利用卫星观测数据评估GLDAS与WGHM水文模型的适用性

利用2002—2012年的GLDAS和WGHM模型模拟水文产品,以及重力恢复与气候试验卫星（Gravity Recovery and Climate Experiment,GRACE）观测数据,计算了全球范围内30个主要流域的水储量变化时间序列,从模拟数据与观测数据的年周期振幅、长期趋势项及时空分布一致性等几个方面,对GLDAS和WGHM进行了评估。结果表明,GLDAS的4个子模型都表现出了明显的季节性变化,CLM年周期振幅输出最小,MOSAIC和VIC最大,NOAH居中,且最接近4个子模型的平均值。与GRACE结果相比,约80%流域的GLDAS与WGHM模型年周期振幅输出呈明显低估现象,且GLDAS的低估程度大于WGHM,但靠近北极高纬度地区的流域有相反的情况出现。在长期趋势项方面,三者结果差异较大,尤其是对于面积较小且人类活动影响较大的流域,GLDAS与WGHM模型不能充分反映人类活动的影响,模型输出表现较差,GRACE结果更接近实际情况。此外,还研究了流域水储量长期变化趋势与灌溉率的关系,发现呈现明显下降趋势的流域主要集中在高灌溉率（>10%）地区,而灌溉率是影响流域水储量变化的重要因素之一。     

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。     

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。     

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。     

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。     

利用Forward-Modeling方法反演青藏高原水储量变化

青藏高原水资源对我国经济社会发展及气候变化影响深远。借助重力反演与气候实验(gravity recovery and climate experiment, GRACE)卫星重力数据,针对其滤波泄漏误差影响,采用Forward-Modeling方法进行定量估算。在顾及冰川均衡调整(glacial isostatic adjustment, GIA)效应情况下,反演青藏高原水储量变化,将结果与全球水评估与预测模型(water-global assessment and prognosis hydrology model, WGHM)进行比较分析。利用短时傅里叶变换提取时序信号的时频谱特征,并结合全球降水气候中心(global precipitation climatology centre, GPCC)降水数据探讨水储量与降水的关系。研究发现:(1)恢复泄漏信号后水储量变化呈现明显的空间差异性,大部分时段青藏高原正北和东南部水储量大幅盈余,正南和西南部水储量快速亏损,其空间特征与WGHM模型结果基本一致。(2)水储量时频谱分布以低频信号为主,其动态变化具有明显的季节性和阶段性变化,周年振幅达到7.5 cm。2003—2004年水储量增加速率为(3.9±4.9)cm/a;2005—2010年亏损速率为(-0.3±0.8)cm/a;2011—2014年上升速率为(0.2±1.6)cm/a。(3)降水是影响陆地水储量变化的主要因素,在降水明显偏少的2006年和2009年,水储量均存在明显负异常;在降水偏多的2010年,水储量显著回升。实验证明,该泄漏误差改正方法和研究结果对于区域水储量变化的定量研究具有重要参考价值。     

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。     

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、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。     

红柳江区域陆地水储量变化及其驱动因素分析EI北大核心CSCD

本文利用CSR-RL06和Tongji-Grace2018时变重力场模型反演了2003年1月—2016年12月红柳江区域陆地水储量变化,并联合降水、蒸散、径流和人类活动耗水等多源数据建立了区域水量平衡方程,定量评估了该区域陆地水储量变化的主要驱动因素。结果表明:①考虑人类活动耗水为区域陆地水储量输出项时,由水量平衡方程闭合差计算的均方根误差降低了39%。②气象水文因素贡献率仅于2009、2011和2016年为负,其均值为-22.5%,其余年份正贡献率均值为47.7%;人类活动耗水贡献率始终为负,其均值为-34.8%。③龙滩水库蓄水变化与该区域陆地水储量变化相关系数为0.66,均存在一年和两年主周期信号。     

Separation of global time-variable gravity signals into maximally independent components

