GRACE RL06与RL05时变重力场模型数据初步比较分析

简要介绍CSR、GFZ和JPL机构的GRACE RL06时变重力场模型数据,并对比分析RL06和RL05数据的解算模型。从全球陆地水储量变化反演结果、时变重力场模型阶方差和C20项时间序列3个方面,对2004-01~2014-11期间RL06和RL05时变重力场模型数据进行对比分析。结果表明,GRACE RL06时变重力场模型数据质量的和精度较RL05有明显提高,其全球陆地水储量变化反演结果去条带噪声效果更好、信噪比更高;在高阶项部分,RL06模型数据的阶方差小于RL05;RL06模型数据的C20项时间序列幅值变化小于RL05,与SLR所得C20项数据也更接近。相同条件下,采用CSR RL06模型阶方差最小,利用RL06模型所得全球陆地水储量变化反演结果信噪比值最大。     

利用广义三角帽法评估GRACE/GRACE-FO反演流域陆地水储量变化的不确定性北大核心CSCD

利用广义三角帽法评估5个最新版本GRACE/GRACE-FO时变重力场模型反演全球流域陆地水储量变化的不确定性,并探讨地理位置、气候类型和流域面积对不确定性的影响。结果表明:1) COST-G、CSR、JPL、ITSG和GFZ时变重力场模型反演全球流域陆地水储量变化的平均不确定性分别是0.41 cm、0.63 cm、0.66 cm、0.81 cm和0.97 cm;2)流域陆地水储量变化的不确定性与流域面积和地理位置存在较强的相关性,与气候类型的相关性较小;3)当观测数据质量较差时,不同模型反演的流域陆地水储量变化存在较大差异。     

利用新版GRACE时变模型反演珠江流域陆地水储量变化

本文以CSR05、GFZ05、JPL05、ITSG-Grace2016、CSR06、GFZ06、JPL06及ITSG-Grace2018等8种GRACE时变重力场模型作为研究对象,通过300 km高斯滤波和Swenson方法等数据处理策略去除时变模型的噪声,反演2005-01~2012-12珠江流域的陆地水储量变化,并利用ITSG-Grace2018模型、GLDAS水文模型、降水数据、实测地下水数据等资料对珠江流域的陆地水储量变化进行综合分析。结果表明：1）3大官方机构发布的2006版GRACE时变模型的解算精度较2005版有显著改善,ITSG-Grace2018模型的精度也较ITSG-Grace2016有一定的改善,且新版在不同时变模型间的差异更小;2）ITSG-Grace2018模型反演的珠江流域陆地水储量整体呈上升趋势,其季节性变化特征与GLDAS水文模型、降水数据及地下水测井监测数据具有较好的一致性。     

区域地壳结构差异对GRACE-FO反演中国近10个月陆地水负荷垂直形变的影响

利用CSR、JPL、GFZ三家机构最新发布的新一代重力卫星GRACE-FO（GRACE-Follow On）时变重力场模型揭示2018-06~2019-05我国陆地水储量随时间演变的时空特征,研究利用Hard与PREM模型分析区域地球结构差异对GRACE-FO重力数据反演我国近10个月陆地水负荷垂直形变的影响。结果表明,60阶径向负荷勒夫数的相对差异为-4.267%,前60阶垂直负荷形变最大差异位于云南一带的澜沧江流域地区,幅值约为0.7 mm/a。因此在使用GRACE-FO重力卫星数据估算中国大陆地表垂直负荷形变时,区域地球结构的影响不容忽视。     

2002~2020年刚果河流域陆地水储量变化分析

利用德克萨斯大学空间研究中心（CSR）发布的GRACE时变重力场模型,基于最大信噪比准则确定RL06球谐系数模型（spherical harmonics,SH）的最优高斯滤波半径,在此基础上反演2002-04~2020-05刚果河流域陆地水储量变化,结合水文与降雨、蒸散资料分析其驱动因素。研究结果表明,GRACE模型估计的刚果河流域水储量变化和水文模型估计的地表水储量变化的周年振幅一致,表明刚果河流域的陆地水储量周年变化驱动因素为地表水。对于年际变化,2002-04~2020-05陆地水储量变化呈轻微增加趋势,2002-04~2006-12明显减少,RL06 SH模型估计结果为-2.30±0.24 cm/a;2007-01~2010-12呈现增加趋势,为0.38±0.24 cm/a;2011-01~2020-05水储量增速变大,为0.92±0.12 cm/a,该结果与CSR Mascon估计结果一致。     

