利用GRACE反演昆士兰州地下水储量变化

昆士兰州作为澳大利亚的第二大州,开展针对该地区地下水储量变化的监测与分析对当地生态环境与用水管理政策制定具有重要现实意义. 利用德克萨斯大学空间研究中心(CSR)发布的重力反演与气候实验卫星(GRACE)时变重力场模型与全球陆地数据同化系统(GLDAS)地表同化模型,对昆士兰州地下水储量时空变化进行监测分析,并与实测水井数据和全球降水气候学项目(GPCP)降雨资料进行验证分析. 研究结果表明:时间上昆士兰州地下水在2003—2015年约以1.3±0.09 cm/a的速率递增,空间上呈现东增西减的显著空间差异;与GPCP降雨资料对比发现,降雨是影响地下水储量变化的主要因素;与水井实测数据对比发现地下反演结果与水井水位变化趋势基本一致.      

利用时变重力数据反演地下水储量变化

为了反映中国陆地区域地下水储量的变化情况,该文利用2003—2019年间GRACE、GRACE-FO重力卫星数据,对8个典型区域地下水储量变化情况进行了研究,并结合气象资料从相关性上分析各区域地下水储量显著变化的原因。结果表明,中国东南大部分地区地下水储量逐年增加,地下水主要靠降水补给;华北平原等人口稠密区地下水亏损严重,研究时段内持续呈下降趋势,降水仅能缓解地下水储量的亏损速度;天山山脉、念青唐古拉山脉等冰川区质量变化和温度异常的相关性较好,这些地区的质量亏损可能是冰川消融引起的。     

利用GRACE与Sentinel-1反演地下水变化与地表沉降研究

针对地表沉降与地下水变化之间的关系研究,助力资源开发与灾害防治之间突出矛盾的解决。该文利用GRACE/GRACE-FO卫星观测数据反演京津冀地区的地下水变化情况,利用Sentinel-1卫星观测结果,通过小基线集干涉测量技术(SBAS-InSAR)计算该区域的地面沉降速率,在地下水变化分析的基础上研究地下水变化与降雨的相关关系,并进而得到地表沉降与地下水变化的相关关系。结果表明,2003—2020年京津冀地区地下水储量呈减少趋势,变化速率达到-11.4 mm/a,降雨量年际变化较大,对地下水储量亏损存在影响;京津冀地区中,北京市地表形变相较于地下水变化滞后时间约为3个月,地下水变化与地表形变存在较高的相关性,二者相关系数达到0.758。     

联合重力卫星和水井资料监测华北平原地下水储量变化

华北平原作为人口最多的平原地区,其地下水资源开采十分严重,常态对该地区地下水储量（ground water storage,GWS）变化的精确监测具有重要的生态意义。利用重力卫星数据反演了华北平原的GWS变化,并与水文模型、降水资料、南水北调调水量和地下水井资料进行对比分析,提出融合浅层GWS变化和深层地下水变化方法,得到总地下水的贡献。研究结果表明,重力卫星与全球陆地数据同化系统模型估计的水储量变化均表现出明显的季节性特征;重力卫星反演的GWS变化与浅层地下水井资料估计结果一致性较好;考虑深层地下水的贡献,融合浅层和深层地下水井资料估计结果和重力卫星反演结果吻合更好,相较于仅使用浅层地下水估计结果吻合度更高,并表明浅层地下水为GWS变化的主要变化量;2003—2017年,华北平原地下水处于长期亏损趋势（-1.3±0.6 cm/a）;2018—2020年,重力卫星反演结果与同时段内顾及深层地下水井资料的总GWS亏损速率几乎一致;2021年,重力卫星和地下水井资料与前期观测结果形成鲜明的U型反转,GWS均呈增长趋势;降雨和南水北调对华北平原的水储量变化具有直接影响,对缓解GWS亏损和地下...     

