利用运动学轨道提高GRACE时变重力场解算

基于变分方程法,本文利用GARCE高精度K波段星间测速数据KBRR,结合德国格拉茨大学发布的运动学轨道和GFZ发布的简动力学轨道作为两种伪观测值,分别解算了2005-2010年60阶全球时变重力场模型Hust-IGG01与Hust-IGG02.通过与GRACE官方机构发布的模型和其他国际主流权威模型进行对比,发现基于运动学轨道结合KBRR解算的模型Hust-IGGO1优于基于简动力学轨道结合KBRR解算的模型Hust-IGG02:在重力场系数C_(20)时间序列的统计数据上,Hust-IGG01比Hust-IGG02更接近SLR结果,在如C_(60)、C_(70)、C_(80)以及C_(90)等重力场低阶项上的数学统计均更接近CSR RL05;Hust-IGG01的重力场系数误差分布和GFZ RL05在同一水平,而Hust-IGG02的误差估计过于乐观;Hust-IGG02在主要质量变化区域上存在5%~10%信号低估,而Hust-IGG01能完全达到国际主流机构利用GPS观测数据的解算水平,Hust-IGG01与官方机构CSR、JPL和GFZ最新模型在格陵兰岛的冰川消融年际趋势分别是-125.4、-125.4、-127.3、-124.3 Gt·a~(-1),在亚马逊流域的平均等效水高周年振幅分别是17.56、17.40、17.46、17.22 cm,在撒哈拉沙漠的平均等效水高均方差分别是0.87、0.77、1.10、0.87 cm;另外在Hust-IGG01的实际应用上,本文分析了全球32个主要流域质量变化的年际趋势、周年振幅和半周年振幅三种信号模式,统计结果显示Hust-IGG01与CSR RL05结果基本吻合.     

利用GRACE重力卫星观测数据反演全球时变地球重力场模型

本文基于短弧长法开发了一套由低轨卫星数据解算重力场的系统ANGELS（ANalyst of Gravity Estimation with Low-orbit Satellites）,成功用GRACE Level1B数据解算出全球时变重力场模型（第一版IGG-CAS系列模型）,并与国际三大知名重力卫星相关研究机构：美国德克萨斯大学空间中心CSR （Center for Space Research）、德国GFZ地学研究中心（GeoForschungsZentrum）和美国宇航局JPL喷气推进实验室（Jet Propulsion Laboratory）发布的全球时变重力场模型（RL05模型）进行了详细的比较分析.通过每阶大地水准面差距的对比结果表明,IGG-CAS模型的精度接近RL05模型的精度.对以上四家机构在2004-2010年的时变重力场模型经过相同的去条带和高斯滤波处理,可以发现四家GRACE反演陆地水时变信号的空间分布十分接近,在长江流域反演的陆地水时变信号,两两之间的相关系数均大于0.8.通过反演撒哈拉沙漠干旱地区的时变信号来评估反演的精度水平,IGG-CAS、CSR-RL05、GFZ-RL05和JPL-RL05反演结果的均方差分别为1.5 cm、1.1 cm、1.1 cm和1.2 cm等效水柱高.综合表明IGG-CAS时变重力场反演模型的精度接近于目前国外主要机构最新公布的时变重力场模型.     

联合星载GPS和KBRR星间测速数据反演GRACE时变重力场模型

高精度GRACE卫星时变重力场反演一直是卫星重力测量中的难题.为了恢复高精度的时变地球重力场模型,本文联合GRACE卫星的星载GPS和KBR星间测速观测数据,在对GRACE卫星进行精密定轨的同时,解算出60阶月平均地球重力场模型.通过对GRACE卫星的定轨精度、星载GPS相位和KBR星间测速数据的拟合残差以及时变地球重力场模型解算精度等分析,表明:(1)与美国宇航局喷气推进实验室(JPL)发布的约化动力学精密轨道相比,本文确定GRACE卫星轨道三维位置误差小于5 cm.(2)星载GPS相位数据拟合残差为5~8 mm,KBR星间测速数据拟合残差为0.18~0.30μm·s~(-1).(3)解算的月平均重力场模型与美国德克萨斯大学空间研究中心(CSR)、德国地学研究中心(GFZ)和JPL发布的RL05模型精度接近,时变信号在全球范围内具有很好的空间分布一致性.通过计算亚马逊流域和长江流域的水储量变化,本文与上述三个机构的计算结果无明显差异,且相关系数均达0.9以上.可见,本文建立的卫星轨道与重力场同解算法具有反演高精度GRACE时变重力场能力,为我国卫星重力场反演提供了重要的技术支持.     

