长江流域陆地水储量异常的卫星重力监测与干旱指数对比分析北大核心CSCD

利用GRACE/GRACE-FO数据对长江流域2003~2021年期间发生的干旱事件进行定量分析,以探究卫星重力监测区域性干旱的可行性。采用3个机构发布的5种GRACE/GRACE-FO数据产品(CSR_SH、JPL_SH、GFZ_SH、CSR_M、JPL_M)反演长江流域陆地水储量异常(TWSA),计算陆地水储量亏损(WSD)和水储量亏损指数(WSDI),结合气象干旱数据(SPI、SPEI、scPDSI)对5种数据产品的结果进行比较,并对2003~2021年长江流域干旱事件进行分析。结果表明,不同机构发布的GRACE/GRACE-FO数据产品对长江流域干旱事件严重等级的划分具有一定差异;WSDI与6个月时间尺度的SPEI相关性最高,相关系数为0.66,与scPDSI相关系数最低为0.54,降水是影响长江流域陆地水储量变化的重要因素;长江流域最严重的干旱事件发生在2019年夏秋季,干旱强度为2.31,持续10个月,水储量累计亏损达到415 Gt,此次干旱事件的WSDI空间分布图显示2019-09干旱最为严重,出现极端干旱区域。WSDI可反映长江流域干旱分布的时空变化,可在监测全球和大尺度区域干旱方面发挥重要作用。     

综合气象干旱指数在2009～2010年西南干旱的应用

为了研究气象干旱指数对西南干旱的监测状况,及干旱指数在西南地区的适用性,采用了中国气象局提出的气象干旱指数的计算方法,基于综合气象干旱指数,分析2009～2010年西南干旱的时空分布特征与适用性。研究结果表明:干旱事件具有3次逐渐加强和减弱的特征;旱情首先出现于云南东部和贵州中西部,云南中部旱情最重;秋季,相对湿润指数的监测与综合气象干旱指数的监测较为符合;冬季,降水量距平百分率的监测与综合气象干旱指数的监测比较吻合,标准化降水指数所反映的旱情偏重;综合气象干旱指数在旱情随时间的变化过程和空间分布特征方面较好地反映西南地区旱情,但要更准确地进行干旱监测,还需要在蒸散项、降水量权重、各单项系数方面进行修正。     

地表温度变化对GNSS连续运行基准站垂向形变影响研究

利用实测地表温度数据,计算温度变化对GNSS基准站观测墩和基岩垂向形变的影响;联合大气负荷变化,综合分析温度变化对基准站垂向形变的影响规律。以新疆GNSS连续运行基准站数据为例,结果表明,温度变化对新疆GNSS连续运行基准站垂向影响的年周期项振幅为1.4～2.1 mm,半周年振幅为0.01～0.33 mm,周年项振幅占主要部分;垂向时间序列变化扣除温度变化影响后,RMS值平均减小0.55 mm,精度提高约9%;温度变化与大气负荷变化对垂向形变影响的趋势基本一致,呈现上半年增加、下半年下降,扣除两项影响后精度提高约13%。研究表明,温度和大气负荷变化均为基准站垂向位移周期性变化的重要影响因素。     

山东地区近期垂直形变场精细特征分析

利用山东地区38个GNSS基准站2011～2016年连续6a的观测数据,对山东地区地壳垂向形变场特征进行系统分析。结果表明,山东地区地壳垂向形变具有明显的差异性,形变量最大的区域为山东西南部地区,形变速率约为-24.0mm/a;西北部地区形变速率较大,为-15.0mm/a;东南部以及沿海地区沉降速率较小,为-0.5～3.0mm/a;而在中部地区(泰山山脉)呈隆升趋势,形变速率为0.3～5.0mm/a。     

基于随机森林的遥感干旱监测模型的构建

利用遥感数据进行大面积旱情监测是现有干旱监测的重要方法之一,然而传统的遥感干旱监测方法主要侧重于对土壤湿度或植被状况等单一干旱响应因子进行监测,对综合多因子的干旱监测研究较为有限。随机森林是一种机器学习方法,具有学习过程快速、运算速度快、稳定性好、预测精度高的优点,近年来被应用于生态环境等多个领域。本文利用2001-2010年4-9月的MODIS数据提取的植被状态指数（VCI）、温度状态指数（TCI）和土地覆盖类型（LC）,TRMM降水资料计算的TRMM-Z指数及SRTM-DEM、土壤有效含水量（AWC）等多个遥感及土壤资料提取的干旱因子为自变量,以气象站点的综合气象干旱指数（CI）为因变量,利用随机森林模型构建遥感干旱监测模型,并以河南省为研究区进行了评价和分析。该模型在2009-2010年的监测值和实测CI值的具有显著的相关性,并且二者干旱等级的一致率为81%。在2001-2010年4-9月间,模型监测值与气象站点的标准降水蒸散发指数（SPEI）总体干旱等级一致率为74.9%,较为一致,其中9月的模型结果与SPEI的干旱等级一致率最高,达到82.4%,空评估率和漏评估率最低;与10 cm土壤相对湿度的相关系数在0.475-0.639之间,达到极显著水平。河南省2011年4-6月干旱事件同样验证了本文构建的模型旱情监测结果,说明本模型能较好地就应用于监测区域旱情监测。     

