分析重力场变化的方法.以EIGEN-GRACE02S重力场模型为背景,对高斯平滑处理前后中国大陆月重力场的变化作了比较,认为取平均半径为666 km作高斯平滑,能够得到合理的重力变化结果.以3个月时间尺度计算了2008年汶川地震前后中国大陆的重力场变化,将结果与2006年和2007年相同时间尺度的变化结果进行比较,发现三者相符合,并且同震重力的负变化可用地壳膨胀模型理论来解释.     

基于GRACE时变重力场的三峡水库补给水系水储量变化

利用22个月的GRACE时变重力场，反演了三峡水库补给水系的水储量变化，并按月给出了数值结果.与水文学同化模型（CPC）的两组比较说明基于GRACE重力的反演结果是合理的.当高斯平均半径为1000 km时，该区总水储量变化的峰谷差为14 cm，其年变化振幅为58 cm，相位为-408天，与CPC模型合成重力数据的反演结果进行比较，其总水储量变化均方差为13 cm，年变化振幅相差01 cm，相位相差10天.为进一步检验GRACE能否监测该区真实水储量变化，还将其反演结果与CPC模型的真实平均结果进行比较，结果发现总体均方差为21 cm，年变化振幅相差17 cm，相位相差93天.因此，第一种比较过高地估计了GRACE监测该区水储量变化的能力，第二种比较则较真实地反映了实际情况，尽管反演结果与水文学的结果差别较大，但仍然显示GRACE能监测该区每月的水储量变化.     

利用GRACE卫星监测近10年洞庭湖流域水储量变化

监测流域水储量的变化对研究流域水资源变化和水平衡具有重要意义,而GRACE重力卫星为流域尺度水储量变化的研究提供了新的手段.本文利用2003-2012年近十年来洞庭湖流域GRACE RL05时变重力场数据并结合30个气象站点的降水量数据,反演洞庭湖流域水储量时空变化特征及其与降水量之间的联系,并采取趋势分析法,揭示了该流域近10年来水储量变化趋势.结果表明:在空间上,洞庭湖流域水储量变化呈现总体从东北向西南递减格局.在时间上,水储量变化与降水量变化之间存在明显的季节性变化规律,两者变化过程基本一致,但水储量变化峰值出现滞后于降水量峰值一个月左右.近十年来洞庭湖流域水储量整体呈逐年上升趋势,平均每月上升0.5 mm,其中秋季增加幅度最大,为26.07 mm·a-1,全球变暖,降水量增加,导致该流域水储量变化增大.     

基于重力卫星数据监测地表质量变化的三维点质量模型法

利用卫星重力测量手段监测全球质量变化取得了巨大成功,本文基于牛顿万有引力定律在三维空间直角坐标系中导出利用重力卫星观测数据监测全球质量变化的三维点质量模型法,该方法可直接利用重力卫星的轨道和星间观测数据或时变重力场模型计算全球质量变化,由于利用卫星观测数据计算地表质量变化的向下延拓过程以及观测数据噪声的影响,需要采用合适的空间约束方程或正则化技术对解算结果进行约束或平滑处理.利用合成全球质量变化模型模拟一个月的GRACE双星轨道和星间距离变率数据计算全球质量变化,对三维点质量模型法进行分析验证,采用零阶Tikhonov正则化技术处理病态问题.结果表明,三维点质量模型法可有效用于重力卫星观测数据监测全球质量变化,为利用重力卫星观测数据监测全球质量变化提供一种可选的途径.     

近四年全球海水质量变化及其时空特征分析

本文利用卫星重力、卫星测高和海洋温盐数据反演计算全球海水质量变化,并分析其时空变化特征.卫星重力数据利用2003年1月~2006年12月的GRACE月时变重力场球谐系数,同时考虑替换一阶项和C₂₀项,并进行了相关误差滤波、高斯滤波和陆地水文信号泄漏改正,计算得到海洋等效水高变化;利用相同时间跨度的卫星测高数据和海洋温度、盐度水文观测数据,计算全球海平面变化和比容海平面变化,反演得到海水质量变化.反演的两种海水质量变化的年际变化特征一致性较好.三种数据得到的长期趋势变化,与1993~2003年的结果相比,可以看出,海水质量变化加速,并已成为全球海平面上升的主要因素.     