利用径向基函数RBF解算GRACE全球时变重力场

本文利用GRACE(Gravity Recovery And Climate Experiment)level 1b数据和径向基函数RBF(radial basis function)方法解算了全球时变地球重力场.RBF基函数相比传统球谐(spherical harmonic)基函数,其高度的空域局部特性使得正则化过程易于添加先验协方差信息,从而可能揭示更加准确的重力场信号.本文研究表明,RBF基函数算法在精化现有的GRACE全球时变重力场模型,如提升部分区域信号幅度等方面具有一定优势.本文通过将RBF的尺度因子作为待解参数,基于GRACE卫星的Level 1b数据和变分方程法,成功获取了2009-2010年90阶无约束全球时变重力场RBF模型Hust-IGG03,以及正则化全球时变重力场RBF模型Hust-IGG04.通过与GRACE官方数据处理中心GFZ发布的最新90阶球谐基时变模型RL05a进行对比,结果表明:(1)无约束RBF模型Hust-IGG03和GFZ RL05a在空域和频域表现基本一致;(2)正则化RBF模型Hust-IGG04无需进行后处理滤波已经显示较高信噪比,噪音水平接近于球谐基模型GFZ RL05a经400 km高斯滤波后的效果;(3)HustIGG04相比400 km高斯滤波GFZ RL05a在周年振幅图和趋势图上显示出更多的细节信息,并且呈现出更强的信号幅度,如在格陵兰冰川融化趋势估计上Hust-IGG04比GFZ RL05a提高了24.2%.以上结果均显示RBF方法有助于进一步挖掘GRACE观测值所包含的时变重力场信息.     

利用广义三角帽方法评估GRACE反演中国大陆地区水储量变化的不确定性

在无真实观测值的情况下,本文利用广义三角帽方法评估了五种GRACE时变重力场模型（CSR、GFZ、GRGS、HUST发布的球谐系数解和JPL发布的Mascon解）反演中国大陆地区2003-2013年水储量变化的不确定性.研究结果表明,CSR、GFZ、JPL、HUST和GRGS反演月水储量变化不确定性的区域平均RMS分别为14.4 mm、26.3 mm、25.3 mm、26.6 mm和56.1 mm,其中GRGS的结果未恢复泄漏信号;在季和年尺度上,模型的不确定性均小于月尺度;扣除周期和趋势信号后,各模型反演结果更为一致.除长江流域外,CSR在13个流域的不确定性均小于其他模型,GRGS反演各流域水储量变化的不确定性通常较大,且可能高估了温带大陆性气候地区水储量的波动;CSR和JPL的不确定性受流域周边水文特征、气候类型、流域面积和形状的影响相对较小,不确定性变化范围分别为2.3~17.1 mm和5.6~22.5 mm,GFZ和HUST受影响较大,不确定性变化范围分别为5.5~35.1 mm和4.0~40.6 mm.本文的研究结果为GRACE产品不确定性评估提供了新的途径,为GRACE时变重力场模型的选取提供参考.     

基于GRACEKBRR数据的动力积分法反演时变重力场模型

基于动力积分法恢复了一组60阶的时变重力场模型WHU-Grace01s,且在位系数解算过程中仅使用KBRR数据.通过与CSR、GFZ和JPL发布的Release 05模型的阶方差和位系数误差谱对比可知,WHU-Grace01s模型在高阶次部分的阶方差较小,且对轨道共振现象不敏感.将WHU-Grace01s时变重力场模型与CSR、GFZ、JPL、DEOS、Tongji、ITG、AIUB和GRGS等8家机构发布模型通过相同的滤波处理,获得了全球地表质量变化的时空分布,从结果可以看出:各个模型计算的时变信号在空域上分布十分接近,且WHU-Grace01s模型计算的太平洋中心和撒哈拉沙漠区域的质量变化较小;对比几个典型质量变化区域,WHU-Grace01s模型和JPL模型计算的长江流域和珠江流域时变信号呈强相关,其相关系数分别为0.948和0.976,且与上述8个模型计算的两个流域时变信号的相关系数均达到0.9以上;在南极区域和格陵兰岛,WHU-Grace01s模型和其他各个模型均能反映区域冰川质量的积累或消融,且各模型计算获得的长期趋势变化结果相当.研究结果表明,WHU-Grace01s模型和国内外已发布机构模型具有很好的一致性,且受到轨道共振影响较小.     

