利用空间大地测量观测数据研究北美陆地水储量变化

根据冰川均衡调整(GIA)重力和垂直位移理论线性比值,联合利用GPS和卫星重力等空间大地测量数据估算了北美陆地水储量变化,并基于观测数据和理论比值的误差给出了所得结果的误差,避免了使用GIA模型引入的巨大误差。研究结果具有更高的空间分辨率;2003年1月至2011年3月期间,北美五大湖以西陆地水储量存在明显的增加趋势,速率为33±10 km3/yr;而五大湖以东地区的陆地水储量则基本处于平衡状态;研究结果与水文模型WGHM较为一致,相关系数达到57%,而与GLDAS模型的相关性较小。     

环境因素对山东GPS基准站垂直位移的影响分析

基于山东地壳运动GPS观测网络(CMONOSD)提供的连续观测结果,经过GAMIT/GLOBK软件处理,再采用GRACE,LAD,SG及GLDAS分析陆地水引起的重力变化,分析证明,在该地区陆地水导致的空间重力变化可达100.12±0.7 nms-2量级,采用LAD模型会导致重力长期以微小趋势上升,反之采用GLDAS模型会导致重力长期以微小趋势下降。通过研究大气负荷、陆地水和非潮汐海洋对山东省各基准站垂直位移的影响,发现大气负荷对台站垂直位移的影响最大为8 mm,陆地水次之,非潮汐海洋的影响最小。     

科尔沁沙地陆地水储量变化的GRACE时变重力场探测

为了实现科尔沁沙地的水资源监测,该文采用2003年7月至2010年12月的GRACE月重力场模型,经过去相关滤波、高斯平滑滤波和GIA改正,利用尺度因子法恢复重力场信号,反演科尔沁沙地的陆地水储量变化,与CPC水文模型反演结果进行对比分析。研究结果表明:由GRACE Release-05Level-2数据反演得到的2003年7月至2010年12月科尔沁沙地陆地水储量下降速率为-13.2±2.6(mm·a-1);CPC水文模型反演的该地区陆地水储量变化曲线与GRACE反演结果呈现出良好的一致性,具有相似的季节变化;2009年秋至2010年春该地区陆地水储量呈现直线减少,并达到最低点,这一现象与该时段中国北方的干旱事件相一致。     

利用GRACE重力卫星反演2003~2013年新疆天山地区陆地水储量时空变化

利用2003-1~2013-12的GRACE月重力场数据来计算新疆天山地区陆地水储量的变化,采用去相关滤波和300 km高斯滤波相结合的方法来滤除GRACE数据中的噪声,同时采用尺度因子的方法来减小GRACE后处理误差的影响,并利用Paulson模型结果来扣除由冰川均衡调整（GIA）对水储量反演结果的影响,把得到的最终结果与同期GLDAS、CPC水文模型进行了验证分析。结果表明,GRACE反演结果与两个水文模型的模拟结果变化趋势基本一致,在2003~2013年间,研究区域的水储量整体上呈现下降趋势,速率为-0.54±0.27 mm/a左右,但期间水储量变化波动较大,在2008年10月份左右,该区域水储量较同期呈现明显减小,这与该时段的干旱事件相一致。     

利用GPS垂直位移反演云南省陆地水储量变化

地表质量的重分布会引起固体地球的弹性形变,GPS连续运行观测站能够精确测定地表负荷引起的地壳形变。本文通过模拟数据对利用云南省及其周边47个中国大陆构造环境监测网（陆态网）台站反演云南地区陆地水储量的可行性进行分析：以水文模型周年振幅为真值,计算47个台站点的负荷形变,同时加入随机误差构成模拟观测数据,最后采用模型反演陆地水储量变化;1000次的随机模拟试验表明利用当前GPS台站数据可有效地反演云南地区陆地水储量变化。基于上述结论,笔者反演了云南省2010—2014年陆地水储量变化,GPS反演结果表明：云南省陆地水变化呈现明显的地域分布特征,西南部高山地区的水储量周年变化高于东部平原地区;在时间尺度上,云南省大部分地区水储量在10月（夏季末）达到最大值,在4月（冬季末）达到最小值;云南省2010—2014年陆地水呈缓慢增长趋势,约为20 mm/a。通过GPS陆地水储量反演结果与GRACE、GLDAS以及TRMM数据综合对比分析,表明利用云南地区当前GPS台站可以作为独立观测量用于GRACE与GRACE Follow-on衔接期间的陆地水储量变化监测。     