The Gravity Recovery and Climate Experiment (GRACE) products provide valuable information about total water storage variations over the whole globe. Since GRACE detects mass variations integrated over vertical columns, it is desirable to separate its total water storage anomalies into their original sources. Among the statistical approaches, the principal component analysis (PCA) method and its extensions have been frequently proposed to decompose the GRACE products into space and time components. However, these methods only search for decorrelated components that on the one hand are not always interpretable and on the other hand often contain a superposition of independent source signals. In contrast, independent component analysis (ICA) represents a technique that separates components based on assumed statistical independence using higher-order statistical information. If one assumes that independent physical processes generate statistically independent signal components added up in the GRACE observations, separating them by ICA is a reliable strategy to identify these processes. In this paper, the performance of the conventional PCA, its rotated extension and ICA are investigated when applied to the GRACE-derived total water storage variations. These analyses have been tested on both a synthetic example and on the real GRACE level-2 monthly solutions derived from GeoForschungsZentrum Potsdam (GFZ RL04) and Bonn University (ITG2010). Within the synthetic example, we can show how imposing statistical independence in the framework of ICA improves the extraction of the ‘original’ signals from a GRACE-type super-position. We are therefore confident that also for the real case the ICA algorithm, without making prior assumptions about the long-term behaviour or on the frequencies contained in the signal, improves over the performance of PCA and its rotated extension in the separation of periodical and long-term components.     

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。     

Combination of temporal gravity variations resulting from superconducting gravimeter (SG) recordings, GRACE satellite observations and global hydrology models

Gravity recovery and climate experiment (GRACE)-derived temporal gravity variations can be resolved within the μgal (10^?8 m/s ²) range, if we restrict the spatial resolution to a half-wavelength of about 1,500 km and the temporal resolution to 1 month. For independent validations, a comparison with ground gravity measurements is of fundamental interest. For this purpose, data from selected superconducting gravimeter (SG) stations forming the Global Geodynamics Project (GGP) network are used. For comparison, GRACE and SG data sets are reduced for the same known gravity effects due to Earth and ocean tides, pole tide and atmosphere. In contrast to GRACE, the SG also measures gravity changes due to load-induced height variations, whereas the satellite-derived models do not contain this effect. For a solid spherical harmonic decomposition of the gravity field, this load effect can be modelled using degree-dependent load Love numbers, and this effect is added to the satellite-derived models. After reduction of the known gravity effects from both data sets, the remaining part can mainly be assumed to represent mass changes in terrestrial water storage. Therefore, gravity variations derived from global hydrological models are applied to verify the SG and GRACE results. Conversely, the hydrology models can be checked by gravity variations determined from GRACE and SG observations. Such a comparison shows quite a good agreement between gravity variation derived from SG, GRACE and hydrology models, which lie within their estimated error limits for most of the studied SG locations. It is shown that the SG gravity variations (point measurements) are representative for a large area within the accuracy, if local gravity effects are removed. The individual discrepancies between SG, GRACE and hydrology models may give hints for further investigations of each data series.     

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...     

Sensitivity of superconducting gravimeters in central Europe on variations in regional river and drainage basins

As underpinned by various studies in the last years, temporal changes of the Earth’s gravity field contain a wealth of information on mass redistribution processes in the Earth’s system particularly associated with variations in continental water storage. By combining satellite and terrestrial observations with superconducting gravimeters (SG) a maximum of information can be gained due to the different temporal and spatial sampling. Esp. the cluster of superconducting gravimeters in central Europe is well suited for studies related to spatial and temporal changes in continental water storage. Due to the distribution of SG sites different sensitivities of the instruments are to be expected on changes in the various river and drainage basins which could, if sufficiently pronounced, be deployed to pinpoint areas in which main discrepancies between modelled and actual water storage changes occur and would thus allow us to fine-tune hydrological models. Based on the WaterGap Global Hydrological Model (WGHM), this sensitivity of the SG observations is investigated. One compartment of the WGHM is surface water, thus comprising rivers, flooding areas, and major reservoirs. This contribution is given for the total cell of 0.5° × 0.5° and not localized, e.g. in a riverbed, therefore the question arises to which extent localization or non-localization of this compartment affects the estimate if the respective surface waters are in the vicinity of 50 km around the SG stations. It can be shown, however, that the lateral distribution of the surface water masses plays only a negligible role for the central European stations meaning distributed surface water masses are an acceptable simplification when estimating hydrological effects. It emerges that variations in water storage in regions outside central Europe produce comparable effects on gravity at all sites and the impact of basins within central Europe is clearly distinguishable among the SG stations.     

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。