全球降水观测计划多卫星联合反演降水产品的极端降水监测潜力研究

基于全国自动站与CMORPH融合降水数据集,综合评估全球降水计划（GPM）下的IMERG与GSMaP的4套纯卫星降水数据,从极端降水指标、极端降水事件探测能力、对于不同历时的极端降水事件精度评估3个方面研究纯卫星降水产品监测极端降水的能力。依据极端降水的阈值将研究区分为3个区域进行研究,结果表明：（1）在RX1指标中,IMERG、GSMaP数据均在受季风影响的复杂地形区域呈现出明显的高估状态,在其余地区存在不同程度的低估现象;在R95pTOT指标中,卫星数据均表现较好,与地面参考数据具有较高的相关性。（2）在极端降水事件探测方面,4套纯卫星产品在东北地区的表现均优于其他区域;GSMaP表现优于IMERG数据,具有较低的误报率,但对极端降水的反演精度较低。（3）在不同历时的极端降水事件精度评估中,IMERG、GSMaP卫星降水产品在历时较长的极端降水事件中的表现较好,具有更高的精度;对于极端日降水事件,卫星降水产品在高雨强下的误差显著性十分明显,远远高于复杂地形对卫星降水反演精度的影响,导致卫星降水在复杂地形区域（Ⅲ区）的表现优于其他区域。总体上,IMERG产品在研究区对极端降水的监测能力优于GSMaP产品,其中又以IMERG_Late表现最佳;4套卫星降水产品均能表现出研究区的极端降水区域特征,但在研究区大部分区域呈现出低估状态,卫星降水产品对于雨强的误差订正仍是未来极端降水反演的重点与难点之一。     

利用GRACE反演陕甘晋高原地下水储量变化

采用GRACE时变重力场模型和GLDAS水文模型反演了陕甘晋高原地下水储量的时空变化,并与TRMM降雨资料及实测水井数据进行了对比分析。研究结果表明：在时间域上,整个区域的地下水在2005-2014年大约以3.6±0.7 mm/a的速率递减;在空间域上,整个区域自西向东10年内的递减速率依次增大,其中山西中部地区最大。与TRMM降雨资料的对比发现,降雨与地下水储量变化强相关,但不是引起地下水储量减少的原因。与水井实测数据对比发现,除特殊情况外,本文反演得到的结果与水井水位变化趋势基本一致。     

卫星重力与光学遥感组合的念青唐古拉山脉冰川变化分析

利用GRACE(gravity recovery and climate experiment)和GRACE-FO重力卫星数据,反演了2002年8月至2020年4月间念青唐古拉山脉冰川质量变化,并结合光学遥感技术对念青唐古拉山脉西段冰川面积和储量变化进行估计.结果表明:①研究时段内念青唐古拉山脉冰川整体呈退缩趋势,2013年之后消融速度有所增加.②通过与夏季温度变化和降水异常对比,能够发现温度变化与冰川消融曲线相关性较好,降水在研究时段内持续减少,说明温度升高和降水减少是念青唐古拉山脉冰川质量常年亏损的主要原因.③念青唐古拉山脉西段冰川面积2003—2017年间共减少了72.30 km2,年均减少速率为5.16 km2/a,海拔5600～5800 m区间内冰川面积退缩最为明显.④卫星重力和光学遥感技术协同应用可以优势互补,既能快速定位变化剧烈的区域,又能对冰川信息进行精准提取,从而实现从大范围到小区域的多尺度监测.目前,两种技术联合应用方面仍存在一些不足,有待进一步研究.     

GRACE和GLDAS数据的京津冀地区地下水储量变化及其影响因子分析

针对京津冀地区地下水储量快速减少,影响了地下水资源的可持续利用和生态环境保护的问题,急需系统研究掌握地下水储量变化趋势,该文利用基于2010—2020年GRACE和GLDAS连续观测数据,运用趋势分析和偏相关分析等方法探讨了京津冀地区地下水储量时空变化规律,分析了其与相关要素时空变化的关联特征。结果表明：2010—2020年京津冀地区地下水储量变化整体上呈下降趋势,空间上呈现出东北向西南下降程度逐渐加深的态势,且大部分区域下降趋势极为显著;关联分析结果显示,地下水储量变化与NDVI在一定程度上表现为负相关,说明农业生产与植被恢复在一定程度上以地下水储量减少为代价;与年总降水量在一定程度上表现为正相关,降水能够对地下水储量起到一定的补给作用;与地表温度表现为负相关性,地表温度的升高不利于地下水储量的恢复。相关成果为京津冀地区地下水监测与管理提供一定的信息支撑。     

利用GRACE卫星Level-1B数据反演陆地水储量变化的方法研究

卫星重力探测技术为监测陆地水储量变化提供了新的技术手段。对利用GRACE卫星Level-1B数据反演地球陆地水储量变化的重力位差法和Mascon方法的数学模型作了详细推导分析,总结两种方法的特点和解算处理步骤。推导过程表明:重力位差法和Mascon方法在反演时只采用卫星飞临研究区域上空时的观测数据,能够提高反演结果的空间分辨率,比传统的球谐系数法更具优势;Mascon方法在解算时还引入了时空约束方程,进一步提高了反演结果的时空分辨率。     