GRACE时变重力位系数扇形滤波算法分析

卫星重力探测技术为监测全球陆地水储量变化提供了新的技术手段。采用Level-2 Release-05版本GRACE时变重力场模型数据计算了2010年全球陆地水储量的月变化;着重研究了扇形滤波对反演结果的影响;并结合GLDAS水文模型数据对反演结果进行了验证分析。实验结果表明:GRACE反演结果 GLDAS水文模型结果在时空分布上符合较好;扇形滤波能够削弱GRACE时变重力场模型的高阶项误差影响,有效去除反演结果中的条带状噪声。     

全球陆地水储量对检测同震重力变化的影响

以2011年日本Mw9.0地震为例,探讨了同震重力变化理论模拟计算所涉及到的几个关键问题,并利用GLDAS全球陆地水储量模型对GRACE卫星检测到的同震重力变化进行了修正。结果表明,水文效应变化振幅达4μGal,该影响不可忽略。     

GRACE重力卫星在陆地水储量变化监测中的应用

介绍了GRACE重力卫星,并对GRACE重力卫星数据在陆地水储量变化中的应用现状进行分析,总结了GRACE重力卫星数据在陆地水储量变化检测中的数据获取、计算方法和精度分析,以及Grace数据在不同区域尺度陆地水储量变化估算中的应用情况,最后,指出GRACE在水储量应用中的不足和未来的研究方向。     

联合GRACE和GLDAS数据的河南省地下水储量反演与时空变化分析

针对利用传统监测手段难以高效获取地下水储量观测数据的问题,基于GRACE重力卫星的大尺度水资源储量反演已成为当前水资源调查的研究热点。本文利用2012-2016年CSR机构发布的GRACE RL06月解数据,通过等效水高反演得到河南省陆地水储量时序结果,扣除由同期GLDAS水文模型计算得到的地表水储量时序数据,从而得到河南省地下水储量时序变化数据结果。经与地下水位监测井实测数据进行对比验证,相关系数显著性水平达0.01,表明本文算法流程具有较高的可靠性。进一步的统计分析结果表明,河南省北部地区的地下水储量呈亏损态势,最大变化率超过26 mm/a;河南省中部和东部地区地下水储量有一定盈余,最大变化率超过16 mm/a,相关结果数据与河南省水利局公布的全省主要地下水超采区范围吻合。本文旨在利用GRACE重力卫星数据与GLDAS水文模型反演获取河南省地下水储量空间分布差异及演变趋势,相关算法流程可为广域地下水储量调查监测提供技术支撑;研究数据可为该区域地下水资源的合理利用与保护提供参考。     

利用独立成分分析法研究新疆地区陆地水储量及其地壳垂向变化

中国新疆地区水文气候变化复杂,其水储量变化及其负荷形变特征的精确提取极为重要。采用卫星重力数据GRACE(gravity recovery and climate experiment）反演新疆地区2010—2014年陆地水储量变化,利用独立成分分析法（independent component analysis,ICA）分解时空模式,提取时空特征信号。在此基础上,反演陆地水负荷迁移引起的地壳垂向变化,引入重力位系数与负荷勒夫数一阶项改正,回加非潮汐大气与海洋信号,结合尺度因子法校正GRACE反演结果,引入全球降水气候计划月降水资料分析形变影响,将其与测区12座连续运行参考站形变位移进行定量比较,重点分析各测站陆地水负荷信号与全球导航卫星系统（global navigation satellite system,GNSS）垂直位移的相关关系。结果表明,经ICA方法分解的新疆地区陆地水储量呈现多时间尺度特征,表现为明显的周年与长期变化;周年信号在西部帕米尔高原附近尤为显著;长期变化以逐年减少为主,在乌鲁木齐西部、天山一带信号较强;总体上,陆地水负荷垂直形变的时间序列波动幅度相对较小,幅值...     

