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.     

2005—2017年两次强ENSO事件对中国区域陆地水储量变化影响的卫星重力观测

近年来极端气候事件的频发对全球和区域性水循环产生了重大影响,特别是2005—2017年间两次强ENSO(El Nino-Southern Oscillation)事件使得全球陆地水储量出现了较大的年际波动.GRACE(Gravity Recovery and Climate Experiment)重力卫星随着数据质量的提高、后处理方法的完善和超过十年的连续观测,捕捉陆地水储量异常的能力明显提高,这为研究2005—2017年间两次强ENSO事件对中国区域陆地水储量变化的影响提供了观测基础.本文综合利用GRACE卫星重力数据、GLDAS水文模型和实测降水资料分析了中国区域陆地水储量年际变化和与ENSO的关系.研究发现:长江流域中、下游地区和东南诸河流域与ENSO存在较高的相关性,与ENSO的相关系数最大值分别为0.55、0.78、0.70,较ENSO分别滞后约7个月、5个月和5个月.其中长江流域下游地区与ENSO的相关性最强,2010/11 La Nina和2015/16 El Nino两次强ENSO事件使得陆地水储量分别发生了约-24.1亿吨和27.9亿吨的波动.在2010/11 La Nina期间,长江流域下游地区和东南诸河流域陆地水储量异常约在2011年4—5月达到谷值,而长江流域中游地区晚1~2月达到谷值.在2015/16 El Nino期间,长江流域中、下游地区和东南诸河流域陆地水储量从2015年9月到2016年7月持续出现正异常信号.其中,2015年秋冬季(2015年9月至2016年1月)陆地水储量异常明显是受此次El Nino同期影响的结果;2016年春季(4—5月)陆地水异常是受到此次厄尔尼诺峰值的滞后影响所致;2016年7月的陆地水储量异常则与西北太平洋存在的异常反气旋环流有关.     

下一代重力卫星任务研究概述与未来展望

近20年来,利用重力卫星研究地球系统的质量分布得到了广泛的发展,使人类对发生在大气、水圈、海洋、极地冰盖等地球圈层的动态过程有了更为深刻的理解。现阶段重力卫星主要包括挑战性小卫星有效载荷计划、地球重力场恢复及气候探测计划（gravity recovery and climate experiment,GRACE）,地球重力场稳态海洋环流探测计划和GRACE后续任务,回顾其发展历程,简要说明其在地球重力场解算的研究进展及存在的问题。为了改善现阶段重力卫星的缺点,国际上各研究机构为下一代重力卫星任务（next generation gravity mission,NGGM）提出众多远景规划和模拟分析,梳理了国际上提出的12种下一代重力卫星任务的任务概念、预期精度及任务状态。为了更加清晰介绍NGGM和整体把握其进展,根据星座构型和卫星载荷技术将其划分为4类,即Sharifi型重力卫星星座、Bender型重力卫星星座、星链型重力卫星星座和量子型重力卫星星座,并综合分析其性能,尝试性地给出相应的参考性实施建议。     

星间距离影响GRACE地球重力场精度研究

利用改进的能量守恒法,基于不同星间距离反演了120阶GRACE地球重力场.模拟结果表明:第一,基于相同的GRACE核心载荷精度指标反演长波(L≤20阶)地球重力场时,随着星间距离逐渐增大(110～330 km),累计大地水准面的精度依次提高.在20阶处,基于110 km星间距离反演精度为0.052 cm,基于220 k...     

时间序列数字滤波后自由度的确定--应用于日长变化与南方涛动指数的相关分析

原始观测时间序列进行数字滤波后，其自由度将大大降低，对各种数字滤波器都可以通过Monte Carlo方法模拟获得对应置信水平的相关系数临界值，从而得到时间序列滤波后的自由度，如果滤波后的频段宽度与Nyquist频率之比为Z，那么对于理想的单边和双边滤波器，时间序列滤波后的自由度为原始值的Z／2和Z倍，非理想滤波器一般不符合此规律。     

全球地表水储量再分布对周年极移的激发

利用全球降水和蒸发观测同化资料以及国际大气模式比较计划和国际大气海洋耦合模式比较计划中的陆面过程数值模式，计算比较了地表水储量角动量变化对周年极移的激发，分析结果表明基于3种资料的地表水储量角动量变化对极移周年正向频率的激发约占大气周年正向激发的10%至25%，研究结果尽管显示大气，海洋和地表水的综合周年正向激发与极移测地周年正向激发十分相近，鉴于海洋角动量数值分析的差异和目前对全球水循环观测的水准以及对水循环平衡问题有限的理解，仍然期待更为客观的全球海洋，陆面动力过程和数值分析方法用于完善全球地表水储量变化对周年极移激发的研究。     

日长季节振荡的振幅变化与南方涛动现象

本文提出了小波振幅谱的定义,给出了其在频域的表达式及频域周期与Fourier周期之间的线性关系。通过与谐波分析比较,证明了小波振幅谱应用的有效性。应用小波振幅谱研究了日长季节振幅变化与南方涛动之间的关系,结果表明日长周年振荡的振幅变化与南方涛动的年际变化呈明显负相关,而日长半年振荡的振幅变化与其呈更强的正相关。     

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基于SWBD修复的SRTM DEM的1∶250000水系自动更新——以浙江省瓯江流域为例

以浙江省瓯江流域为例,基于SWBD修复的SRTM DEM数据,采用Arc Hydro Tools水文分析工具自动提取瓯江水系,并分地貌、分河流等级地定量评价水系数据精度,开展1∶250 000水系自动更新的可行性研究。结果表明：①SWBD修复的SRTM DEM的空白区域面积为54.78 km2,有效地弥补了SRTM DEM的数据缺失,进而提高了水系提取的准确度和精度;②与1∶250 000水系数据相比,基于SWBD修复后的SRTM DEM,在小起伏山、中起伏低山、低海拔丘陵上提取的水系数据精度高于其他地貌,而干流、一级支流、二级支流的精度又高于三级支流;③以资源三号卫星ZY-3遥感影像为参照,从水系上采集同名点反复比较点位精度后发现,利用SRTM DEM提取的水系符合制图规范和测绘内业规范（限差1 mm）,可以满足1∶250 000水系自动更新的要求。     

基于下一代四星转轮式编队系统精确和快速反演FSCF地球重力场

第一,由于重力卫星编队轨道的稳定性设计是建立下一代高精度和高空间分辨率地球重力场模型的关键,因此为保证下一代四星转轮式编队系统的稳定性,轨道根数的最优设计如下:(1)轨道半长轴a、轨道偏心率e、轨道倾角i和升交点赤经Ω保持不变;(2)每对卫星的近地点幅角ω和平近点角M分别相差180°;(3)初始近地点辐角ω设置于赤道处,初始平近点角M设计于极点处;(4)卫星编队系统椭圆轨道的半长轴和半短轴之比为2:1. 第二,基于下一代四星转轮式编队系统,利用星间速度插值法,通过相关系数(激光干涉测量系统的星间速度0.85、GPS接收机的轨道位置和轨道速度0.95、星载加速度计的非保守力0.90)、观测时间30天和采样间隔10 s,反演了120阶FSCF-1/2/3/4(Four-Satellite Cartwheel Formation)地球重力场,在120阶处累计大地水准面精度为1.162×10^-4 m,较目前GRACE地球重力场精度至少提高一个数量级. 第三,下一代四星转轮式编队系统具有低轨道高度、高精度测量、全张量观测、弱混频效应和强时变信号的优点.