高亚洲及其邻区2003~2017年质量平衡的气候影响分析

利用重力恢复和气候实验(GRACE)数据获得高亚洲及其邻近地区的质量变化,可分析区域气候因素如印度季风、西风带和厄尔尼诺-南方涛动(ENSO)对结果的影响。然而,最近的研究发现,西风带的贡献小于厄尔尼诺,与传统研究结论不同。因此,利用2003-01~2017-06期间GRACE RL06的Mascon数据进行复经验正交函数（CEOF）分析。研究发现,前3个主要成分对研究区质量变化的贡献率分别为53%、27%和6%,与印度季风、西风带和ENSO指数的相关系数分别是0.92±0.16、0.70±0.15和0.42±0.15,说明在长达14 a的观测时间跨度内,印度季风、西风带和ENSO对研究区质量变化的贡献分别为53%、27%和6%,西风带是研究区质量变化的第2个影响因素,这支持了传统的研究结论;ENSO通过印度季风对某些区域（如帕米尔高原、喜马拉雅山脉和印度西北部）的质量变化产生影响;在印度西北部、喜马拉雅山脉和藏东南地区,由于印度季风的减弱及其相关的ENSO作用和西风带的加强,质量变化呈现下降趋势;在兴都库什、西昆仑和东昆仑地区,由于西风带的增强,质量变化呈上升的趋势;在帕米尔和天山地区,虽然受到较强西风带的影响,但由于同时受到印度季风和ENSO减弱以及气温上升趋势的影响,质量变化呈下降的趋势。     

利用GRACE、GPS和绝对重力数据监测斯堪的纳维亚陆地水储量变化

重力卫星GRACE(gravity recovery and climate experiment)监测斯堪的纳维亚半岛陆地水储量变化会受到冰川均衡调整(GIA)信号的严重影响。首先根据该地区绝对重力和GPS并址观测数据计算了GIA重力和垂直位移的实测线性比值,利用该比值和GPS网观测的垂直位移速度场得到了GIA重力。然后,对GRACE观测的重力变化速率进行GIA重力改正,进而可分离陆地水储量变化趋势,避免了使用GIA模型所带来的巨大不确定性,并根据观测数据完整估计了所得结果的不确定性。最后与水文模型作对比分析。结果表明,实测的GIA重力-垂直位移线性比值为0.148±0.020μGal/mm(1Gal=10-2 m/s2),该结果检验了Wahr的理论近似值且与北美实测的结果非常接近。2003年1月至2011年3月期间,斯堪的纳维亚半岛陆地水储量存在明显的增加趋势,信号的主体位于半岛南端的维纳恩湖附近,总的水量增加速率为4.6±2.1km3/a,数据观测期间的累积增加水量为38±17km3。研究结果与WGHM水文模型的结果有较好的一致性,相关系数达到0.69,而与GLDAS水文模型的相关性略小。     

末次冰期冰盖消融对东亚历史相对海平面的影响及意义

基于新的末次冰期冰川均衡调整(GIA)模型,利用有限元算法模拟了盛冰期以来东亚相对海平面的变化,并与观测数据进行比较分析.研究表明,早期相对海平面上升由盛冰期后全球冰盖消融控制,后期的变化则由地壳黏性均衡调整控制;每个时期的结果均具有显著的区域性差异,与地壳均衡作用及远场均衡效应的区域性差异有关;模拟的不确定性主要来自冰盖消融模型差异的影响,量级在观测误差范围内.此外,利用本文的GIA模拟结果,对东亚海岸历史相对海平面观测进行改正,揭示了华南全新世以来不同阶段的地壳垂直运动,其中3-8 kaBP地壳以较稳定的速率(1~4 mm/a)下沉,之后则以较小速率下降或隆升,推测可能与东南部菲律宾板块的俯冲有关;揭示近千年来粤东海岸和珠江三角洲地壳垂直运动有长期隆升趋势,而近三十年的观测结果则显示下沉,推测该差异与人类活动导致的沉降有关.     

冰川均衡调整重力与径向位移近似关系的不确定性

根据不同地幔粘滞度的冰川均衡调整(glacial isostatic adjustment, GIA)模型, 研究了地球内部各个圈层对GIA粘性重力扰动速率的贡献, 检验了粘性重力扰动速率与径向位移速率的近似关系及其是否独立于地幔粘滞度, 同时利用绝对重力和GPS(global positioning system)径向位移数据从实测角度对Wahr的近似关系进行比较和验证.结果表明: 岩石圈对GIA重力扰动速率和大地水准面异常速率的贡献都超过了86%, 而岩石圈以下5个圈层的总贡献不大于14%;利用近似关系, 由重力信号转换的径向位移速率与有限元模拟的结果相对差异大约为15%, 且相对差异的大小不依赖于地幔粘滞度的变化; 根据北美绝对重力和GPS径向位移数据得到实测的粘性重力-径向位移比值为0.141±0.014 μGal/mm, 与Wahr的理论值(0.154 μGal/mm)非常接近, 相对差异仅为9.2%.因此, 定量给出了粘性重力-径向位移近似关系的不确定性为9.2%~15.0%, 为利用此近似关系分离GIA和现今地表质量变化粘弹信号的不确定性估计提供了重要参考.      