基于多源数据的农业干旱监测模型构建

在全球气候变暖的大背景下,干旱事件发生越来越频繁,严重危害我国的粮食生产安全。构建准确的干旱监测模型不仅能够及时地反映出干旱事件的发生,同时可以为地方政府制定减灾保产措施提供科学支撑和保障。传统的气象干旱监测方法因为缺乏对植被本身需水状态和土壤供水信息的考虑旱情判定结果往往比实际情况偏重,而遥感监测指标大多只考虑了植被或土壤等单方面因素具有局限性,目前已有的综合干旱监测模型大多以气象指标为因变量,一方面需要数据资料较多参数复杂,另一方面模型准确度依赖于气象指标对当地农业干旱的响应能力,而同一气象指标在不同区域适应性存在差异,因此同样存在局限性。本文以河南省的冬小麦为研究对象,利用2001-2011年的EOS-MODIS数据产品以及气象站点监测数据,计算了标准化降水蒸散指数SPEI、植被状态指数VCI、温度状态指数TCI、温度植被状态指数TVDI,同时结合河南省农业气象灾害旬报对冬小麦受灾的记录,构建了基于决策树的定性农业干旱监测模型。测试集结果表明,模型综合了大气异常信息、植被状态信息以及土壤水分信息,优于单个指标的监测结果。另外,基于此模型监测了河南省2009年4-5月的干旱事件,结果与实情相符,能够较好地反映农业旱情的发生和空间演变情况。     

利用GRACE/GRACE-FO重力卫星探测黄河流域水储量能力及极端气候发生的可能性

基于2004~2021年GRACE/GRACE-FO重力卫星数据反演黄河流域陆地水储量时空变化,并构建干旱指数模型和洪水因子模型,对黄河流域的极端气候现象进行分析研究。结果表明,2004~2021年黄河流域的陆地水储量以0.56 cm/a的速度减少,具有明显的季节周期性特征,在夏季和秋季呈盈余状态,春季和冬季呈亏损状态;干旱指数模型监测到期间黄河流域发生极度干旱事件22次、重度干旱事件37次,干旱事件范围涵盖整个黄河流域;洪水因子模型探测到黄河流域共发生洪水事件118次,多出现在夏季和秋季雨水较为丰沛的时候,期间黄河流域陆地水储量能力较弱,降雨量增大。利用GRACE/GRACE-FO重力卫星数据构建的干旱指数模型和洪水因子模型探测的气象结果与实际观测结果较为符合,能真实反映黄河流域发生的极端气候,可为极端气候研究提供有利工具。     

基于GRACE重力卫星数据监测分析贵州干旱特征

基于GRACE重力卫星数据,采用改进的组合高斯滤波法和尺度因子法提高数据精度,利用陆地水储量变化原理反演贵州2003-08?2013-07的水储量变化量,并将计算的相对水储量指数作为干旱指标,提出运用游程理论基于相对水储量指数识别干旱历时和干早烈度,监测分析贵州干旱特征.结果表明,基于GRACE卫星数据获得的相对水储量...     

一种更加严密的GNSS台站位移热弹性效应模型

GNSS基准站天线观测墩及其所在基岩会随地表温度变化产生热弹性形变,并累积为GNSS台站的位移.热弹性效应的定量分析对于准确分离GNSS基准站坐标时间序列中的信号和噪声具有重要意义.基于弹性力学和热弹性力学的相关理论,给出一维温度场下轴对称观测墩热弹性形变的解析解.结果表明,观测墩的垂向位移由观测墩和基岩的泊松比、热膨...     

