利用GRACE卫星Level-1B数据反演陆地水储量变化的方法研究

卫星重力探测技术为监测陆地水储量变化提供了新的技术手段。对利用GRACE卫星Level-1B数据反演地球陆地水储量变化的重力位差法和Mascon方法的数学模型作了详细推导分析,总结两种方法的特点和解算处理步骤。推导过程表明:重力位差法和Mascon方法在反演时只采用卫星飞临研究区域上空时的观测数据,能够提高反演结果的空间分辨率,比传统的球谐系数法更具优势;Mascon方法在解算时还引入了时空约束方程,进一步提高了反演结果的时空分辨率。     

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。     

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。     

利用GRACE数据探测长江流域水储量变化

利用2003年1月至2012年4月间109个月的GRACE时变卫星重力数据,反演得到了长江流域的陆地水储量变化,并对三个典型区域的水储量变化做了分析。结果显示GRACE数据能有效揭示长江流域水储量变化的季节性变化及其长期的变化趋势,流域内的水储量变化受气候因素的影响较大。     

GRACE重力卫星在陆地水储量变化监测中的应用

介绍了GRACE重力卫星,并对GRACE重力卫星数据在陆地水储量变化中的应用现状进行分析,总结了GRACE重力卫星数据在陆地水储量变化检测中的数据获取、计算方法和精度分析,以及Grace数据在不同区域尺度陆地水储量变化估算中的应用情况,最后,指出GRACE在水储量应用中的不足和未来的研究方向。     

利用GPS垂向位移监测西南地区干旱事件

GPS垂向位移包含了陆地水储量变化引起的地球弹性形变信息。本文利用中国大陆构造环境监测网(陆态网)31个GPS台站2010年8月—2016年12月的垂向位移数据,分析我国西南地区的干旱事件。结果表明,GPS垂向位移的季节性变化与降雨、GRACE反演的水储量、河流水位变化具有较强的负相关关系,其异常变化(非季节性变化)与我国使用的综合气象干旱指数(CI)、GRACE干旱强度指数(GRACE-DSI)相关性较强(相关系数约为-0.70),而与标准化降水蒸散指数(SPEI)的相关性较弱。相比于CI干旱指数,GPS垂向位移能更好地探测短期降雨急剧减少引起的干旱事件。数据缺失影响了GRACE-DSI探测干旱的准确性,而SPEI的波动较大,且存在高估某些短期降雨严重性的情况。研究结果展示了GPS在干旱监测方面的可靠性和优势。     

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。     

利用GRACE RL05模型监测长江流域水储量变化

本文基于GRACE最新重力场模型RL05序列研究了高斯滤波、Wiener滤波、各向异性滤波三种方法在长江流域水储量变化监测中的适用性,计算了应用三种方法得到的水储量变化速率。通过与长江流域水文模型的比较,高斯滤波平滑半径为430km时所得的结果与Wiener滤波基本一致,但各向异性滤波反演的结果与水文模型更为接近,并且优于前面两种方法。研究结果表明GRACE RL05时变重力场球谐系数误差存在各向异性的分布特征,因此各向异性滤波更适用于GRACE区域水储量变化的研究。     

GRACE与GRACE Follow-On重力卫星数据揭示出的黄河流域2002-2020年干旱特征

研究黄河流域干旱时空变化特征,对认知黄河流域水资源演化规律具有重要意义。本文充分利用GRACE(gravity recovery and climate experiment)与GRACE-FO(GRACE Follow-On)重力卫星在大尺度范围下监测水文信息变化中的优势,基于2002年4月至2020年7月GRACE和GRACE-FO RL06 Mascon数据,计算了黄河流域陆地水储量异常(terrestrial water storage anomaly, TWSA)及对应的水储量亏损赤字(water storage deficit index, WSDI),据此分析了黄河流域上游、中下游干旱事件及其严重性、干旱持续时间、平均与最大水储量赤字等干旱特征,并与其他4种常用干旱指数,标准降水蒸散发指数(standardized precipitation evaporation index, SPEI)、自矫正帕尔默干旱指数(self correct-Palmer drought severity index, sc-PDSI)、标准化降水指数(standardized precip...     

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...     

利用GRACE时变重力场反演黑河流域水储量变化

黑河流域水储量变化对该区域的生态环境和经济建设等具有重要影响。本文利用2002-082011-06的GRACE（grayity recovery and Climate experiment）时变重力场模型GRGS-ElGEN-GL04,采用去相关滤波P3M6与300km高斯滤波相结合的滤波方法反演了黑河流域陆地水储量变化,扣除GLDAS（global land data assimilation system）水文模型计算的土壤水和冰雪变化,给出了黑河流域地下水储量的时空变化,并利用张掖地区23口地下水测井数据对地下水反演结果进行了初步验证。研究结果表明：①黑河流域陆地水储量整体上呈现减少趋     

