利用GPS与GRACE监测陆地水负荷导致的季节性水平形变：以喜马拉雅山地区为例

地表陆地水负荷变化是引起重力场和地壳形变呈现季节性特征的主要因素,并且能够利用地表及空间大地测量技术对其进行有效的监测.本文通过对质量负荷形变效应的理论模拟,描述了水平分量的形变指向以及垂直与水平分量的幅值比可以提高对负荷区域的辨别程度,并且联合GPS坐标时间序列及GRACE模型对喜马拉雅山地区的季节性负荷形变进行了详细对比分析,研究结果显示两者垂直分量的季节性变化具有较好的一致性,且GPS周年项幅值要大于GRACE.而由GRACE解算得到的水平分量结果表明该地区季节性形变主要受东南亚及印度东北部地区的陆地水负荷控制,位于喜马拉雅山地区多数GPS台站的垂直分量及北向分量的初相位与GRACE模型解算结果相近,而部分GPS台站的东向分量与GRACE模型存在明显不同,由此导致GPS与GRACE监测到的形变指向存在差异.通过对GRACE估算精度以及GPS垂直与水平分量幅值比的深入分析,发现GPS对局部周边地区的河流、谷地及农田灌溉等负荷变化造成的形变效应较为敏感,而GRACE由于截断阶次及平滑滤波等影响因素,不仅造成在水平分量上的分辨率远低于垂直分量,而且整体估算精度要低于GPS观测得到的形变信息.     

塔里木河流域水储量变化及绿洲生态安全评估

绿洲是干旱、半干旱地区最具生态敏感性和独特性的景观类型,是维系人类生存和社会经济发展的重要区域。然而,在气候变化与人类活动双重影响下,干旱区水资源及其绿洲生境正发生剧烈变化。基于2000—2020年MODIS、GRACE卫星数据、土地利用数据和气象观测资料,通过计算植被覆盖度,估算植被初级生产力(NPP)和遥感生态指数(RSEI),系统分析了过去20 a塔里木河(简称塔河)流域陆地水储量和绿洲的动态变化并完成了绿洲区生态安全评估。结果表明：(1)2002—2020年塔河流域陆地水储量以0.27 mm·月^-1的速率减少,空间上塔河流域陆地水储量在北部和西部区域显著减少,而在南部区域显著增加。(2)2000—2020年塔河流域绿洲面积显著增加,面积增加6.49%(0.42×10⁴km²)。塔河流域整体生态环境呈转好趋势,生态等级由较差级别转为中等级别,生态改善区占总流域面积的69%,而生态退化区面积不足5%。塔河流域归一化植被指数(NDVI)由2000年的0.13增至2020年的0.16,近20 a植被覆盖度增加36.79%...     

GRACE监测青藏高原及邻区陆地水储量变化结果的可变性

结合4种不同的去相关滤波和2种平滑滤波,利用5组GRACE数据反演了青藏高原及邻区陆地水储量变化趋势,研究了结果的可变性。结果表明,采用S&W（P2M8）变宽度滑动窗口去条带效果较好,其结果中的湖水、冰川信号与卫星测高观测的信号位置具有较好的一致性。高斯滤波的异常幅值与扇形滤波相差10%~30%,平滑处理后异常幅值减少,观测分辨率降低,部分湖和冰川信号甚至消失。CSR/GFZ/JPL重力场模型反演的结果相近,但CSR去条带效果最好;JPL质量模型MAS/MAS_S的结果也相近,但在高原西部有较大差异。重力场模型与质量模型的结果相差很大。在利用GRACE卫星监测本地区陆地水储量变化时,推荐使用S&W（P2M8）去条带滤波器、CSR重力场模型数据。     

气候变化和人类活动对长江流域水储量变化的影响研究

利用2002-08～2016-12 GRACE数据扣除泄漏影响得到的长江流域陆地水储量（TWS）变化,分析其时空变化特征和趋势。结果表明,在此期间长江流域TWS增速为0.13±0.12 cm/a;TWS变化大的区域,如泄漏改正后三峡库区TWS变化由约10 mm/a变为15~20 mm/a,并呈现更大的空间异质性。利用多种气象数据,从气候变化和人类活动角度深入研究长江流域水循环变化。结果表明,降水量与TWS变化在时间和空间上都具有较高的相关性,TWS变化延迟1~2个月;上游源头处温度是影响TWS变化的主导因素,温度升高加速了上游高山冰川融化,使TWS具有增长趋势;三峡工程的蓄水也导致TWS变化;ENSO是长江流域TWS变化的主要影响因素。     

改进的GRACE约束正演法及其在尼皮贡湖陆地水储量变化估计中的应用

准确估计北美尼皮贡湖的陆地水储量(Terrestrial Water Storage, TWS)变化对该区域水资源调控具有重要意义.GRACE和GRACE-FO时变重力场被广泛用于定量估计TWS变化,然而截断与滤波处理会削弱信号幅度,造成信号泄漏.对于小区域尺度的研究,该现象尤为显著.约束正演法能减小泄漏误差,但是面对多质量块,传统迭代策略的收敛性能受初值影响大.为此,本文采用多个质量块分批迭代的策略,改进约束正演法在尼皮贡湖的收敛性能.模拟实验结果表明,在无偏差空间约束下,本文方法与逐格网点同时迭代和多个质量块同时迭代的策略相比,在尼皮贡湖区域绝对偏差的均方根分别降低了2.27 mm·a^-1和1.77 mm·a^-1.进一步,利用改进方法估计尼皮贡湖TWS变化,并与卫星测高数据进行对比.研究结果表明,本文方法显著降低了尼皮贡湖TWS的信号泄漏影响,恢复后的TWS信号幅度约为逐格网点同时迭代和多个质量块同时迭代策略的1.2倍.经泄漏改正后,GRACE/GRACE-FO反演的尼皮贡湖TWS与卫星测高水位变化时间序列的长期趋势相吻合.本文可为研究其...     