云南地区非弹性衰减系数及场地响应研究

利用2011～2015年云南区域地震台网的数字波形资料,选取互相衔接的3段几何衰减模型,运用基于遗传算法的Atkinson方法反演云南地区的介质品质因子Q(f),得到云南地区Q值与频率的关系为Q(f)=193.8f0.528。采用Brune的ω平方模型约束震源位移谱,使用Moya方法联合多台多地震数据计算得到46个台站的场地响应。结果显示,岩石台基对地震波信号在不同频段的放大作用并不相同,云南地区场地响应总体存在明显的低频放大、高频衰减现象,在卓越频段1～4 Hz场地放大倍数大多在1～10倍,而在高频段（10 Hz以上）场地的衰减大多在0.05~1倍。     

非构造形变对中国大陆GNSS基准站垂向周期运动的影响

解算陆态网络2011~2013年GNSS基准站,获取其坐标时间序列,并定量计算非潮汐海洋、大气、积雪和土壤湿度对测站产生的非构造形变,以修正GNSS垂向时间序列。修正后,GNSS垂向序列特性发生显著变化:周年运动振幅和初相均发生明显变化,振幅明显缩小(个别站增大),缩小幅度因不同区域而存在差异;修正前相位与修正后存在一定的系统偏差,大约滞后2~3个月,这种系统偏差可能是GNSS测站对地球物理因素"迟钝反应"的综合表现;半周年运动的变化主要体现在振幅上,缩小幅度在1mm左右。     

基于ICEEMDAN与最小二乘的GNSS垂向序列噪声与非构造形变去除

通过完备总体经验模态分解(ICEEMDAN)与最小二乘法开展GNSS垂向序列的噪声与非构造形变去除研究。首先,采用ICEEMDAN方法对GPS垂向序列进行分解,分析GNSS垂向序列的年周期项、半年周期项和趋势项;然后,通过改进的小波阈值和排列熵值法对GNSS垂向序列进行降噪处理;最后,利用最小二乘法拟合非构造形变序列,找出与其最为接近的分解层数并进行改正,获得去除噪声和非构造形变的GNSS垂向形变信息。结果表明,利用ICEEMDAN方法可实现GNSS垂向序列噪声的有效去除;采用ICEEMDAN与最小二乘法可提高GNSS垂向序列形变测量精度,其中RMS值平均减小1.28 mm,WRMS差值平均增大0.33 mm。     

广西区域速度场模型构建与应变特征分析

利用GAMIT/GLOBK软件解算2009-01～2019-06广西地区83个GNSS站数据,获得ITRF2014框架下GNSS站速度场,并通过Kriging插值法构建广西区域三维速度场模型。联合广西及周边136个GNSS站观测结果,采用格网距离加权法计算区域应变场,并对应变场特征进行分析。结果表明,ITRF2014框架下广西区域平均水平运动速率为34.95 mm/a,优势方向为N106.3°E,垂向运动表现为区域性缓慢隆升和沉降。23.5°N以北区域呈面应变压缩变形状态,以近SN向、NW向主压应变为主;23.5°N以南区域则呈面应变拉张变形状态,并以自西向东扇形展开的张应变为主。剪切应变场表现为四周高值、中部过渡带为低值。研究区内近10 a内地震主要发生在剪切应变高值向低值转变的区域,且时空上具有从断裂带一端向另一端迁移并折返的变化特点。     

基于GNSS应变时序的云南地区构造运动与地震事件孕震模式分析

基于2011年以来云南地区59个GNSS测站的连续观测资料,计算面应变异常网格变化的时间序列,结合异常格网所在区域的动力学和地质构造背景、断层活动特性及震源机制等对区域异常的时空分布特征及地壳形变异常与地震事件之间的关系进行综合分析,并以2013-08-28发生的5.1级德钦地震为例验证基于应变时序孕震分析方法的有效性。结果表明,在宏观分析区域面应变长期背景特征的基础上,基于区域断裂活动性质和应变时间序列分析探讨面应变短期异常与地震事件之间关系的分析方法具有一定的科学合理性,能够在地震发震前夕得到有效的预报信号。     

LOESS用于GNSS垂向坐标时间序列噪声识别与提取

针对GNSS垂向坐标时间序列噪声复杂、精度较差等特点,采用局部加权回归模型(locally weighted regression, LOESS)对中国大陆构造环境监测网络中289个GNSS站的垂向坐标时间序列进行降噪分析。首先利用LOESS方法对预处理后的时间序列进行降噪处理,得到降噪后的时间序列及噪声序列;然后采用Durbin-Watson(DW)检验对降噪后的噪声序列进行自相关性检验,同时采用Wilcoxon秩和检验方法对降噪前后序列的标准差、噪声项、速度不确定度等指标进行显著性检验;最后采用降噪前后序列的信噪比及前3个指标来定量评价降噪效果。结果表明,各测站降噪后的噪声序列不存在自相关性,采用LOESS方法降噪处理后各评价指标均有显著改正,表明LOESS方法能够有效减少GNSS垂向坐标时间序列中的噪声,进一步提高GNSS垂向坐标时间序列的精度。     