利用GRACE时变重力场反演黑河流域水储量变化

黑河流域水储量变化对该区域的生态环境和经济建设等具有重要影响。本文利用2002年8月至2011年6月GRACE（Gravity Recovery and Climate Experiment）时变重力场模型GRGS-EIGEN-GL04,采用去相关滤波P3M6与300km高斯滤波相结合的滤波方法反演了黑河流域陆地水储量变化,扣除GLDAS（Global Land Data Assimilation System）水文模型计算的土壤水和冰雪变化,给出了黑河流域地下水储量的时空变化,并利用张掖地区23口地下水测井数据对地下水反演结果进行了初步验证。研究结果表明：（1）黑河流域陆地水储量整体上呈现减少趋势,与该流域气候变化和CPC水文模型的计算结果具有较好的一致性,其减少速率为2.3cm/a等效水高;（2）黑河流域地下水储量呈现长期减少趋势,其减少速率为2.5cm/a等效水高,上、中游区域地下水储量减少速率相当,下游区域地下水储量减少速率明显小于中上游区域。     

Combination of temporal gravity variations resulting from superconducting gravimeter (SG) recordings, GRACE satellite observations and global hydrology models

Gravity recovery and climate experiment (GRACE)-derived temporal gravity variations can be resolved within the μgal (10^?8 m/s ²) range, if we restrict the spatial resolution to a half-wavelength of about 1,500 km and the temporal resolution to 1 month. For independent validations, a comparison with ground gravity measurements is of fundamental interest. For this purpose, data from selected superconducting gravimeter (SG) stations forming the Global Geodynamics Project (GGP) network are used. For comparison, GRACE and SG data sets are reduced for the same known gravity effects due to Earth and ocean tides, pole tide and atmosphere. In contrast to GRACE, the SG also measures gravity changes due to load-induced height variations, whereas the satellite-derived models do not contain this effect. For a solid spherical harmonic decomposition of the gravity field, this load effect can be modelled using degree-dependent load Love numbers, and this effect is added to the satellite-derived models. After reduction of the known gravity effects from both data sets, the remaining part can mainly be assumed to represent mass changes in terrestrial water storage. Therefore, gravity variations derived from global hydrological models are applied to verify the SG and GRACE results. Conversely, the hydrology models can be checked by gravity variations determined from GRACE and SG observations. Such a comparison shows quite a good agreement between gravity variation derived from SG, GRACE and hydrology models, which lie within their estimated error limits for most of the studied SG locations. It is shown that the SG gravity variations (point measurements) are representative for a large area within the accuracy, if local gravity effects are removed. The individual discrepancies between SG, GRACE and hydrology models may give hints for further investigations of each data series.     

顾及GRACE季节影响的华北平原水储量变化反演

基于移去-恢复方法,利用GRACE卫星重力数据研究了华北平原2003年1月—2014年6月的陆地水变化,提出了一种顾及季节影响尺度因子计算方法,用于减小GRACE后处理误差。将本文方法所得结果与水文模式和降水模型结合进行比较分析,结果表明：2008年之前华北平原发生比较明显的干旱现象,陆地水和地表水分别以（-7.9±2.4）mm/a和（-7.3±2.8）mm/a的速度下降,但地下水仅以（-0.6±1.4）mm/a的速度减少;2008年之后,陆地水和地表水分别以（4.3±1.3）mm/a和（10.9±2.1）mm/a的速度上升,期间地下水的超采严重,平均以（-6.5±1.2）mm/a的速度下降,但下降速度以0.9 mm/a²的趋势减缓。研究期间内,华北平原的陆地水、地表水和地下水整体分别呈现（-2.0±0.6）、（2.9±0.7）和（-4.8±0.7）mm/a的变化趋势。最后,利用交叉小波谱分析了GRACE滞后于降水的现象。研究结论表明,降水和地下水开采是影响华北平原水储量变化的两大决定性因素。     

不同模型的地表质量异常一阶项、二阶项估计

为了合理补充重力场恢复与气候试验卫星（Gravity Recovery and Climate Experiment,GRACE）时变重力场的一阶斯托克斯系数（C₁₀、C₁₁、S₁₁）和替换二阶斯托克斯系数（C₂₀）,介绍了相关GRACE-OBP算法及其改进的算法,比较了相应的Chamber Model和4个Sun Model的一阶系数及其计算的地表质量异常,同时比较了基于卫星激光测距观测的Cheng Model与4个Sun Model的C₂₀及其地表质量异常。结果表明,GRACE-OBP算法的一阶系数、卫星激光测距观测的C₂₀及其地表质量异常与改进的GRACE-OBP算法在趋势项上有很大差异,但周年项差异相对较小。利用不同截断阶数和不同机构的GRACE时变重力场模型,对其趋势项和周年项都有一定影响,且对趋势项影响更大。因此,在计算陆地水储量变化时,建议使用改进的GRACE-OBP算法的估计结果,使用较理想的、截断阶数较高的GRACE时变重力模型。     

