利用GRACE与Sentinel-1反演地下水变化与地表沉降研究

针对地表沉降与地下水变化之间的关系研究,助力资源开发与灾害防治之间突出矛盾的解决。该文利用GRACE/GRACE-FO卫星观测数据反演京津冀地区的地下水变化情况,利用Sentinel-1卫星观测结果,通过小基线集干涉测量技术(SBAS-InSAR)计算该区域的地面沉降速率,在地下水变化分析的基础上研究地下水变化与降雨的相关关系,并进而得到地表沉降与地下水变化的相关关系。结果表明,2003—2020年京津冀地区地下水储量呈减少趋势,变化速率达到-11.4 mm/a,降雨量年际变化较大,对地下水储量亏损存在影响;京津冀地区中,北京市地表形变相较于地下水变化滞后时间约为3个月,地下水变化与地表形变存在较高的相关性,二者相关系数达到0.758。     

基于GRACE/GRACE-FO反演华北平原2002—2021年水储量变化

针对华北平原水资源分布不均的问题，该文利用2002年4月—2021年12月共237个月的重力恢复和气候实验(GRACE)卫星、GRACE-FO卫星重力数据对华北平原的水储量变化情况进行了研究，采用奇异谱插值填补GRACE与GRACE-FO间的空白期数据，并联合3家Mascon产品、全球陆面同化系统水文模型与全球降水气候中心降水数据进行综合性比较和分析，实现了对华北地区水储量时空变化情况的探究。结果表明，华北地区陆地水储量整体呈下降趋势，亏损速率为-0.927 6 cm/a,且具有明显的季节特征，与降水量的变化情况一致，经过相关性分析，GRACE、GRACE-FO与3个Mascon产品反演的水储量变化存在较高的相关性，相关系数均在0.89以上。     

GRACE和GLDAS数据的京津冀地区地下水储量变化及其影响因子分析

针对京津冀地区地下水储量快速减少,影响了地下水资源的可持续利用和生态环境保护的问题,急需系统研究掌握地下水储量变化趋势,该文利用基于2010—2020年GRACE和GLDAS连续观测数据,运用趋势分析和偏相关分析等方法探讨了京津冀地区地下水储量时空变化规律,分析了其与相关要素时空变化的关联特征。结果表明：2010—2020年京津冀地区地下水储量变化整体上呈下降趋势,空间上呈现出东北向西南下降程度逐渐加深的态势,且大部分区域下降趋势极为显著;关联分析结果显示,地下水储量变化与NDVI在一定程度上表现为负相关,说明农业生产与植被恢复在一定程度上以地下水储量减少为代价;与年总降水量在一定程度上表现为正相关,降水能够对地下水储量起到一定的补给作用;与地表温度表现为负相关性,地表温度的升高不利于地下水储量的恢复。相关成果为京津冀地区地下水监测与管理提供一定的信息支撑。     

基于GRACE时变重力场模型研究印度河-恒河流域水储量变化

印度河和恒河是亚洲的重要河流,流经区域也是印度次大陆人口最集中的地区,研究该区域水储量变化对于保障当地生态环境和经济发展有重要意义.本文利用GRACE_RL05时变重力场模型反演2002-2016年的印度河-恒河流域内陆地水储量变化,并结合GLDAS水文模型获取区域地下水储量变化.研究发现:2002-2016年印度河和恒河流域陆地水储量和地下水储量均呈下降趋势,其中两流域的地下水下降的速率(分别为-7.2 mm／a和-4.7 mm／a)超过整体水储量的下降趋势;综合水文模型数据分析表明:该区域水储量下降的原因是蒸发量上升和降水持续减少的背景下,农业灌溉过程中过度抽采地下水导致的.      