利用多元线性回归模型重构中国九大流域陆地水储量变化北大核心CSCD

GRACE与GRACE-FO任务间的数据空缺导致无法连续监测陆地水储量变化。基于此,本文采用多元线性回归模型,以GRACE/GRACE-FO陆地水储量变化数据为参考值,以降水、气温和模型模拟的陆地水储量数据为预测参数,采用3种不同策略重构中国九大流域2002-04~2021-12连续的陆地水储量变化。结果表明,基于去趋势项和去季节项信号重构策略的重构结果略优于去趋势项信号重构策略,且两者结果均优于整体信号重构策略,在人类活动或冰川融化频繁的流域(如海滦河、长江、西南诸河和内陆河流域)这种优势更为明显。此外,重构结果的性能也受GRACE/GRACE-FO数据信噪比和预测参数与GRACE/GRCAE-FO数据的相关性影响。     

联合GRACE与GRACE-FO反演2002～2020年长江流域陆地水储量变化

探讨采用不同激励函数的BP和RBF神经网络方法填补GRACE与GRACE-FO卫星空缺数据的精度及可行性,并基于最优方案对缺失数据进行填充;利用ITSG-Grace2018和ITSG-Grace_operational时变重力场模型反演2002～2020年长江流域陆地水储量变化,并结合GLDAS模型、降水、气温及长江流域水资源公报等数据对该区域的陆地水储量变化进行综合分析。结果表明：1）隐含层激励函数为线性整流函数（ReLU）的BP神经网络算法具有较好的拟合效果,可用于填充GRACE与GRACE-FO卫星任务间的数据空缺;2）长江流域的陆地水储量变化具有一定的区域差异性,主要表现为上游东部与中游大部分地区陆地水储量以5 mm/a左右的速率上升,上游中西部区域下降,下游基本保持不变;长时间序列的GRACE/GRACE-FO时变模型能够反映长江流域2019年的干旱与2017年、2019年的洪涝等灾害。     

利用GRACE/GRACE-FO重力卫星探测黄河流域水储量能力及极端气候发生的可能性

基于2004~2021年GRACE/GRACE-FO重力卫星数据反演黄河流域陆地水储量时空变化,并构建干旱指数模型和洪水因子模型,对黄河流域的极端气候现象进行分析研究。结果表明,2004~2021年黄河流域的陆地水储量以0.56 cm/a的速度减少,具有明显的季节周期性特征,在夏季和秋季呈盈余状态,春季和冬季呈亏损状态;干旱指数模型监测到期间黄河流域发生极度干旱事件22次、重度干旱事件37次,干旱事件范围涵盖整个黄河流域;洪水因子模型探测到黄河流域共发生洪水事件118次,多出现在夏季和秋季雨水较为丰沛的时候,期间黄河流域陆地水储量能力较弱,降雨量增大。利用GRACE/GRACE-FO重力卫星数据构建的干旱指数模型和洪水因子模型探测的气象结果与实际观测结果较为符合,能真实反映黄河流域发生的极端气候,可为极端气候研究提供有利工具。     

基于GRACE RL06数据探测三江源地区陆地水储量变化

利用CSR最新发布的GRACE RL06数据反演2006~2015年三江源地区陆地水储量的时空变化,并结合GLDAS水文模型、TRMM降水数据及地表冻融数据进行对比分析。结果表明,三江源地区的陆地水和地表水在2006~2015年的变化趋势分别为5.2±1.2 mm/a和-3.8±0.9 mm/a;降水与陆地水的变化密切相关,也是造成陆地水储量呈季节性变化的主要原因;冻土作为特殊的蓄水层,影响着三江源地区地表水与地下水之间的水力联系,冻土活动可能造成GRACE与GLDAS水储量之间的差异;根据GRACE与GLDAS水储量在空间趋势上的差异推测,三江源地区高原多年冻土退化,活动层增厚。     

