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。     

应用卫星重力数据监测维多利亚湖流域水储量变化

维多利亚湖是非洲第一大淡水湖,也是全球十大湖泊中纬度最低的淡水湖,有利于GRACE的监测。维多利亚湖为其流域内的居民提供了赖以生存的淡水资源,监测其水储量变化有重要意义。利用2003年1月至2016年12月间的GRACE时变重力场数据反演其水储量变化,针对GRACE数据处理过程中产生的信号泄漏问题,采用Forward Modeling的方法恢复信号,结果表明:此方法能有效地减小泄漏误差,恢复初始信号;通过分析维多利亚湖流域水储量的变化趋势,发现其水储量在2003年至2016年有明显的阶段性变化,并且水储量易受到自然因素和人为因素影响;联合GRACE、卫星测高和GLDAS计算了流域内的地下水变化,其趋势与WGHM模式输出结果具有很好的一致性。     

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。     

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。     

GNSS垂向位移反演中国大陆地区陆地水储量变化

为了研究中国大陆地区的陆地水储量变化，利用陆态网182个GNSS站点垂向坐标时间序列反演了中国大陆地区2011—2021年的陆地水储量变化，并结合GRACE时变重力场数据、GLDAS水文模型和GPM降雨数据对中国大陆地区不同流域的陆地水储量反演结果进行对比分析。结果表明：(1)中国西南地区陆地水储量变化振幅最为显著，华南地区次之，西北内陆地区最不明显；(2)GNSS的结果与GRACE和GLDAS总体上具有较高的一致性，但在不同地区存在差异。其中，华南地区多种数据集一致性较高，华北地区则相对差异较大，可能是受该地区地下水减少的影响。结果表明GNSS可以作为监测区域陆地水储量变化的有效手段。     

利用GRACE数据分析中国区域地下水变化

利用GRACE和GLDAS数据计算了2003年1月-2012年12月我国长江中下游平原、西南地区、华北平原的地下水储量变化.长江中下游平原与西南地区地下水储量最低值在冬季、最高值在9月,华北平原地下水储量最低值在6月、最高值在12月,结合3个区域降水与农业耕作模式对地下水储量变化进行分析.西南地区地下水储量变化最显著的为云南省,可能与云南省的气温和喀斯特地貌有关.冬季华北平原冬小麦存在越冬期,灌溉需水量减少,地下水储量上升;春末处于冬小麦和夏玉米的轮作期,农业灌溉需水量增加地下水储量减少,达到一年中的最低值.     

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。     

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。     

利用GPS垂直位移反演云南省陆地水储量变化

地表质量的重分布会引起固体地球的弹性形变,GPS连续运行观测站能够精确测定地表负荷引起的地壳形变。本文通过模拟数据对利用云南省及其周边47个中国大陆构造环境监测网（陆态网）台站反演云南地区陆地水储量的可行性进行分析：以水文模型周年振幅为真值,计算47个台站点的负荷形变,同时加入随机误差构成模拟观测数据,最后采用模型反演陆地水储量变化;1000次的随机模拟试验表明利用当前GPS台站数据可有效地反演云南地区陆地水储量变化。基于上述结论,笔者反演了云南省2010—2014年陆地水储量变化,GPS反演结果表明：云南省陆地水变化呈现明显的地域分布特征,西南部高山地区的水储量周年变化高于东部平原地区;在时间尺度上,云南省大部分地区水储量在10月（夏季末）达到最大值,在4月（冬季末）达到最小值;云南省2010—2014年陆地水呈缓慢增长趋势,约为20 mm/a。通过GPS陆地水储量反演结果与GRACE、GLDAS以及TRMM数据综合对比分析,表明利用云南地区当前GPS台站可以作为独立观测量用于GRACE与GRACE Follow-on衔接期间的陆地水储量变化监测。     

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...     