顾及GRACE季节影响的华北平原水储量变化反演

基于移去-恢复方法,利用GRACE卫星重力数据研究了华北平原2003年1月—2014年6月的陆地水变化,提出了一种顾及季节影响尺度因子计算方法,用于减小GRACE后处理误差。将本文方法所得结果与水文模式和降水模型结合进行比较分析,结果表明：2008年之前华北平原发生比较明显的干旱现象,陆地水和地表水分别以（-7.9±2.4）mm/a和（-7.3±2.8）mm/a的速度下降,但地下水仅以（-0.6±1.4）mm/a的速度减少;2008年之后,陆地水和地表水分别以（4.3±1.3）mm/a和（10.9±2.1）mm/a的速度上升,期间地下水的超采严重,平均以（-6.5±1.2）mm/a的速度下降,但下降速度以0.9 mm/a²的趋势减缓。研究期间内,华北平原的陆地水、地表水和地下水整体分别呈现（-2.0±0.6）、（2.9±0.7）和（-4.8±0.7）mm/a的变化趋势。最后,利用交叉小波谱分析了GRACE滞后于降水的现象。研究结论表明,降水和地下水开采是影响华北平原水储量变化的两大决定性因素。     

利用GRACE反演昆士兰州地下水储量变化

昆士兰州作为澳大利亚的第二大州,开展针对该地区地下水储量变化的监测与分析对当地生态环境与用水管理政策制定具有重要现实意义. 利用德克萨斯大学空间研究中心(CSR)发布的重力反演与气候实验卫星(GRACE)时变重力场模型与全球陆地数据同化系统(GLDAS)地表同化模型,对昆士兰州地下水储量时空变化进行监测分析,并与实测水井数据和全球降水气候学项目(GPCP)降雨资料进行验证分析. 研究结果表明:时间上昆士兰州地下水在2003—2015年约以1.3±0.09 cm/a的速率递增,空间上呈现东增西减的显著空间差异;与GPCP降雨资料对比发现,降雨是影响地下水储量变化的主要因素;与水井实测数据对比发现地下反演结果与水井水位变化趋势基本一致.      

InSAR视角下准噶尔盆地农业灌溉区地表形变特征和演化规律

抽取地下水进行农业灌溉是导致地下水位快速下降的重要因素,而长期过度开采地下水往往会引发地面沉降灾害,这种现象在干旱和半干旱地区非常普遍。为了研究农业灌溉超采引发的地表形变特征和演化规律,本文以准噶尔盆地南缘、天山北麓地带为研究区域,利用SBAS-InSAR技术对2003年—2009年覆盖呼图壁县的ENVISAT/ASAR升、降轨数据进行处理,获取了该地区的地表形变场,并结合研究区的农业灌溉方式、水资源补给和季节变化等资料对地面沉降的时空变化特征进行分析,为水资源和农业可持续发展提供参考意义。实验表明,研究区内主要有两个沉降幅度较大的漏斗,且都位于农田区域。2007年以前,研究区地表没有显著形变,之后发生了较大量级的沉降。采用传统灌溉方式和时针式灌溉系统的农业区平均沉降速率最高分别可达50 mm/a和30 mm/a,前者在时间上呈线性变化,而后者具有显著的周期性变化特征。在冬季时,采用时针式灌溉系统的地区地面抬升量可达40 mm,远大于传统灌溉方式的农田区域,而夏季地面沉降速率可达200 mm/a。对研究区农业灌溉活动进行分析后发现,农业灌溉造成的地下水超采是该地区地面沉降的主要影响因素,其形变机制与季节变化具有较高的相关性,在灌溉活动休止期内地表形变取决于地下水的补给量。研究区内的形变特征和影响因素分析将为地下水资源的充分利用和农业的可持续发展提供有效的信息。     

基于PSInSAR技术的地面沉降监测研究——以北京怀柔区为例

怀柔应急水源地是北京第一个建成的特大型应急备用水源地,经过数年的开采后,应急水源地水位大幅度下降,地下水漏斗面积不断扩大。PSInSAR技术在监测地面沉降方面具有很大的优势,本文利用PSInSAR技术和2003年—2009年间28幅Enviast卫星的ASAR影像监测怀柔应急水源地地区地面沉降情况,试验结果表明该地区平均沉降量为8mm/a。通过该地区地面沉降状况和地下水漏斗发展趋势之间的对比,发现地面沉降范围和地下水漏斗有较大的空间一致性,平面分布趋势整体上由南西—北东向北西—南东转变。     