利用GRACE数据反演格陵兰冰盖冰雪质量变化

比较分析了不同多项式条带滤波的效果,从中选出了适合GRGS数据的条带滤波;估算了2002-07～2007-09格陵兰冰盖冰雪质量变化的空间分布,并给出了格陵兰冰盖冰雪质量变化约为-116±9km3/a,对应海平面变化的贡献约为0.32±0.02mm/a。     

由GRACE RL05数据反演近10年中国大陆水储量及海水质量变化

利用CSR(Center for Space Research)提供的GRACE RL05数据反演2003—2012年中国大陆水储量及其周边海域海水质量变化趋势。采用改进去相关滤波算法,使拟合最高阶次位系数为55及数据系列两端球谐位系数无须作为滑动窗口中心可直接拟合,去条带效果相比传统方法更明显。结果表明,中国陆地水储量在华北平原、三峡地区及青海、新疆、西藏交界地区变化较大。十年间,华北平原地下水以4.1±1.3mm/a速度减少,陆地水和地表水变化主要集中在2004—2008年;三峡水库3次蓄水引起地区等效水高变化分别为52mm、18mm及7mm;青海、西藏、新疆3省区交界地区地表水变化引起陆地水、地下水分别以10.6±0.9mm/a及11.6±1.0mm/a的速度增加。扣除冰川均衡调整后,GRACE反演海水质量的变化结果显示,东海、南海、黄海海水质量分别以4.23±0.9mm/a、1.33±0.9mm/a及3.09±1.1mm/a的速度上升,东海海水质量在长江入口附近上升速度最快。     

联合GRACE与TRMM探测阿富汗水储量能力及其发生洪水的可能性

联合重力恢复和气候探测任务(gravity recovery and climate experiment,GRACE)确定的陆地水储量变化以及降水测量卫星任务(tropical rainfall measuring mission satellite,TRMM)提供的降水观测数据,探测局部地区发生洪水的可能性,是一种非常有用的遥测方法。本文提出了一种改进的方法来探测阿富汗陆地水储量能力及其发生洪水的可能性。首先,根据GRACE数据确定的陆地水储量变化获取改进的水储量不足,进而估计阿富汗水储量能力;其次,联合TRMM降水数据,建立阿富汗洪水因子模型;最后,将阿富汗洪水因子结果与中国气象局国家气候中心观测图进行对比。结果表明,洪水因子与中国气象局国家气候中心观测结果基本吻合,并从时间和空间角度真实地反应了阿富汗地区发生的洪水。因此,联合GRACE和TRMM卫星观测数据可探测阿富汗发生洪水的可能性,并为研究区域洪水预警提供了新的有利工具。     

基于GAMIT/GLOBK和GPS观测确定加拿大地区的冰川均衡调整导致的垂向形变

本文采用加拿大地区31个IGS台站的观测数据,利用GAMIT/GLOBK软件处理了时间跨度为2000—2018年的GPS原始观测资料,得到了ITRF2014参考框架下的台站位置垂向运动速率的时间序列.对GPS时间序列进行阶跃探测及修复、异常值探测及剔除、趋势项估计、去除近期冰川融化导致的地表弹性变形后,得到了由冰川均衡...     

基于SRTM-DEM数据的三峡库区蓄水负荷模型及其地表重力与形变响应模拟

以三峡库区蓄水负荷变化为切入点,研究了库区因蓄水导致的地表重力与形变响应。通过高分辨率SRTM-DEM数据与三峡库区主干道及各支流边界的地形对应关系,构建得到不同蓄水水位下的蓄水负荷模型,并且给出了不同水位与库区整体库容量体积及受淹面积之间的数学拟合关系。在此基础上,结合弹性负荷响应理论及macson拟合方法,计算得到整个库区在蓄水第2阶段与第3阶段地表重力场及形变场的空间分布,以及库区蓄水库容量变化的60阶次球谐系数结果,并与GRACE监测结果进行了对比分析。GRACE去除CLM4.5模型后的陆地水储量可认为与三峡库区蓄水变化直接相关,两者之间的差异可能包含了在巨大水体负荷压力下出现的地下水渗透效应。本文理论模拟结果以期为实际观测资料的对比分析和相关校正提供支撑。有助于挖掘库区滑坡活动及水库地震等与库水负荷变化之间的关系。     

Determination of Postglacial Land Uplift in Fennoscandia from Leveling, Tide-gauges and Continuous GPS Stations using Least Squares Collocation

Precise leveling, tide-gauge recordings and time series from continuous GPS stations are all sources of information about the ongoing postglacial land uplift in Fennoscandia. This article describes how to gather these three sources of data together in a least-squares collocation adjustment in order to calculate uplift rates, as well as new heights for the benchmarks in the leveling network. The estimated reliability of the resulting uplift model is in general better than 0.4 mm/year, decreasing in areas of fewer data.A smoother and extended version of the land uplift model described here is used in the adjustment of the new height system in Sweden (RH 2000) under the name RH 2000 LU. Later on, the name was changed to NKG2005LU. The Finnish Geodetic Institute (FGI) has decided to use the same model when they calculate their new height system, N2000.