GRACE时变重力场条带误差的加权平均去相关滤波方法

提出一种简单、快速的加权平均去相关滤波方法,以滤除GRACE时变重力场存在的显著的南北条带误差,并可以处理球谐位系数中的两端点系数。基于CSR RL05和Tongji-GRACE01时变重力场模型,采用加权平均去相关滤波求得2003~2011南极区域的质量变化速率为-78.35±41.08 Gt/a和-78.06±40.75Gt/a,与多项式拟合去相关滤波求得的结果-81.91±40.75Gt/a和-79.31±40.46Gt/a极为接近。在亚马逊流域,这两种滤波方法求得的结果也极为接近,从而验证了本文方法的有效性。     

基于GRACE数据估计近年喜马拉雅冰川质量变化

基于CSR发布的GRACE时变重力场模型RL05数据,在频域上计算得到2002~2014年喜马拉雅山冰川质量变化。扣除GIA和水文模型影响后,喜马拉雅地区的冰川质量变化整体上呈现加速消融的趋势,消融速率约为-8.26±4.61 Gt/a,加速度约为-3.54±1.25 Gt/a2。     

基于改进的主成分分析法提取GRACE时变重力场信号

针对主成分分析法提取时变重力场模型信号中存在信号泄漏和去条带噪声不明显的问题，提出对球谐位系数主成分分析的改进方法。首先对球谐位系数进行主成分分析，提取主要的模态，再对不同模态根据其自身噪声特点选择合适的滤波方法和参数，最后在此基础上进行信号提取。以CSR发布的2005-01~2013-12(108个月)GRACE时变地球重力场模型进行实验，提取2006-06和2006-12等效水高数据和改进前的主成分分析进行比较，表明此方法在有效地剔除条带误差的同时又使得信号泄漏减小。     

GRACE估计南极冰川质量变化的泄露影响及其改正

利用2003-01～2013-12期间GRACE数据反演得到地球表面质量变化,使用全球正向建模恢复法改正泄露影响,获得南极冰盖质量变化。比较GRACE直接估计和泄露影响改正后的结果发现,南极冰盖在2003～2013年质量变化信号衰减20.3%,西南极有26.4%的质量消融信号泄露到了周边,东南极的泄露影响更高达70%。改正后的结果表明,南极冰盖绝大部分质量消融发生在西南极和南极半岛,质量积累发生在东南极的Ronne冰架和Amery冰架;西南极冰盖质量变化速度达到-152.47±2.00 Gt/a,基本上等同于南极全岛的质量消融速度,而南极半岛的冰盖融化速度为-27.44±0.75 Gt/a,基本与东南极的冰盖质量积累速度27.27±5.12Gt/a抵消;南极全岛冰川整体质量以-152.64±7.00 Gt/a速度消失,并以-18.85±4.87 Gt/a2的加速度加速融化,导致海平面以0.41 mm/a的速度上升。     

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联合GRACE和气象水文数据研究2010～2016年亚马孙平原水储量异常变化与极端气候和ENSO的关系

利用GRACE时变重力场模型反演2009-07～2017-06期间亚马孙平原的水储量变化，在移除趋势和季节性周期信号后，计算得到其与ENSO指数之间具有较强的相关关系和一定的时延性，并从季节层面进行分析得到ENSO对亚马孙平原旱、雨两季的不同影响，表现为旱季受到ENSO显著影响而雨季受到的影响则较小。最后，结合水文数据分析指出，ENSO会通过影响降雨量进而影响相应区域的水储量变化，且该现象在流域内两次极端旱灾中有较为突出的表现。     

基于GRACE时变重力场反演南极冰盖质量变化

利用UTCSR发布的GRACE Level-2 RL04版本2003-01—2008-08月的重力场模型估计南极冰盖质量变化。由于GRACE提供的C20项不准确,利用SLR测得的C20项进行替换。对于经度方向上出现的条纹状信号,采用去相关滤波处理。选择去掉其中某一个月的位模型重新反演南极冰盖质量变化,发现相同区域的质量变化率并没有发生很大的变化。联合得到的位模型、滤波技术以及ICE-5G冰后回弹模型观测到的西南极Amundsen地区和南极半岛的冰盖质量消融现象,其等效水高变化分别为-5.28±0.95 cm/a、-1.82±0.77 cm/a;而Ronne冰架以及东部Enderby地区冰盖质量在增加,分别为1.42±0.69 cm/a、1.43±0.72 cm/a。与已有研究结果比较发现：西南极冰盖质量在加速融化,而Ronne冰架以及东部Enderby地区冰盖等效水高变化率没有发生大的变化。