白鹤滩水电站蓄水引起重力与库仑应力变化的模拟研究

白鹤滩水电站为中国第二大在建水电站,蓄水过程引起的重力和库仑应力变化对于该地区的水储量变化和触发地震研究具有重要参考价值.首先,本文给出了水电站库区临近区域均衡重力异常场,结果表明该地区基本处于均衡状态,较为稳定.其次,利用白鹤滩水电站库区地形数据,模拟计算了蓄水过程引起的地表和GRACE-FO(Gravity Recovery and Climate Experiment Follow-on)卫星观测的重力变化,并与GRACE FO实际观测数据进行了对比分析.模拟计算的重力变化表明,蓄水引起的重力变化为毫伽量级,万有引力作用为库区重力变化的主因,该重力变化比弹性形变的结果大两个量级.模拟GRACE-FO重力变化表明,白鹤滩地区蓄水引起的卫星观测重力变化为微伽量级,GRACE FO有可能观测到白鹤滩水电站蓄水的重力变化.最后,计算了蓄水引起的地壳内部应力变化,并给出了小江断裂带北段断层的库仑应力变化,该结果表明库仑应力变化在巧家以南和以北的两个区域大于0.01 MPa,该地区触发地震的可能性需密切关注.     

GRACE卫星观测到的与汶川Ms8.0地震有关的重力变化

利用GRACE卫星重力资料,计算了中国大陆及周边的卫星重力时变场和地表密度变化分布,获取了具有代表性的点位区域的每月重力变化时间序列.同时获得了WUSH、LHAS、KUNM、LUZH站相对于区域参考框架的GPS位移时间序列.卫星重力观测结果显示喜马拉雅弧形带的重力在2004年苏门答腊M_w9.3地震后快速下降, 2006~2008年尤为明显,西域地块西北边界带上震后重力下降也较为显著;而沿青藏高原北至东边界2007年出现明显的重力上升沿构造边界的弧形分布,且2008年南北地震带中南段重力上升变化显著.这些苏门答腊地震后的重力变化趋势到汶川地震发生后才开始改变.GPS位移结果显示四个台站均记录到苏门答腊大地震的同震信号,震后WUSH、LHAS、KUNM站水平位移向量出现明显的运动趋势改变,且一直持续到2008年汶川M_s8.0地震的发生.GRACE卫星揭示的青藏高原及周边地表质量的变化为解释汶川地震的动力机制提供了新的观测途径和资料.本文结合区域构造运动的特点和GPS位移,对GRACE观测的时变重力场特征及汶川地震的动力机制进行了初步解释和讨论.     

Analysis and partitioning of terrestrial water storage in the Yellow River source region

In order to increase the capability to understand and quantify the spatial differences in terrestrial water storage (TWS), and to reflect the unique energy balance processes and soil freeze–thaw mechanisms in the Qinghai-Tibet Plateau (QTP), this study improved the energy balance processes of the water and energy transfer processes model, including its surface radiation calculations and snowmelt module. By integrating these improvements, a water and energy transfer processes model in Qinghai-Tibet Plateau (WEP-QTP) for the Yellow River source region (YRSR) is developed. Using the improved WEP-QTP model to perform simulations, we assessed the daily changes in snow cover, soil moisture (SM), permafrost (PM), and groundwater storage (GWS) in the YRSR. Our analysis revealed an increase in TWS of 0.24 mm/yr from 1961 to 2020. Snow water equivalent (SWE), SM, PM, and GWS have proportional contributions of 8.33%, 216.67%, −154.17%, and 29.17% to the increased TWS, respectively. SM is the primary component of TWS. Temperature (T), precipitation (P), evapotranspiration (E), and solar radiation (Rs) influence the spatiotemporal variations in TWS, as well as those of its components. The increase in P is the primary cause for the rise in TWS, SWE, and SM, while the increase in T predominantly contributes to the decrease in PM. Furthermore, permafrost degradation and climate-induced warming and humidification lead to increased infiltration, resulting in elevated GWS.     

利用GRACE时变重力场探测2010年中国西南干旱陆地水储量变化

GRACE(Gravity Recovery And Climate Experiment)卫星计划为监测陆地水储量变化提供了有效技术手段.本文采用2003至2010年共计8年的GRACE月重力场模型反演中国西南区域陆地水储量变化,与GLDAS(Global Land Data Assimilation System)全球水文模型进行对比分析,其结果在时空分布上均符合较好,同时在2009年秋至2010年春该区域陆地水储量均呈现明显减少,与该时段云贵川三省的干旱事件相一致;比较分析了2009年秋至2010年春GRACE反演陆地水储量变化与TRMM(Tropical Rainfall Measuring Mission)合成数据计算的月降雨量的时空分布,两组结果均与西南干旱事件对应时段与区域十分吻合;对近8年的陆地水储量变化与月降雨量数据进行相关性分析,其结果表明陆地水储量变化与降雨量强相关,即降雨量是导致陆地水储量变化的主要因素;分析该区域地表温度变化,结果显示2009年9月至2010年3月地表温度均比历史同期高,地表温度的升高加剧了陆地水储量的减少.     

