GRACE反演南极冰盖质量变化的高斯与Wiener滤波比较

本文利用UTCSR 2003年1月到2008年8月间的GRACE Level-2 RL04重力场模型估计了南极冰盖质量变化。计算过程中分别采用高斯和Wiener滤波两种平滑方法,分别采用22、43和65个月重力场模型计算Wiener滤波信号与噪声函数,得出以下结论:在实际的计算过程中需要具体计算Wiener滤波平滑因子值,65个月GRACE重力场模型计算得到的Wiener滤波权值非常接近于平滑半径为540km高斯滤波权值;采用两种不同的滤波方法在相同区域质量变化率基本相同。     

各向异性组合滤波法反演陆地水储量变化

地球时变重力场模型反演陆地水储量变化已为全球气候变化研究作出巨大贡献,考虑到时变重力场模型球谐系数中存在相关性,其高阶次项具有较大的误差,需采用最优的滤波方法进行空间平滑。本文提出一种新的各向异性组合滤波方法,其基本思想是将改进的高斯滤波法与均方根(root mean square,RMS)滤波法组合,即对球谐系数的低阶次采用改进的高斯滤波法,而高阶次采用RMS滤波法。首先分析了最新的GRACE RL05系列时变重力场模型系数误差特性,基于全球水储量变化反演结果,分析比较了高斯滤波、改进的高斯滤波、RMS滤波和DDK滤波与本文提出的组合滤波法的有效性及精度,并利用模型结果进行了验证,计算结果表明,组合滤波法的中误差最小。研究结果表明,本文提出的组合法相比于先前的滤波方法,可有效地过滤高阶次的噪声,消除南北条带误差,同时减少信号泄漏,提高信噪比,保留更多有效的地球物理信号,进而提高反演精度。     

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。     

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。     

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。     

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。     

多通道奇异谱组合滤波反演水储量变化

针对GRACE时变重力场球谐系数的高阶次项中含有的较高噪声会造成反潢结果产生误差的问题,该文采用多通道奇异谱分析和高斯滤波相结合的方案来滤除GRACE数据中的噪声,并与普遍使用的去相关滤波和高斯滤波相结合的方案进行了对比验证。首先利用这两种方法分别计算了2007年4、10月份的全球水储量变化,结果显示,这两种方法反演的结果基本相同,而多通道奇异谱分析与高斯滤波相组合的方法提高了信噪比,减弱了信号泄露误差,验证了该组合方案的可行性。然后又分别计算了亚马逊流域2004—2010年的水储量时间变化序列,并与GLDAS水文模型进行了对比验证,结果显示,这两种方法得到的水储量时间序列变化趋势基本相同,各自之间具有强相关性,进一步说明了该文方案在GRACE数据滤波中的可行性。     

GRACERL05反演南极冰盖质量变化方法比较

利用UTCSR发布的2003-01~2013-07GRACE RL05月平均重力场模型,分析比较了高斯滤波、各向异性滤波、扇形滤波和维纳滤波,并结合去相关滤波在反演南极地区冰盖质量变化方面的差异。通过计算得到以下结论:1基于121组重力场模型阶方差分布得到维纳滤波与半径为300km的高斯滤波效果最为接近,说明300km滤波半径完全可以满足质量变化信号的提取;2在一定范围内,提高滤波半径能提高反演结果信噪比,建议南极区域的滤波半径为500km;采用相同滤波半径,不同空间滤波算法计算的质量变化率基本一致,在南极区域可以选取任一滤波方法;3与其他算法相比,去相关滤波算法能在一定程度消除球谐系数中存在的系统误差,改善反演结果。     

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。     

利用GRACE反演长江流域水储量变化

利用GRACE重力卫星2003年1月～2006年9月共计43个月的时变重力场数据,反演了长江流域水储量的变化.结果显示,基于GRACE数据的反演结果和CPC模型符合得相当好;若考虑低阶项的影响,对GRACE的反演结果有很明显的改进.     