利用空间大地测量观测数据研究北美陆地水储量变化

根据冰川均衡调整(GIA)重力和垂直位移理论线性比值,联合利用GPS和卫星重力等空间大地测量数据估算了北美陆地水储量变化,并基于观测数据和理论比值的误差给出了所得结果的误差,避免了使用GIA模型引入的巨大误差。研究结果具有更高的空间分辨率;2003年1月至2011年3月期间,北美五大湖以西陆地水储量存在明显的增加趋势,速率为33±10 km3/yr;而五大湖以东地区的陆地水储量则基本处于平衡状态;研究结果与水文模型WGHM较为一致,相关系数达到57%,而与GLDAS模型的相关性较小。     

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。     

冰川均衡调整对南极冰质量平衡监测的影响及其不确定性

本文研究了新的全球冰川均衡调整(GIA)模型对南极冰盖质量平衡监测的影响,考虑现有冰川负荷模型和地幔黏滞度模型的差异,完整评估了结果的不确定性,最后结合GRACE和卫星测高的结果进行了对比分析.结果表明,GIA对GRACE监测的等效水柱变化有重大影响,较大的GIA影响出现在西南极,沿罗斯冰架-卡姆布冰流-罗尼冰架-南极...     

不同模型的地表质量异常一阶项、二阶项估计

为了合理补充重力场恢复与气候试验卫星（Gravity Recovery and Climate Experiment,GRACE）时变重力场的一阶斯托克斯系数（C₁₀、C₁₁、S₁₁）和替换二阶斯托克斯系数（C₂₀）,介绍了相关GRACE-OBP算法及其改进的算法,比较了相应的Chamber Model和4个Sun Model的一阶系数及其计算的地表质量异常,同时比较了基于卫星激光测距观测的Cheng Model与4个Sun Model的C₂₀及其地表质量异常。结果表明,GRACE-OBP算法的一阶系数、卫星激光测距观测的C₂₀及其地表质量异常与改进的GRACE-OBP算法在趋势项上有很大差异,但周年项差异相对较小。利用不同截断阶数和不同机构的GRACE时变重力场模型,对其趋势项和周年项都有一定影响,且对趋势项影响更大。因此,在计算陆地水储量变化时,建议使用改进的GRACE-OBP算法的估计结果,使用较理想的、截断阶数较高的GRACE时变重力模型。     

“陆态网”GPS与GRACE的中国大陆地表垂直形变对比分析

基于中国大陆构造环境监测网络的连续GPS观测数据,比较分析了中国大陆234个GPS台站和GRACE得到的地表垂直形变。GPS和GRACE垂直形变具有较好的一致性,反映了地表质量变化是引起GPS垂直形变非线性变化的重要因素之一,但二者也存在着一定的差异。为定量分析GPS和GRACE垂直形变的差异,探讨了热膨胀效应对GPS垂直位移的影响及区域地壳结构对GRACE估算地表垂直负荷形变的影响。结果表明,中国大陆50%以上的GPS台站热膨胀垂直形变周年振幅不小于1 mm;对GPS进行热膨胀效应改正后,中国大陆GPS与GRACE垂直形变具有更好的一致性;GPS与GRACE垂直形变周年振幅比值由1.07±0.06变为1.01±0.05;热膨胀效应可以解释6.2%的GPS与GRACE垂直形变的差异,热膨胀效应改正可使GPS和GRACE垂直形变的一致性相对增加11.2%。是否顾及区域地壳结构引起的GRACE估算中国大陆垂直负荷形变的相对差异为2.5%。     

GIA重力与垂直位移理论近似关系的实测验证

利用位于冰川均衡调整(GIA)近场的北美和北欧地区绝对重力和GPS垂直位移观测数据,得到GIA重力与垂直位移的实测比值为0.145±0.019μGal/mm,验证了Wahr关于GIA重力与垂直位移的近似理论线性关系,发现理论值与实测值的相对差异为6.2%。研究结果可为利用该理论近似线性关系的相关研究提供有意义的参考。