卫星跟踪卫星技术反演局部地表物质迁移的MASCON方法研究

MASCON方法是直接利用GRACE任务的卫星跟踪卫星技术研究地表浅层物质运动的一种有效技术手段.该方法相较Stokes球谐系数法在一定程度上克服了时变信号的滤波问题,能有效解决该方法时变重力场的南北条带效应.本文在对现有MASCON方法深入研究的基础上对其进行了改进,提出引入卫星精密轨道作为观测值,联合高低跟踪和低低跟踪两类观测数据,实现MASCON参数及有关动力学模型参数求解的思路,在不影响时变信号主要由星间距离变率观测值提供的前提下,采用方差分量估计方法合理定权,充分利用轨道数据的绝对基准作用,用一种改进的途径实现了MASCON方法.利用2008年GRACE的卫星重力观测数据,获得了亚马逊地区的地表物质迁移结果,并与GLDAS水文模型、CSR RL05球谐系数和JPL MASCON方法计算的水储量变化进行比较,表明一致性较好,验证了本文所提MASCON方法解算思路的可靠性,该方法为研究局部地区的地表物质迁移提供了一种可行手段.     

基于半解析法有效和快速估计GRACE全球重力场的精度

首先基于半解析法建立了新的GRACE卫星K波段测量系统星间测速、GPS接收机轨道位置和加速度计非保守力误差联合影响累计大地水准面的误差模型;其次,基于各关键载荷精度指标的匹配关系,论证了误差模型的可靠性;最后,基于美国喷气动力实验室（JPL）公布的2006年的GRACE Level 1B实测误差数据,有效和快速地估计了120阶全球重力场的精度,在120阶处累计大地水准面的精度为18.368 cm,其结果和德国地学研究中心（GFZ）公布的EIGEN-GRACE02S全球重力场模型符合较好. 本文的研究为将来国际卫星重力测量计划（如GRACE Follow-On, 360阶）中高阶全球重力场模型精度的有效和快速估计提供了理论基础和计算保证.     

GRACE卫星关键载荷实测数据的有效处理和地球重力场的精确解算

首先对美国喷气推进实验室（JPL）公布的2007-06-01～2007-12-31时间段内的GRACE Level 1B卫星GPS轨道位置和速度、K波段系统星间速度、加速度计非保守力以及恒星敏感器姿态实测数据对应进行了轨道拼接、粗差探测、线性内插、重新标定、坐标转换、误差分析等有效处理;其次,基于改进的能量守恒法恢复了120阶GRACE地球重力场,在120阶处累计大地水准面精度为25.313 cm;最后,检验了本文地球重力场模型IGG-GRACE的可靠性,同时分析了IGG-GRACE解算精度在低频部分略优于德国波兹坦地学研究中心（GFZ）公布的EIGEN-GRACE02S地球重力场模型,而在中高频部分略低的原因.     

基于主成分分析的GRACE重力场模型等效水高

本文使用主成分分析在空间域提取GRACE重力场模型的等效水高,假设信号与噪声之间统计不相关,把由CSR、GFZ和JPL的GRACE重力场模型计算得到的等效水高值作为统计量,通过线性变换来分离信号和噪声.选择2007年3月份GRACE重力场模型作为实验,在直接分离没有取得预期结果后,对GRACE作半径为300km、400km和500km的高斯平滑,然后利用主成分分析得到了3个模式.结果显示,3种平滑半径下,主成分的第1模式的贡献率分别为79%、90%和93%.从主成分3个模式的统计结果以及等效水高图判断,第1模式对应于水文变化信号,其他2个模式为南北条带状噪声.由主成分的第1模式估算了CSR、GFZ和JPL的等效水高,与经验去相关方法进行了对比,结果较为一致.2010年12个月的结果显示,第1模式的贡献率不仅与平滑半径有关,而且与时间有关.     

Low-degree gravity change from GPS data of COSMIC and GRACE satellite missions

This paper demonstrates estimation of time-varying gravity harmonic coefficients from GPS data of COSMIC and GRACE satellite missions. The kinematic orbits of COSMIC and GRACE are determined to the cm-level accuracy. The NASA Goddard's GEODYN II software is used to model the orbit dynamics of COSMIC and GRACE, including the effect of a static gravity field. The surface forces are estimated per one orbital period. Residual orbits generated from kinematic and reference orbits serve as observables to determine the harmonic coefficients in the weighted-constraint least-squares. The monthly COSMIC and GRACE GPS data from September 2006 to December 2007 (16 months) are processed to estimate harmonic coefficients to degree 5. The geoid variations from the GPS and CSR RL04 (GRACE) solutions show consistent patterns over space and time, especially in regions of active hydrological changes. The monthly GPS-derived second zonal coefficient closely resembles the SLR-derived and CSR RL04 values, and third and fourth zonal coefficients resemble the CSR RL04 values.     