大气CO2浓度时空变化卫星遥感监测的应用潜力分析

GOSAT卫星观测反演大气CO2浓度精度已经提高到了1—2 ppm,而卫星数据能否准确地揭示全球和区域大气CO2浓度变化特征还缺乏充分的评价与分析。本文针对已经连续运行观测3年的GOSAT卫星,收集了来自美国NASA-OCO团队(ACOS)和日本环境研究所GOSAT团队(NIES)基于各自算法反演的两套大气CO2柱浓度数据,描述并分析了全球大气CO2时空变化特征。分析结果表明,从XCO2反演的绝对值结果来看ACOS总体上比NIES的高出约2 ppm左右,但从时空的相对变化上它们揭示了相近的大气CO2浓度时空变化特征。两套数据显示出全球平均大气CO2浓度在2010年—2012年的3年期间年增量分别为1.8 ppm和2.0 ppm;季节变化幅度,北半球最大4—6 ppm,南半球最大约2 ppm,这与地面观测结果基本一致。进一步将EDGAR 4.2人为排放总量格网化数据与GOSAT卫星观测反演的CO2浓度进行相关统计分析,结果指出两套数据对人为排放量有着微弱的响应。本文结果指出目前GOSAT卫星观测反演的XCO2可以检测出全球和区域大气CO2浓度的年变化、季节变化和区域空间变化的特征;GOSAT卫星10.5 km空间分辨率的观测虽难于检测出点源的浓度变化,但从区域上对人为排放的累积效应的监测显示了一定的应用潜力。     

京津冀陆地水储量变化与区域降水相关性分析

针对京津冀地区水资源灾害频发、水储量监测手段存在局限性的问题,本文利用该地区2015年1月至2017年6月的重力场恢复与气候实验(GRACE)月重力场模型数据反演陆地水储量变化信息,结合区域降水、全球陆地资料同化系统(GLDAS)模型数据,对研究区域内水储量变化时空特征进行相关性分析.结果表明:GRACE监测的陆地水储...     

利用Forward-Modeling方法反演青藏高原水储量变化

青藏高原水资源对我国经济社会发展及气候变化影响深远。借助重力反演与气候实验(gravity recovery and climate experiment, GRACE)卫星重力数据,针对其滤波泄漏误差影响,采用Forward-Modeling方法进行定量估算。在顾及冰川均衡调整(glacial isostatic adjustment, GIA)效应情况下,反演青藏高原水储量变化,将结果与全球水评估与预测模型(water-global assessment and prognosis hydrology model, WGHM)进行比较分析。利用短时傅里叶变换提取时序信号的时频谱特征,并结合全球降水气候中心(global precipitation climatology centre, GPCC)降水数据探讨水储量与降水的关系。研究发现:(1)恢复泄漏信号后水储量变化呈现明显的空间差异性,大部分时段青藏高原正北和东南部水储量大幅盈余,正南和西南部水储量快速亏损,其空间特征与WGHM模型结果基本一致。(2)水储量时频谱分布以低频信号为主,其动态变化具有明显的季节性和阶段性变化,周年振幅达到7.5 cm。2003—2004年水储量增加速率为(3.9±4.9)cm/a;2005—2010年亏损速率为(-0.3±0.8)cm/a;2011—2014年上升速率为(0.2±1.6)cm/a。(3)降水是影响陆地水储量变化的主要因素,在降水明显偏少的2006年和2009年,水储量均存在明显负异常;在降水偏多的2010年,水储量显著回升。实验证明,该泄漏误差改正方法和研究结果对于区域水储量变化的定量研究具有重要参考价值。     

基于GRACE/GRACE-FO反演华北平原2002—2021年水储量变化

针对华北平原水资源分布不均的问题，该文利用2002年4月—2021年12月共237个月的重力恢复和气候实验(GRACE)卫星、GRACE-FO卫星重力数据对华北平原的水储量变化情况进行了研究，采用奇异谱插值填补GRACE与GRACE-FO间的空白期数据，并联合3家Mascon产品、全球陆面同化系统水文模型与全球降水气候中心降水数据进行综合性比较和分析，实现了对华北地区水储量时空变化情况的探究。结果表明，华北地区陆地水储量整体呈下降趋势，亏损速率为-0.927 6 cm/a,且具有明显的季节特征，与降水量的变化情况一致，经过相关性分析，GRACE、GRACE-FO与3个Mascon产品反演的水储量变化存在较高的相关性，相关系数均在0.89以上。     