青藏高原及其周边地区水储量变化的独立成分分析

采用2003年1月至2013年12月共132个月的GRACE卫星数据反演得到的水储量变化信息,利用独立成分分析方法将水储量变化信息分解成多个信号成分,然后与NOAH和WGHM两个水文模型的分析结果进行比较。成分对比结果表明,GRACE反演得到的水储量变化与NOAH和WGHM水文模型在第一个主成分方面符合很好,相关系数分别是0.884和0.877。说明GRACE反演的水储量变化和水文模型在青藏高原及其周边区域具有很强的一致性。从空间模式上看,GRACE反演水储量变化信号的强度比水文模型信号要大,可能与GRACE反演的水储量变化还包括地下水的变化情况等有关。     

重力场恢复与气候实验的石羊河流域水储量变化

为了更好地从空间尺度显示石羊河流域水储量的变化情况,该文利用2003年1月至2014年12月GRACE RL06重力场数据计算其陆地水储量变化,对数据进行预处理以及去相关滤波和300km高斯平滑处理,并利用流域内4个气象站的降水平均数据与GRACE、GLDAS的结果进行对比分析。结果表明,GRACE反演结果与GLDAS水文模型变化趋势基本一致,时间上呈现明显季节性变化,研究区水储量整体呈现0.93mm/a的上升趋势,期间水储量变化波动较大主要与季节性降水有关。     

利用ICA方法提取奥卡万戈三角洲水储量变化信号

利用重力恢复与气候实验(gravity recovery and climate experiment, GRACE)时变地球重力场模型计算得到非洲奥卡万戈三角洲地区2003-01—2014-12的陆地水储量变化信息,分别采用主成分分析(principal component analysis, PCA)和独立成分分析(independent component analysis, ICA)提取质量变化信号,并与全球陆地数据同化系统(global land data assimilation system, GLDAS)的水文模型进行对比。结果显示,在奥卡万戈河流域东北部,水储量表现出很强的周期性变化,两种数据空间特征分布的信号出现在相同位置的成分GRACE-IC1和GLDAS-IC1对应的时间序列的相关系数达到0.85。奥卡万戈三角洲地区水储量从2003-01—2011-10呈现上升趋势,两种数据空间特征分布的信号出现在相同位置的成分GRACE-IC2和GLDAS-IC3对应的时间序列的相关系数达到0.81,说明GRACE反演结果与GLDAS水文模型反演结果在研究区域内具有很强的一致性。引入全球降水气候中心降水数据和Water GAP全球水文模型数据对研究区域陆地水储量变化的原因进行分析。实验结果表明,相对于传统的多项式拟合方法,ICA可以在较大区域内直接对特定位置质量变化信号的时空特征进行提取;对比GRACE数据两种方法分解结果的第3成分可以看出,在空间尺度和时间尺度上,ICA方法对信号的分解能力要优于主成分分析方法。     

Localized spectral analysis of global satellite gravity fields for recovering time-variable mass redistributions

A spatiospectral localization method is discussed for processing the global geopotential coefficients from satellite mission data to investigate time-variable gravity. The time-variable mass variation signal usually appears associated with a particular geographical area yielding inherently regional structure, while the dependence of the satellite gravity errors on a geographical region is not so evident. The proposed localization amplifies the signal-to-noise ratio of the (non-stationary) time-variable signals in the geopotential coefficient estimates by localizing the global coefficients to the area where the signal is expected to be largest. The results based on localization of the global satellite gravity coefficients such as Gravity Recovery And Climate Experiment (GRACE) and Gravity and Ocean Circulation Explorer (GOCE) indicate that the coseismic deformation caused by great earthquakes such as the 2004 Sumatra–Andaman earthquake can be detected by the low-low tracking and the gradiometer data within the bandwidths of spherical degrees 15–30 and 25–100, respectively. However, the detection of terrestrial water storage variation by GOCE gradiometer is equivocal even after localization.