基于多源数据分析维多利亚湖流域水储量变化

本文利用CSR发布的GRACE RL06时变重力场模型,结合两种水文模式、卫星测高、降雨和蒸散等多源数据,从多个角度综合系统地分析维多利亚湖流域2003-01-2017-06的陆地水储量变化.比较了正向建模方法和单一尺度因子对泄漏误差的改正效果,经对比采用正向建模方法在此流域效果更好.基于多源数据得出以下三点与此前研究...     

应用GPS数据和Slepian基函数反演川云渝地区陆地水储量变化

局部Slepian函数是将局部区域内的地球物理信号转化为空间谱的一种方法,其可以保证在球面上局部范围内获得最优谱平滑解,非常适用于局部范围地球物理信号的研究.本文利用中国陆态网西南地区72个测站的连续GPS观测资料分析川云渝地区陆地水负荷形变特征,并基于Slepian函数方法解算60阶的空间谱基函数,结合弹性质量负荷理论研究了川云渝地区2011年至2015年陆地水储量变化的时空分布模式.针对Slepian函数的边界效应问题,本文使用GLDAS格网数据计算得到站点处垂直负荷位移时间序列,然后利用该位移数据来进行水储量变化恢复实验,结果表明当边界扩充为3°时能较好地恢复GLDAS模型输出的陆地水储量变化.通过对比区域内GPS、GRACE、GLDAS得到的等效水高以及降雨数据,发现季节性降水是陆地水变化的一个重要驱动因子,GPS反演结果与GRACE和GLDAS数据具有较强的空间一致性.云南地区周年变化要强于川渝地区,其中云南西部的山区陆地水变化最大,约为30 cm,最小为川北以及重庆地区仅为7 cm.相较于GPS反演结果,GRACE与GLDAS明显低估了陆地水储量的季节性变化,分别达到24%和47%.比较分析地区内平均等效水高时间序列的相位发现,GPS得到的陆地水变化与降雨数据一致性较好,而GRACE与GLDAS存在一到两个月左右的时延.同时GPS能较好的探测出2015年1月左右南方地区大范围的强降水,而GRACE与GLDAS并没有体现出该现象,说明GPS能更为灵敏地探测到局部地区陆地水的变化.在站点等效水高时间序列上,GPS与GRACE的相关性总体上要优于GPS与GLDAS,陆地水周年变化较大的云南和四川西部地区站点三种数据间相关性较好,而其他季节性信号不明显的地区则相关性较差.本文的研究表明运用GPS-Slepian方法能够独立地监测高时空分辨率的陆地水储量变化,是作为当前补充GRACE观测资料空缺期的有益尝试.     

深地震反射剖面揭示的海原断裂带深部几何形态与地壳形变

由于活动的青藏高原不断的隆升和推挤作用,在西南向东北的推挤作用和周缘块体的阻挡以及东北缘内部块体挤压形变的作用下,形成了多个走向不同的青藏高原东北缘构造体系.新生代构造变形和地震活动强烈,区内分布多条大型深断裂带.海原断裂是青藏高原东北缘发育的弧形活动断裂带中规模最大、活动最为强烈的一条左旋走滑型断裂带,是重要的大地构造区边界,也是控制现今强震活动的活断层.本文利用2009年完成的高分辨率深地震反射剖面的北段资料,对其进行初步构造解释,揭示出海原断裂带的深部几何形态和其两侧地壳上地幔细结构.结果显示海原断裂并不是简单的陡立或者较缓,其几何形态随着深度变化.在海原断裂之下的Moho并未错断的反射特征显示海原断裂并不是直接错断莫霍面的超壳断裂.海原断裂带及两侧岩石圈结构和构造样式的研究为探讨青藏高原东北缘岩石圈变形机制提供地震学依据.     

