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。     

科尔沁沙地陆地水储量变化的GRACE时变重力场探测

为了实现科尔沁沙地的水资源监测,该文采用2003年7月至2010年12月的GRACE月重力场模型,经过去相关滤波、高斯平滑滤波和GIA改正,利用尺度因子法恢复重力场信号,反演科尔沁沙地的陆地水储量变化,与CPC水文模型反演结果进行对比分析。研究结果表明:由GRACE Release-05Level-2数据反演得到的2003年7月至2010年12月科尔沁沙地陆地水储量下降速率为-13.2±2.6(mm·a^-1);CPC水文模型反演的该地区陆地水储量变化曲线与GRACE反演结果呈现出良好的一致性,具有相似的季节变化;2009年秋至2010年春该地区陆地水储量呈现直线减少,并达到最低点,这一现象与该时段中国北方的干旱事件相一致。     

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...     

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ICA方法提取奥卡万戈三角洲水储量变化信号

利用重力恢复与气候实验(gravity recovery and climate experiment, GRACE)时变地球重力场模型计算得到非洲奥卡万戈三角洲地区2003-01—2014-12的陆地水储量变化信息,分别采用主成分分析(principal component analysis, PCA)和独立成分分析(independent component analysis, ICA)提取质量变化信号,并与全球陆地数据同化系统(global land data assimilation system, GLDAS)的水文模型进行对比。结果显示,在奥卡万戈河流域东北部,水储量表现出很强的周期性变化,两种数据空间特征分布的信号出现在相同位置的成分GRACE-IC1和GLDAS-IC1对应的时间序列的相关系数达到0.85。奥卡万戈三角洲地区水储量从2003-01—2011-10呈现上升趋势,两种数据空间特征分布的信号出现在相同位置的成分GRACE-IC2和GLDAS-IC3对应的时间序列的相关系数达到0.81,说明GRACE反演结果与GLDAS水文模型反演结果在研究区域内具有很强的一致性。引入全球降水气候中心降水数据和Water GAP全球水文模型数据对研究区域陆地水储量变化的原因进行分析。实验结果表明,相对于传统的多项式拟合方法,ICA可以在较大区域内直接对特定位置质量变化信号的时空特征进行提取;对比GRACE数据两种方法分解结果的第3成分可以看出,在空间尺度和时间尺度上,ICA方法对信号的分解能力要优于主成分分析方法。     

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。     

利用GRACE数据研究美国干旱产生的原因

利用GRACE和GLDAS数据计算美国2003年1月—2013年12月陆地等效水高的时间序列,两者结果呈强相关,相关系数为0.91.GRACE数据计算陆地水储量最低在2012年7月,这与欧洲干旱研究中心发布的帕尔默干旱指数(scPDSI)结果一致,证明了GRACE时变地球重力场模型具备探测干旱的能力.利用NOAA(Na...     

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。     

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。     

利用独立成分分析法研究新疆地区陆地水储量及其地壳垂向变化

中国新疆地区水文气候变化复杂,其水储量变化及其负荷形变特征的精确提取极为重要。采用卫星重力数据GRACE(gravity recovery and climate experiment）反演新疆地区2010—2014年陆地水储量变化,利用独立成分分析法（independent component analysis,ICA）分解时空模式,提取时空特征信号。在此基础上,反演陆地水负荷迁移引起的地壳垂向变化,引入重力位系数与负荷勒夫数一阶项改正,回加非潮汐大气与海洋信号,结合尺度因子法校正GRACE反演结果,引入全球降水气候计划月降水资料分析形变影响,将其与测区12座连续运行参考站形变位移进行定量比较,重点分析各测站陆地水负荷信号与全球导航卫星系统（global navigation satellite system,GNSS）垂直位移的相关关系。结果表明,经ICA方法分解的新疆地区陆地水储量呈现多时间尺度特征,表现为明显的周年与长期变化;周年信号在西部帕米尔高原附近尤为显著;长期变化以逐年减少为主,在乌鲁木齐西部、天山一带信号较强;总体上,陆地水负荷垂直形变的时间序列波动幅度相对较小,幅值...     

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...     

水文气象因素对中国北疆流动重力变化的影响

水文气象因素引起的重力变化是影响地震重力变化成果解释的重要因素。以中国北疆地区为研究区域,借助全球陆地数据同化系统（global land data assimilation systems,GLDAS）全球水文模型数据、大气模型数据,计算2016-01—2017-12时段内水文气象因素对研究区域的重力影响。计算结果表明,陆地水影响的年变化为1.3 μGal,两期陆地水影响空间分布的差异低于1 μGal;大气影响的年变化为8 μGal,两期大气影响空间分布的差异达到6 μGal。利用2016-04、2016-08和2017-06三期流动重力测量数据,对比扣除水文气象因素前后的重力变化,可以看出,在中国北疆流动重力数据处理中,大尺度水文因素可以不予考虑,气象因素应予考虑。同时,为更好分析流动重力变化,建议流动重力测量过程中同时开展测点附近的土壤湿度、大气气压等观测。     

青藏高原北部地区长期质量变化研究

针对青藏高原内陆地区存在的大范围未被合理解释的正质量变化信号问题,本文利用GRACE卫星观测资料定量研究了青藏高原北部地区2002—2015年间的地表质量变化趋势,并与水文模式和降水资料进行了比较分析。GRACE结果表明青藏高原北部地区存在等效水高为0.41cm/a的长期质量变化,水文模式得到的结果为0.12cm/a。长期信号显示两者虽在空间分布上存在较大差别,但在区域内具有相近极大值,且正信号均向研究区域的东南方向外延,体现出了较好的一致性。GRACE结果的周年振幅是水文模式的23%,这说明在研究区域内呈周期变化的土壤水信号并非是GRACE的优势信号,即水文模式无法给该研究区域质量长期变化以合理解释。此外,青藏高原北部地区的水文模式结果受降水影响较大。     

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。     

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。     

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。