SWARM监测松辽流域陆地水储量变化的适用性分析

针对GRACE与GRACE-FO卫星存在衔接空白且卫星加速度计已出现受损的情况，SWARM卫星监测可作为一种有效补充的技术手段。本文选择ASU、IGG和COST-G等机构的SWARM时变模型监测松辽流域陆地水储量变化，并与GRACE、GRACE-FO时变模型进行比较。结果表明：(1)各SWARM时变模型的前10阶位系数与GRACE模型精度接近，其中IGG-SWARM模型经1200 km高斯滤波后的信噪比，相较于ASU和COST-G模型分别高62.47%、55.99%;(2)IGG-SWARM时变模型可探测松辽流域大尺度陆地水储量的时空变化特征，识别流域内的显著旱涝事件，与GRACE、GRACE-FO时变模型均反映出松辽流域在2015年7月—2020年12月的陆地水储量整体呈上升趋势，两者在数据重叠时段的相关系数可达0.6以上。因此，SWARM时变模型可适用于监测松辽流域的陆地水储量变化研究。     

gPhone重力仪与GRACE观测的陆地水季节性重力变化对比

利用中国大陆构造环境监测网络中张家口、淮北、溧阳重力台的gPhone连续重力观测数据,经过Tsoft软件数据预处理、固体潮、海潮负荷、极移等主要潮汐信号的扣除、局部气压改正,以及分段拟合仪器漂移后,得到观测数据的非潮汐信号,该信号时间序列呈现明显的季节性,主要反映陆地水储量变化;在此基础上,将地面重力非潮汐信号的月均值与重力卫星GRACE的观测结果进行比较。结果发现,仪器观测较稳定的张家口站和淮北站,地面重力和卫星重力观测的季节性信号具有一定的一致性;而溧阳站两种观测的相关性较差,可能与仪器观测的稳定性及台站周边区域环境因素有关。     

滇西地区GPS时间序列中陆地水载荷形变干扰的GRACE分辨与剔除

利用"中国大陆构造环境监测网络"在云南西部地区的13个连续GPS观测站和法国空间大地测量研究组Space Geodesy Research Group)的GRACE时变重力场资料,定量分析了该区域陆地水载荷所产生的非构造形变的量值和变化特点,探讨了利用GRACE分辨和剔除GPS观测中陆地水负荷所引起的非构造形变干扰的依据和模型.结果表明:滇西地区GPS坐标变化时间序列的垂向分量中,普遍包含有明显的年周期非构造形变波动,高值可达12mm,其中约42%源于陆地水迁徙变化所引起的负荷形变;通过主成份分析方法所获取的区域GPS共模误差与GRACE陆地水载荷形变序列的相关性高达0.87,若以GRACE扣除陆地水负荷形变,则滇西地区GPS网共模误差可消除约64%,且物理机制明确.然而,由于目前的GRACE只能有效分辨大约400km范围内陆地水载荷的整体变化,所以对于各GPS站点更加局部化的陆地水负荷非构造形变干扰,尚无法进行有效分辨.     

长江流域1982~2005年陆地水储量变化及时空分布特征

利用PER（Precipitation-Evaporation-Runoff）水量平衡方法结合大尺度陆面水文模型VIC(Variable Infiltration Capacity)模拟了长江流域1982~2005年陆地水储量的时空变化特征。结果表明：PER方法模拟的长江流域陆地水储量变化与重力卫星的观测试验(GRACE)结果呈现良好的一致性,显示该方法的合理性。长江流域在1982~2005年的多年平均气温、降水、蒸散发和径流分别为13.3 °C、1036.8 mm、459.4 mm和576.7 mm,陆地水储量季节和年际变率分别为23.3 mm和37.0 mm,水储量这24年变化的量级在200 mm左右。按照年代对1982~1990年、1991~2000年和2001~2005年这3个时段进行了统计分析,其多年平均气温分别为13.0、13.4和13.9 °C,多年平均降水分别为1031.6、1051.2和1017.4 mm;与此相应的多年平均蒸散发分别为459.8、459.9和457.7 mm,多年平均径流深分别为569.0、590.1和563.8 mm;长江流域陆地水储量的季节变率分别为21.8、26.8和22.9 mm,而年际变率分别为37.7、29.8和17.6 mm。相对于基准时段(1982~1990年),2001~2005年时段的增温速率远大于1991~2000年时段,但该时段降水却呈现减少趋势;然而两个时段的蒸散发变化不大,并且径流与降水变化趋势相同;流域平均来讲,与基准时段相比1991~2000年时段陆地水储量增加而在2001~2005年时段减少,这与降水的变化趋势相同。此外从空间分布来讲,1991~2000年和2001~2005年时段的水储量均在中部和西北呈现减少趋势,其余地区呈现增加趋势,特别地1991~2000年时段在东南地区的增加趋势尤其明显而2001~2005年时段流域的中部区域呈现明显的下降趋势,由此推断长江流域东南部水储量资源丰富,中部一些地区和西北部地区是储水量的脆弱区且对气候变化响应敏感。