Continental hydrology loading observed by VLBI measurements

Variations in continental water storage lead to loading deformation of the crust with typical peak-to-peak variations at very long baseline interferometry (VLBI) sites of 3–15 mm in the vertical component and 1–2 mm in the horizontal component. The hydrology signal at VLBI sites has annual and semi-annual components and clear interannual variations. We have calculated the hydrology loading series using mass loading distributions derived from the global land data assimilation system (GLDAS) hydrology model and alternatively from a global grid of equal-area gravity recovery and climate experiment (GRACE) mascons. In the analysis of the two weekly VLBI 24-h R1 and R4 network sessions from 2003 to 2010 the baseline length repeatabilities are reduced in 79 % (80 %) of baselines when GLDAS (GRACE) loading corrections are applied. Site vertical coordinate repeatabilities are reduced in about 80 % of the sites when either GLDAS or GRACE loading is used. In the horizontal components, reduction occurs in 70–80 % of the sites. Estimates of the annual site vertical amplitudes were reduced for 16 out of 18 sites if either loading series was applied. We estimated loading admittance factors for each site and found that the average admittances were 1.01 \(\pm \) 0.05 for GRACE and 1.39 \(\pm \) 0.07 for GLDAS. The standard deviations of the GRACE admittances and GLDAS admittances were 0.31 and 0.68, respectively. For sites that have been observed in a set of sufficiently temporally dense daily sessions, the average correlation between VLBI vertical monthly averaged series and GLDAS or GRACE loading series was 0.47 and 0.43, respectively.     

Comparisons of atmospheric mass variations derived from ECMWF reanalysis and operational fields,over 2003–2011

There are two spurious jumps in the atmospheric part of the Gravity Recovery and Climate Experiment-Atmosphere and Ocean De-aliasing level 1B (GRACE-AOD1B) products, which occurred in January-February of the years 2006 and 2010, as a result of the vertical level and horizontal resolution changes in the ECMWFop (European Centre for Medium-Range Weather Forecasts operational analysis). These jumps cause a systematic error in the estimation of mass changes from GRACE time-variable level 2 products, since GRACE-AOD1B mass variations are removed during the computation of GRACE level 2. In this short note, the potential impact of using an improved set of 6-hourly atmospheric de-aliasing products on the computations of linear trends as well as the amplitude of annual and semi-annual mass changes from GRACE is assessed. These improvements result from 1) employing a modified 3D integration approach (ITG3D), and 2) using long-term consistent atmospheric fields from the ECMWF reanalysis (ERA-Interim). The monthly averages of the new ITG3D-ERA-Interim de-aliasing products are then compared to the atmospheric part of GRACE-AOD1B, covering January 2003 to December 2010. These comparisons include the 33 world largest river basins along with Greenland and Antarctica ice sheets. The results indicate a considerable difference in total atmospheric mass derived from the two products over some of the mentioned regions. We suggest that future GRACE studies consider these through updating uncertainty budgets or by applying corrections to estimated trends and amplitudes/phases.     

High-frequency signal and noise estimates of CSR GRACE RL04

A sliding window technique is used to create daily-sampled Gravity Recovery and Climate Experiment (GRACE) solutions with the same background processing as the official CSR RL04 monthly series. By estimating over shorter time spans, more frequent solutions are made using uncorrelated data, allowing for higher frequency resolution in addition to daily sampling. Using these data sets, high-frequency GRACE errors are computed using two different techniques: assuming the GRACE high-frequency signal in a quiet area of the ocean is the true error, and computing the variance of differences between multiple high-frequency GRACE series from different centers. While the signal-to-noise ratios prove to be sufficiently high for confidence at annual and lower frequencies, at frequencies above 3 cycles/year the signal-to-noise ratios in the large hydrological basins looked at here are near 1.0. Comparisons with the GLDAS hydrological model and high frequency GRACE series developed at other centers confirm CSR GRACE RL04’s poor ability to accurately and reliably measure hydrological signal above 3–9 cycles/year, due to the low power of the large-scale hydrological signal typical at those frequencies compared to the GRACE errors.     

利用GPS和GRACE研究澳大利亚地壳垂向季节性变化

为探究重力场恢复与气候实验(gravity recovery and climate experiment,GRACE)卫星与全球定位系统(global positioning system,GPS)两种独立技术获取的因陆地水储量变化引起的地壳垂向季节性位移的一致性,选取澳大利亚27个GPS站点5～10 a的高程时间序...     

“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%。     

Total Water Storage in Small Islands Using Multi-satellite Products: The case of Cyprus

The world’s longest international undersea water pipeline has recently been laid from southern Turkey to Northern Cyprus to address the water scarcity problems in the Cyprus Island. When completed, the project will add 19.8 million gallons of water annually for drinking and irrigation. Moreover, it will spur further development in the Turkish area divided from Greek community for four decades. Under such circumstances, satellite remote sensing provides a unique tool to evaluate the water policy for the entire island. The objective of this study is, therefore, to examine the potential of satellite-based remote sensing hydrologic models covering a small-scale Mediterranean island, which is under drought conditions. Satellite-based measurements such as GRACE (total water storage), TRMM (precipitation) and MODIS (evapotranspiration) data over a 1°–1° grid together with related information from global hydrological model, specifically WGHM and GLDAS, were collected for this purpose.