GRACE卫星的冰川消融与水储量变化探讨

针对青藏高原地区的冰川消融会影响发源于该地区的长江流域水储量变化这一情况,该文对二者的相关性进行深入研究。基于GRACE卫星2004—2010年重力数据,联合水文模型,利用水量平衡法,计算得到青藏高原地区冰川消融的平均速率为0.369cm/a,表明青藏高原冰川正在以较大速率消融;进而反演建立青藏高原和长江流域两个区域质量变迁的时间序列,计算得到两个区域的平均变化速率分别为-0.095cm/a和0.381cm/a,表明青藏高原地区的质量在以缓慢的速率减少,而长江流域水储量具有逐年增加的趋势且变化速率更大;最后通过分析计算结果,得出青藏高原地区冰川消融对长江流域水储量变化的贡献占其整个水量变化的20%。     

联合GPS和GRACE研究青藏高原南部地区垂直形变的季节性波动

利用青藏高原南部地区GPS站点近10 a（2004年至2014年）的观测资料,结合重力场恢复与气候实验卫星（Gravity Recovery and Climate Experiment,GRACE）同时期观测数据反演得到的该区域水文负荷变化引起的垂向位移,发现该地区利用GPS和GRACE获取的垂向位移时间序列存在一定相关性,多数站点的相关系数在0.7左右,特别是沿喜马拉雅造山带区域内的站点相关性更高;此外,大部分站点（例如CHLM、KKN4）拟合的周期项振幅和相位也较为一致。计算GRACE估算垂直信号改正GPS结果前后的加权均方根误差（weighted root mean square,WRMS）,并定义R_WRMS来表征GRACE改正GPS垂向季节性波动的有效性,其数值越接近1表明GPS和GRACE数据具有越大的一致性。研究发现GPS站点的R_WRMS有明显差异:最大和最小值分别是0.96（TPLJ）和0.24（XZGE）,平均值为0.64,这与青藏高原南部地区垂直运动的复杂性有关,存在多种因素（构造运动、冰川均衡调整、大气和非潮汐海洋负荷,水文负荷、GPS交点年误差等）的共同作用。     

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。     

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.     

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。     

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。     

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...     

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GRACE改正GPS测站垂直方向的周期变化

处理青藏高原南部GPS站点多年的观测资料,结合地球重力场恢复和气候实验(gravity recovery and climate experiment,GRACE)数据反演得到的该区域地表质量变化引起的垂直方向变化值,发现该地区GPS观测的垂直方向时间序列与GRACE反演的地表垂向位移存在较大的相关性,多数站点的相关性在80%以上,部分站点的相关性甚至达到了95%以上。进一步研究发现,GPS和GRACE两种空间大地测量技术获得的时间序列存在较为明显的周期性周期变化,并且振幅和相位较为一致,利用GRACE改正GPS垂向观测值并定量计算其有效性。     

基于旋转模型的青藏高原重力变化研究

用数值模拟方法研究了地壳旋转运动与空间重力变化的关系,得出地壳划分的长方体的旋转运动引起的重力变化呈中心对称分布。青藏高原地区的研究资料表明,该区域绕青藏高原东构造存在顺时针旋转运动。文中结合该地区的数字高程以及GPS观测速率数据,计算了青藏高原块体旋转运动引起的重力变化,并与GRACE卫星重力观测结果进行了对比分析。