GPS观测到的云南地区季风与干旱年变特征

正武汉大学姜卫平等利用云南地区的26个GPS连续站观测资料分析该地区的水汽和垂向位移,并结合GRACE和降水量观测结果探讨了它们之间的经验关系。研究表明,联合GPS、GRACE和降水量等观测手段能够监测区域季风变化和干旱异常等气候特征,为全面了解区域性气候变化特点提供了一种新手段。相关成果发表于     

2015年尼泊尔MW7.8地震近场GNSS时间序列分析

收集尼泊尔地震近场密集的GNSS测站数据,采用GAMIT/GLOBK软件包解算2011～2017年尼泊尔近场58个GNSS连续观测站和41个震后GNSS流动观测站数据,对获得的数据进行周期性、共模误差以及噪声的时间序列分析。结果显示：1)GRACE改正GNSS时间序列周期项,可使E、N、U三个分量的WRMS平均降低15.52%、26.41%和45.06%;2)针对时间序列中存在大量缺失数据,改进传统的PCA方法,利用第一主成分计算共模误差,3个分量有效率分别达到61.91%、53.91%和53.88%;3)噪声分析表明,尼泊尔地震近场GNSS站点最佳噪声模型为WN+FN,相比单纯的WN模型,WN+FN模型估计震间速度、同震和震后位移误差分别约为其6～9倍、4～7倍和2～4倍。该研究结果对区域坐标框架维护、尼泊尔地震的同震破裂和震后余滑的地球物理模型反演具有重要意义。     

基于FFT与小波变换的SOI与GNSS ZTD的周期变化影响研究

为探究ENSO事件对GNSS ZTD(水汽)周期变化的影响及其相互关系,以河北省为例开展ENSO事件对GNSS ZTD及其周期变化的影响研究。首先利用快速傅里叶变换方法筛选出南方涛动指数（SOI）与GNSS水汽的共同周期,再利用小波变换提取GNSS水汽与SOI共同周期所在的高频项,并将重构的高频项与SOI进行相关性分析。结果表明,SOI与GNSS ZTD存在负相关性,由此推断ENSO事件与GNSS ZTD的周期变化存在一定关联。利用快速傅里叶变换方法分别提取ENSO事件和正常气候下GNSS ZTD的变化周期,分析ENSO事件对GNSS ZTD周期变化的影响,结果表明,ENSO暖事件（厄尔尼诺事件）对GNSS ZTD的最长显著周期存在显著影响;ENSO冷事件（拉尼娜事件）对GNSS ZTD的最长显著周期影响较弱。     

MJO对2011年秋季云南干旱期间一次强降水过程的可能影响

为了探讨2011年10月26~30日云南南部一次强降水过程发生的可能原因,采用诊断、合成和相关等分析方法,得到2011年10月的强热带低频振荡过程是云南南部强降水过程的一个重要影响因素。2011年10月中下旬热带低频振荡在印度洋地区异常活跃,特别是热带低频振荡对流中心在第2位相(印度洋中西部)维持了9天(20~28日),强降水过程就发生在此期间。26~30日虽没有明显冷空气配合,但热带低频振荡进入第2位相后云南上游(孟加拉湾地区)开始出现持续稳定的水汽通量和水汽通量辐合,随着南支槽的东移和副高的缓慢东移,水汽在槽前西南气流和副高外围气流的引导下源源不断向云南南部输送水汽,是南部出现强降水过程的直接原因。相关性分析和合成分析表明,热带印度洋-5°S~5°N,65°E~90°E地区的对流与云南南部降水存在显著正相关关系,当热带低频振荡对流位于第2位相(印度洋中西部),云南上游水汽条件明显改善,南部降水异常偏多。关注热带低频振荡的演变和发展,对于把握类似2011年秋季这样的强降水过程预报是有帮助的。     

基于SPEI的内蒙古地区近55年干旱时空变化趋势分析

研究干旱变化的特征,有利于预防干旱发生.利用1961～2016年内蒙古境内的气温、降水数据计算得到不同时间尺度的标准化降水蒸散指数,结合趋势分析法、Mann-Kendall突变检验法和消除趋势波动(DFA)分析法,分析不同时间尺度干旱演变趋势及未来干旱预测.结果表明:①内蒙古年际干旱呈现增加趋势,1995年发生突变,由湿润转变为干旱.总体上,内蒙古地区呈现东部干旱程度加重,而西部减缓的趋势.轻旱发生频率较高,且东南部干旱的发生较多.②春、夏和秋季存在明显变干及突变趋势,且突变年份不一致,而冬季有不太明显的变湿趋势.春、夏和秋季干旱发生较为严重且范围较广.③在未来,内蒙古地区干旱将保持现有趋势,干旱仍持续一段时间.