GRACE时变重力场各向异性高斯组合滤波方法

受测量误差等因素影响，直接使用GRACE时变重力场模型的地表质量变化反演结果呈现严重条带噪声，必须采用滤波消除。本文对不同滤波方法进行了试验分析，以信噪比最大为准则，确定了不同滤波方法的最优滤波参数，并在此基础上提出了一种各向异性组合滤波方法。该方法根据时变重力场模型球谐系数误差特性，结合各向异性高斯滤波和均方根滤波特点，对精度较高的低次项系数采用较大权重以保留更多有效信号，而对精度较差的高次项系数采用较小权重以压制噪声。不同于传统的两步法组合滤波，该方法仅需进行一步滤波处理。试验结果表明，本文提出的各向异性组合滤波方法计算步骤简单，能够有效消除条带噪声；与单一滤波和传统两步法组合滤波方法相比，提高了反演结果信噪比，保留了更多真实信号。     

采用点质量模型方法反演中国大陆及周边地区陆地水储量变化

研究了反演区域陆地水储量变化的点质量模型方法,采用Tikhonov正则化方法解决了反演过程中参数估计病态问题。利用GRACE（gravity recovery and climate experiment）时变重力场模型数据,用点质量模型方法反演了中国大陆及其周边地区陆地水储量变化,将点质量模型反演结果与球谐系数法反演结果、GLDAS（global land data assimilation）水文模型数据进行了验证分析,并选取了4个特征点计算了陆地水储量变化时间序列。实验结果表明,由于点质量模型方法将研究区域内不同网格质量变化对地球重力场的影响分离开来,所得区域陆地水储量变化局部信号更明显,并且点质量模型方法反演结果与GLDAS水文模型数据相关性更强。     

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。     

GRACE时变重力场滤波方法研究

用3种不同的滤波方法获得了2007年相对于2005年的卫星重力变化图像,并与同期地面重力测量的结果进行比较,对比分析GRACE月重力场滤波方法的优缺点。结果表明,去相关平滑滤波算法优于高斯滤波和直接截断法,且去相关平滑滤波DDK5处理得到的卫星重力动态变化图像与地面观测结果符合最好,表明GRACE卫星时变重力场可以用来分析大区域重力动态变化。     

GRACE时变重力场滤波方法研究北大核心CSCD

用3种不同的滤波方法获得了2007年相对于2005年的卫星重力变化图像,并与同期地面重力测量的结果进行比较,对比分析GRACE月重力场滤波方法的优缺点。结果表明,去相关平滑滤波算法优于高斯滤波和直接截断法,且去相关平滑滤波DDK5处理得到的卫星重力动态变化图像与地面观测结果符合最好,表明GRACE卫星时变重力场可以用来分析大区域重力动态变化。     

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...     

时变重力场的非各向同性高斯滤波比较

使用GRACE反演地球表层的质量异常,其结果取决于构造的平滑函数即滤波方法。本文阐述了两种在经典高斯滤波基础上构造的Fan滤波和Non-isotropic Gaussian(Non)滤波,两者均对GRACE的阶和次起作用。在同一阶下,两者的权重随着次数的升高而衰减,但衰减的趋势不同,比如在20阶时,Fan滤波呈抛物线变化,而Non滤波则为线性衰减;在40和60阶,两者均呈抛物线变化。使用CSR发布的GRACE Level-2 RL05数据反演地表质量异常,两者的结果相近。     

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.     

利用GRACE数据探测长江流域水储量变化

利用2003年1月至2012年4月间109个月的GRACE时变卫星重力数据,反演得到了长江流域的陆地水储量变化,并对三个典型区域的水储量变化做了分析。结果显示GRACE数据能有效揭示长江流域水储量变化的季节性变化及其长期的变化趋势,流域内的水储量变化受气候因素的影响较大。     

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。