时序InSAR的连云港及盐城北部地表沉降研究

针对连云港和盐城北部等地区的地表沉降问题,该文基于改进的多主影像相干目标小基线干涉技术,并利用多时相ALOS PALSAR和Radarsat-2干涉影像研究该地区的地表沉降。研究表明,虽然2007—2011年连云港及盐城北部地区整体地表状态相对稳定,但在连云港沿海地区和盐城市区存在明显沉降,最大沉降速率高达-80 mm/a;2012—2015年连云港市与盐城市北部地表沉降明显加剧,连云区和赣榆区持续发生沉降,灌云县、灌南县、响水县以及涟水县的成片沉降形成了大范围沉降漏斗,其中连云港市和盐城北部最大沉降速率分别为-76和-81mm/a;连云港与盐城北部地区沉降速率小于-10mm/a,其沉降区域面积分别达到了1 054.49和1 492.11km2,对当地社会、经济的危害不容忽视。     

基于GRACE的中国区域水储量变化研究

水是人类生活中广泛使用的重要资源,一旦开发利用不当,不仅会制约国民经济发展、破坏生态环境,还会引起水位持续下降、水质恶化和地面沉降等现象.而运用GRACE卫星时变重力场模型可以有效计算出陆地总水储量变化,同时结合相应水文模型还可以反演出地下水储量的变化,其相对于传统监测地下水方法具有简便、可以大范围进行监测以及预防由水储量变化引起的灾害等优势.针对水储量变化问题,采用GRACE重力卫星数据进行反演监测,将处理后的GRACE数据与GLDAS水文模型相结合,以反演中国地区的地下水储量变化趋势,结果表明:地下水储量变化与陆地总水储量变化趋势较为一致,且中国一半地区的地下水储量处于下降趋势,其中下降严重的有河北南部、新疆北部和云南北部等地区,最大变化速率分别达到了-1.72 cm/a、-2.44 cm/a和-3.01 cm/a.最后以陕西省与四川省的实测地下水数据来检验反演地下水变化的准确性,并分析降水与地下水变化的关系.     

联合重力卫星和水井资料监测华北平原地下水储量变化

华北平原作为人口最多的平原地区,其地下水资源开采十分严重,常态对该地区地下水储量（ground water storage,GWS）变化的精确监测具有重要的生态意义。利用重力卫星数据反演了华北平原的GWS变化,并与水文模型、降水资料、南水北调调水量和地下水井资料进行对比分析,提出融合浅层GWS变化和深层地下水变化方法,得到总地下水的贡献。研究结果表明,重力卫星与全球陆地数据同化系统模型估计的水储量变化均表现出明显的季节性特征;重力卫星反演的GWS变化与浅层地下水井资料估计结果一致性较好;考虑深层地下水的贡献,融合浅层和深层地下水井资料估计结果和重力卫星反演结果吻合更好,相较于仅使用浅层地下水估计结果吻合度更高,并表明浅层地下水为GWS变化的主要变化量;2003—2017年,华北平原地下水处于长期亏损趋势（-1.3±0.6 cm/a）;2018—2020年,重力卫星反演结果与同时段内顾及深层地下水井资料的总GWS亏损速率几乎一致;2021年,重力卫星和地下水井资料与前期观测结果形成鲜明的U型反转,GWS均呈增长趋势;降雨和南水北调对华北平原的水储量变化具有直接影响,对缓解GWS亏损和地下...     

利用时变重力数据反演地下水储量变化

为了反映中国陆地区域地下水储量的变化情况,该文利用2003—2019年间GRACE、GRACE-FO重力卫星数据,对8个典型区域地下水储量变化情况进行了研究,并结合气象资料从相关性上分析各区域地下水储量显著变化的原因。结果表明,中国东南大部分地区地下水储量逐年增加,地下水主要靠降水补给;华北平原等人口稠密区地下水亏损严重,研究时段内持续呈下降趋势,降水仅能缓解地下水储量的亏损速度;天山山脉、念青唐古拉山脉等冰川区质量变化和温度异常的相关性较好,这些地区的质量亏损可能是冰川消融引起的。     

多源卫星测高数据监测太湖水位变化及影响分析

基于Envisat与Cryosat-2卫星测高数据利用波形重跟踪算法提取2003年1月—2019年4月太湖水位信息,并对测高数据进行粗差剔除、卫星间系统误差消除,结合MODIS光学遥感影像提取太湖边界信息,得到长时间序列太湖水位数据。结合气象观测数据和城市人口变迁数据,讨论太湖水位变化规律及其对气候变化以及人类活动影响的响应。结果表明:2003—2009年期间太湖水位呈上升趋势(0.036 m/a),2009—2019年期间太湖水位呈下降趋势(-0.014 4 m/a);地表温度及降水均对太湖水位变化有周期性影响,其中降水的影响更为显著;此外,随着太湖周边城市化进程加快,以2009年为节点,2009年后周边城市人口增长速度加快,城市用水需求加大,导致太湖水位呈下降趋势,表明人类活动对太湖水位变化有整体性影响。     