应用遥感时序数据研究植被变化与气候因子的关系——以环渤海地区为例

在全球气候变化背景下研究陆地植被的时空变化规律,探讨气候因素的驱动作用,对于预测未来气候变化对生态系统的可能影响、制定合适的生态环境保护策略具有重要意义。利用2000—2009年MODIS归一化差值植被指数(normalized difference vegetation index,NDVI)时间序列数据和地面气象站点的气温、降水量数据,从遥感角度分析环渤海地区植被的时空变化,并研究变化与气温、降水的相关关系,探讨区域植被年内和年际变化的驱动因素。结果表明,2000—2009年环渤海地区植被覆盖总体呈增加的趋势,但存在一定的空间异质性,局部有减少的倾向;区域植被的生长受温度和降水的双重驱动,对降水和温度的响应存在明显的滞后,滞后期大约为1个合成期;年际的变化主要受降水和人类活动的影响,降水增加可使区域NDVI提高;不同的人类活动会导致NDVI向相反的方向发展。     

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。     

台州地区地下水储量变化的CORS网反演

为了突出连续运行基准站(CORS)网对地下水储量监测能力,该文基于CORS网的高精度大地高时间序列,联合大气、土壤水和海平面变化等地表质量负荷数据,根据地球负荷形变理论,采用移去恢复技术,反演了台州地区2017年1月-2019年6月的地下水储量变化,并与GRACE-FO监测结果进行对比.结果 表明:①CORS网反演的地下水储量具有明显的季节性与年际特征,秋冬季节地下水储量较少,春夏季节地下水储量增多,年变化幅度达到1000 mm.②在空间分布上,台州中东部地区及沿海地区变化量,比西北部的内陆地区变化量大.③与GRACE结果相比,除局部区域存在差异,整体上时空变化趋势具有较高一致性.在小区域的地下水储量反演中,CORS网具有可行性.     

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。     

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。     

基于GRACE的中国区域水储量变化研究

水是人类生活中广泛使用的重要资源,一旦开发利用不当,不仅会制约国民经济发展、破坏生态环境,还会引起水位持续下降、水质恶化和地面沉降等现象.而运用GRACE卫星时变重力场模型可以有效计算出陆地总水储量变化,同时结合相应水文模型还可以反演出地下水储量的变化,其相对于传统监测地下水方法具有简便、可以大范围进行监测以及预防由水储量变化引起的灾害等优势.针对水储量变化问题,采用GRACE重力卫星数据进行反演监测,将处理后的GRACE数据与GLDAS水文模型相结合,以反演中国地区的地下水储量变化趋势,结果表明:地下水储量变化与陆地总水储量变化趋势较为一致,且中国一半地区的地下水储量处于下降趋势,其中下降严重的有河北南部、新疆北部和云南北部等地区,最大变化速率分别达到了-1.72 cm/a、-2.44 cm/a和-3.01 cm/a.最后以陕西省与四川省的实测地下水数据来检验反演地下水变化的准确性,并分析降水与地下水变化的关系.     

联合GRACE与TRMM探测阿富汗水储量能力及其发生洪水的可能性

联合重力恢复和气候探测任务(gravity recovery and climate experiment,GRACE)确定的陆地水储量变化以及降水测量卫星任务(tropical rainfall measuring mission satellite,TRMM)提供的降水观测数据,探测局部地区发生洪水的可能性,是一种非常有用的遥测方法。本文提出了一种改进的方法来探测阿富汗陆地水储量能力及其发生洪水的可能性。首先,根据GRACE数据确定的陆地水储量变化获取改进的水储量不足,进而估计阿富汗水储量能力;其次,联合TRMM降水数据,建立阿富汗洪水因子模型;最后,将阿富汗洪水因子结果与中国气象局国家气候中心观测图进行对比。结果表明,洪水因子与中国气象局国家气候中心观测结果基本吻合,并从时间和空间角度真实地反应了阿富汗地区发生的洪水。因此,联合GRACE和TRMM卫星观测数据可探测阿富汗发生洪水的可能性,并为研究区域洪水预警提供了新的有利工具。