GRACE terrestrial water storage data assimilation based on the ensemble four-dimensional variational method PODEn4DVar:Method and validation

Seasonal and interannual changes in the Earth's gravity field are mainly due to mass exchange among the atmosphere,ocean,and continental water sources.The terrestrial water storage changes,detected as gravity changes by the Gravity Recovery and Climate Experiment(GRACE) satellites,are mainly caused by precipitation,evapotranspiration,river transportation and downward infiltration processes.In this study,a land data assimilation system LDAS-G was developed to assimilate the GRACE terrestrial water storage(TWS) data into the Community Land Model(CLM3.5) using the POD-based ensemble four-dimensional variational assimilation method PODEn4 DVar,disaggregating the GRACE large-scale terrestrial water storage changes vertically and in time,and placing constraints on the simulation of vertical hydrological variables to improve land surface hydrological simulations.The ideal experiments conducted at a single point and assimilation experiments carried out over China by the LDAS-G data assimilation system showed that the system developed in this study improved the simulation of land surface hydrological variables,indicating the potential of GRACE data assimilation in large-scale land surface hydrological research and applications.     

哈拉湖地区低频可控震源天然气水合物地球物理响应特征研究

我国陆域天然气水合物主要分布于青藏高原和漠河地区.由于永久冻土层的存在,地震勘探很难获得高品质的资料,给天然气水合物勘探带来了诸多困难.为解决冻土层对地震信号的衰减问题,在哈拉湖地区采用低频可控震源进行地震资料采集试验,通过提高覆盖次数,获得了较高信噪比的地震资料.在高质量地震资料基础上,进行精细速度分析,获得了较准确的叠加速度谱资料;然后以层速度剖面为基础建立正演模型,开展天然气水合物地震正演模拟研究;最后利用叠后偏移地震数据进行地震属性分析.通过正演模拟和地震属性综合研究,总结了天然气水合物的地球物理响应特征,速度突变和空白反射带可作为哈拉湖地区陆域天然气水合物识别的敏感因素.     

GLEAM和MOD16蒸散发产品在青藏高原中东南湖泊流域的适用性评价

GLEAM(Global Land Evapotranspiration Amsterdam Model)和MOD16(MODIS Global Evapotranspiration Project)全球蒸散发产品已经得到了广泛的检验和应用,但由于观测资料缺乏,尚缺少对高原地区的检验。本文以青藏高原然乌湖流域、羊卓雍错流域、纳木错流域、色林错流域和塔若错流域为检验区域,利用流域水量平衡法,采用相关系数、相对误差、均方根误差和Kling-Gupta系数,对这两种蒸散产品开展了精度验证与评价。结果表明:GLEAM蒸散发产品在然乌湖、色林错和塔若错流域整体存在低估现象,在羊卓雍错和纳木错流域存在轻微高估现象,而MOD 16产品仅在色林错流域有轻微低估现象,在其他湖泊流域均表现为高估;GLEAM和MOD16蒸散发产品在5个湖泊流域年降水量较少的年份均存在高估的现象,在湿润年份则为低估;GLEAM产品在然乌湖流域、羊卓雍错流域和色林错流域的验证结果相对较好,而MOD16产品在纳木错流域和塔若错流域的验证精度相对较高;总体而言,在年尺度和多年平均尺度下,GLEAM蒸散发产品在青藏高原中东南湖泊流域...     

近40年青藏高原湖泊面积变化遥感分析

以MSS、TM和ETM遥感影像作为主要信息源,综合利用RS、GIS技术,提取青藏高原1970s、1990s、2000s及2010s 4个时段的湖泊面积信息,分别从区域位置、面积规模、海拔高度3方面分析其近40年来的变化趋势及变化特征,同时结合1972-2011年间青藏高原气候变化情况,初步探讨了影响青藏高原湖泊面积变化的主要原因.研究结果表明:(1)青藏高原面积大于10 km²的湖泊有417个,这些湖泊大多是面积为10~100 km²的小型湖泊,空间上集中分布在高原西部地区,海拔上集中在4500~5000 m范围内;(2)近40年青藏高原湖泊面积的变化趋势及差异性特征在整体上表现为湖泊呈加速扩张的趋势,其中2000s-2010s时段是湖泊扩张最显著的时期;在区域位置上,北部地区的湖泊变化最为剧烈;在面积规模上,小型湖泊扩张最为显著;在海拔高度上,低海拔地区湖泊扩张剧烈;(3)近40年青藏高原气候暖湿化程度明显,气候变化对湖泊面积变化影响显著;在气象要素中,降水量的变化是青藏高原湖泊面积变化的主要驱动因子.