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。     

联合GRACE和GLDAS数据的河南省地下水储量反演与时空变化分析

针对利用传统监测手段难以高效获取地下水储量观测数据的问题,基于GRACE重力卫星的大尺度水资源储量反演已成为当前水资源调查的研究热点。本文利用2012-2016年CSR机构发布的GRACE RL06月解数据,通过等效水高反演得到河南省陆地水储量时序结果,扣除由同期GLDAS水文模型计算得到的地表水储量时序数据,从而得到河南省地下水储量时序变化数据结果。经与地下水位监测井实测数据进行对比验证,相关系数显著性水平达0.01,表明本文算法流程具有较高的可靠性。进一步的统计分析结果表明,河南省北部地区的地下水储量呈亏损态势,最大变化率超过26 mm/a;河南省中部和东部地区地下水储量有一定盈余,最大变化率超过16 mm/a,相关结果数据与河南省水利局公布的全省主要地下水超采区范围吻合。本文旨在利用GRACE重力卫星数据与GLDAS水文模型反演获取河南省地下水储量空间分布差异及演变趋势,相关算法流程可为广域地下水储量调查监测提供技术支撑;研究数据可为该区域地下水资源的合理利用与保护提供参考。     

2003—2022年长江流域水储量变化时空特征研究

针对探究长江流域内水储量变化的时空特征对水资源管理、灾害预防的重要意义，该文利用GRACE、GRACE-FO数据和水文资料采用主成分分析算法进行了研究。2003年以来，长江流域水储量呈现增多的趋势，在2003年1月—2017年7月以2.75±0.62 mm/a的速率上升，在2018年6月—2022年1月以0.54±2.19 mm/a的速率上升，上升速率变缓。主成分分析结果表明，长江流域水储量变化以年周期性信号为主，最明显年周期性信号出现在金沙江流域下游；第三主成分反映了小于一年周期的信号，对应的特征向量在2003年1月—2017年7月和2018年6月—2022年1月存在较大差异，导致这种变化的原因可能与极端气候事件有关。     

利用时序InSAR技术分析北京及河北廊坊地面沉降

利用带大气估计模型的时序InSAR方法对24幅覆盖北京及河北廊坊的Envisat-ASAR影像数据进行了时序分析,获取了该地区2007年4月—2010年9月的地面沉降速率及均方差。发现了以北京朝阳区和通州区交界处为中心和以河北廊坊城区为中心的两个沉降区域,中心区平均沉降速率分别为35mm/a与22mm/a。研究区域形变速率均方差1.5mm/a。研究结果表明:利用时序InSAR技术进行城市地表沉降监测具有较好的精度及稳定性;产生该沉降的可能原因为地下水的开采、城市基础建设的发展及工业用地量、人为活动的增加。     

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年8月至2011年6月GRACE（Gravity Recovery and Climate Experiment）时变重力场模型GRGS-EIGEN-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势,与该流域气候变化和CPC水文模型的计算结果具有较好的一致性,其减少速率为2.3cm/a等效水高;（2）黑河流域地下水储量呈现长期减少趋势,其减少速率为2.5cm/a等效水高,上、中游区域地下水储量减少速率相当,下游区域地下水储量减少速率明显小于中上游区域。     

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。     

基于多源数据的全球比容海平面变化研究

利用2005—2009年共60个月的卫星测高、GRACE数据计算全球66°S~66°N比容海平面变化,同时利用Argo数据计算得到该区域的比容海平面变化,结果可知比容海平面具有明显的周年变化。比较不同方法得到的比容海平面变化发现二者在整体趋势上较为一致,但局部也存在着差异。联合卫星测高、GRACE和利用Argo数据得到2005—2009年比容海平面变化振幅分别为10.5 mm和4.3 mm,长期变化趋势分别为1.63 mm/a和0.32mm/a。