Mass loss of the Greenland ice sheet from GRACE time-variable gravity measurements

The Gravity Recovery and Climate Experiment (GRACE) satellite data is used to estimate the rate of ice mass variability over Greenland. To do this, monthly GRACE level 2 Release-04 (RL04) data from three different processing centers, Center for Space Research (CSR), German Research Center for Geosciences (GFZ) and Jet Propulsion Laboratories (JPL) were used during the period April 2002 to February 2010. It should be noted that some months are missing for all three data sets. Results of computations provide a mass decrease of −163 ± 20 Gigaton per year (Gt/yr) based on CSR-RL04 data, −161 ± 21 Gt/yr based on GFZ-RL04 data and −84 ± 26 Gt/yr based on JPL RL04.1. The results are derived by the application of a non-isotropic filter whose degree of smoothing corresponds to a Gaussian filter with a radius of 340 km. Striping effects in the GRACE data, C₂₀ effect, and leakage effects are taken into the consideration in the computations. There is some significant spread of the results among different processing centers of GRACE solutions; however, estimates achieved in this study are in agreement with the results obtained from alternative GRACE solutions.     

基于GRACE卫星RL05数据的南极冰盖质量变化分析

CSR(Centre for Space Research)最近发布了RL05数据,其空间分辨率、精度和周期变化特性等都优于RL04数据.本文采用300 km的扇形滤波及P5M11去相关滤波削弱南北条带等重力场模型误差,并采用Paulson2007模型进行冰川均衡模型改正,利用CSR RL05与RL04数据计算分析了南极2002年到2012年的质量变化序列及其变化趋势的空间分布特性,并选取8个特征点进一步分析了其质量变化序列.同时,对CSR、JPL(Jet Propulsion Laboratory)、GFZ (GeoForschungsZentrum)三个机构发布的RL05数据采用相同的滤波方法进行计算,得到整个南极的质量变化分别为-195.7±20.5 Gt/a、-203.8±23.1 Gt/a、-133.2±29.9 Gt/a,对全球海平面变化的影响分别为0.54±0.06 mm/a、0.56±0.06 mm/a、0.37±0.09 mm/a.     

Equivalent water height extracted from GRACE gravity field model with robust independent component analysis

The Level-2 monthly GRACE gravity field models issued by Center for Space Research (CSR), GeoForschungs Zentrum (GFZ), and Jet Propulsion Laboratory (JPL) are treated as observations used to extract the equivalent water height (EWH) with the robust independent component analysis (RICA). The smoothing radii of 300, 400, and 500 km are tested, respectively, in the Gaussian smoothing kernel function to reduce the observation Gaussianity. Three independent components are obtained by RICA in the spatial domain; the first component matches the geophysical signal, and the other two match the north-south strip and the other noises. The first mode is used to estimate EWHs of CSR, JPL, and GFZ, and compared with the classical empirical decorrelation method (EDM). The EWH STDs for 12 months in 2010 extracted by RICA and EDM show the obvious fluctuation. The results indicate that the sharp EWH changes in some areas have an important global effect, like in Amazon, Mekong, and Zambezi basins.     

Glacial isostatic adjustment in Fennoscandia from GRACE data and comparison with geodynamical models

The Earth’s gravity field observed by the Gravity Recovery and Climate Experiment (GRACE) satellite mission shows variations due to the integral effect of mass variations in the atmosphere, hydrosphere and geosphere. Several institutions, such as the GeoForschungsZentrum (GFZ) Potsdam, the University of Texas at Austin, Center for Space Research (CSR) and the Jet Propulsion Laboratory (JPL), Pasadena, provide GRACE monthly solutions, which differ slightly due to the application of different reduction models and centre-specific processing schemes. The GRACE data are used to investigate the mass variations in Fennoscandia, an area which is strongly influenced by glacial isostatic adjustment (GIA). Hence the focus is set on the computation of secular trends. Different filters (e.g. isotropic and non-isotropic filters) are discussed for the removal of high frequency noise to permit the extraction of the GIA signal. The resulting GRACE based mass variations are compared to global hydrology models (WGHM, LaDWorld) in order to (a) separate possible hydrological signals and (b) validate the hydrology models with regard to long period and secular components. In addition, a pattern matching algorithm is applied to localise the uplift centre, and finally the GRACE signal is compared with the results from a geodynamical modelling. The GRACE data clearly show temporal gravity variations in Fennoscandia. The secular variations are in good agreement with former studies and other independent data. The uplift centre is located over the Bothnian Bay, and the whole uplift area comprises the Scandinavian Peninsula and Finland. The secular variations derived from the GFZ, CSR and JPL monthly solutions differ up to 20%, which is not statistically significant, and the largest signal of about 1.2 Gal/year is obtained from the GFZ solution. Besides the GIA signal, two peaks with positive trend values of about 0.8 Gal/year exist in central eastern Europe, which are not GIA-induced, and also not explainable by the hydrology models. This may indicate that the recent global hydrology models have to be revised with respect to long period and secular components. Finally, the GRACE uplift signal is also in quite good agreement with the results from a simple geodynamical modelling.