GRACE时变重力场的滤波理论及质量变化分析

正由于GRACE(gravity recovery and climate experiment)时变重力场模型直接解算质量变化时存在较大的误差,需要对其进行相应的滤波处理,提高质量变化的反演精度。本文总结了GRACE监测全球与区域质量变化的研究进展,分析了最新时变重力场模型的精度及其滤波方法;提出了基于重力位系数协方差阵的时变重力场滤波方法;分析了南极冰盖的质量变化、亚马孙流域陆地水质量和海平面变化。本文的研究成果及创新点主要包括以下几个方面:     

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。     

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。     

应用GRACE时变地球重力场模型探测地震重力变化

根据GRACE时变重力场模型和高斯平滑原理,编写了全球任意一点的重力异常计算程序,计算2011日本地震区域前后共7个月的重力异常值。结果显示,在大地震前后,地震区域重力异常呈现正负异常交替和迁移现象,并随着地震的临近,这种现象会越来越明显。最后绘制全球1°格网的等效水高速率变化图,借此分析地震影响产生的全球质量变化。     

GRACE离散时变重力场的大尺度动态变化模型构建分析

针对GRACE月时变重力场的离散球谐系数,提出联合经验正交函数分解和多通道奇异谱分析的方法,在有效实现空间维数压缩和条带噪声去除的同时,提取、分析其动态变化特征并构建相应的变化模型。结果表明,GRACE离散球谐系数存在显著的周年项和长期趋势项变化成分,其中,周年项模态的方差贡献达到50.6%,扣除周年项成分后长期趋势项的累积方差贡献达到77.4%。以长期趋势项和周年项成分构建的非线性模型能较好地反映离散球谐系数及其反演结果的动态变化特征,其对全球陆表等效水柱高的拟合标准差介于0.3~14.0 cm,平均标准差为1.8 cm。研究结果可为分析地球重力场各参量变化特征及地球动力学变化提供重要参考。     

一种基于GRACE重力卫星的陆地水储量变化组合新模型

利用重力卫星监测全球水储量变化,有助于应对全球气候变化、防灾减灾等挑战,具有重要的科学意义。国际上已发布了多个系列的重力恢复和气候实验(gravity recovery and climate experiment,GRACE)时变重力场模型,但是不同机构提供的模型之间存在差异,而且精度参差不齐。研究基于不同卫星重力场模型的陆地水储量变化（terrestrial water storage change, TWSC）组合新方法,有利于扬长避短,进一步提高TWSC的估计精度。采用方差分量估计、熵权法和变异系数法,针对5种GRACE时变重力场反演获得的TWSC开展组合研究。结果表明,3种TWSC组合新模型都能够显著减小不同时变重力场反演的TWSC之间的差异,而且信噪比与美国喷气动力实验室模型相比提高了约58%。组合前后全球TWSC趋势最大差异由0.011 cm/月下降到0.001 cm/月,最大水振幅差异由0.95 cm/月减小为0.21 cm/月,1°×1°空间分辨率下TWSC随经纬度方向变化的标准差差异同样由超过20 cm2降低到3 cm2以下。组合模型与水文模型的相关性较独立模型最高...     

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。     

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监测的陆地水储量变化滞后降水2个月达到强相关性,监测到2016年春旱灾害的发生,扣除季节项影响后,GRACE&GLDAS相关系数为0.88,研究区陆地水储量上升速率为0.118 mm/a。研究结果可为该区域水储量时空调配、旱涝灾害防治提供理论依据。     

论高精度卫星重力场模型和厘米级区域大地水准面的确定及水文学时变重力效应

阐述了联全新一代卫星重力测量数据、卫星测高数据及全球陆地重力数据确定高精度180阶全球重力场模型、以全球重力场模型为框架参考场、利用我国地面重力数据、GPS水准资料、数值高程模型和地形密度信息确定高分辨率cm级区域大地水准面的思想。指出了一个重点发展方向:利用GRACE卫星每30天的重力位模型分析时变重力场,联系合卫星测高同时相平均海面以及水文、气候和海洋模型,分析我国黄河流域和海洋地区水储量分布和海流季节性变化,并解释与气候要素变化的相关性。     

全球海洋重力场模型的研究进展及展望

为了探究海洋重力场反演的影响因素,首先回顾了海洋重力场反演的发展进程,通过比较3种主要海洋重力场方法的优缺点并进行区域实用性分析得出最优的方法。其次详细阐述SS系列和KMS-DNSC-DTU系列海洋重力场模型的发展历程。通过新旧模型参数对比分析表明:SS系列早期模型分辨率较高,目前两系列模型分辨率都达到1′×1′;KMS-DNSC-DTU系列模型精度更新较快,DTU17模型精度相比于V24.1模型精度更加接近1 mGal。同时,概述了相应重力场模型在不同区域进行测试的结果,对比分析并得到了影响模型精度的区域差异性因素。最后对卫星测高获取全球海洋重力场模型的前景进行了展望。