联合GRACE、Swarm、GRACE-FO卫星观测确定格陵兰岛冰盖质量时空变化特征

GRACE(Gravity Recovery and Climate Experiment)重力卫星任务的成功实施,极大推进了极地冰盖质量平衡、全球水循环和海水质量变化等领域的研究,其后续任务GRACE-FO(Gravity Recovery and Climate Experiment Follow-On)于2018...     

GRACE重力卫星探测南极冰盖质量平衡及其不确定性

2002年GRACE重力卫星的成功发射为南极冰盖质量平衡的研究提供了重力探测的新纪元. 本文利用美国德克萨斯大学CSR公布的2003年1月到2013年12月期间的RL05版本GRACE月重力场数据, 采用最优平均核函数法和组合滤波法两种GRACE后处理方法反演了南极冰盖质量的时空变化. 结果表明: 在2003—2013年期间南极冰盖物质平衡呈明显的负增长状态, 质量变化趋势为-163±50 Gt/a(GW13)、-129±41 Gt/a(IJ05)、-81±27 Gt/a(W12a), 加速度为-8±10 Gt/a2, 质量消融的主要区域分布在西南极阿蒙森海岸和南极半岛的北部. 另外本文还重点探讨了可能影响到估算结果的各项误差及不确定性,分析结果显示影响南极冰盖质量平衡估算结果的最大误差源为GIA改正. 通过假设检验和信息准则对时间序列分析中拟合参数的合理选取进行了探讨和分析, 在联合周年项、半年项和S2、K2、K1潮汐混频项进行拟合分析时发现K1项对拟合结果的加速度影响比其他周期项稍大, 尽管考虑该项的合理性因当前GRACE数据时间序列长度有限而无法确切证实, 但K1项的影响值得后续关注. 对比两种GRACE后处理方法的结果发现:当采用的数据时间跨度一致, 误差改正方法相同, 两种相异的后处理方法, 其估算结果也具有较好的一致性.     

GRACE/GRACE-FO重力卫星揭示近20年河西走廊陆地水储量时空变化

河西走廊由疏勒河流域、黑河流域和石羊河流域组成,水资源保护对河西走廊生态平衡和经济发展有着重要意义.本文利用JPL GRACE/GRACE-FO Mascon模型反演该区域陆地水储量的时空变化,结合GLDAS模型、实测地下水位和冰川水模型等数据对陆地水储量进行水平衡分析及时空特征变化分析,结果表明：(1)2002-04—2020-01间由于降水和冰川融水的补充,疏勒河流域南部和黑河大部分区域陆地水储量空间变化呈上升趋势,而蒸散消耗与农业扩张则导致疏勒河流域北部和石羊河流域陆地水储量下降;(2)通过水平衡研究发现人类耗水是疏勒河流域、黑河流域和石羊河流域陆地水储量变化的重要因素,平均贡献率分别为-24.49%、-47.20%和-43.29%;(3)河西走廊水资源治理政策的实施减少了农业灌溉耗水量、控制了耕地面积的扩张、抑制了地下水储量的消耗.     

基于GRACE卫星RL05数据的南极冰盖质量变化分析

CSR(Centre for Space Research)最近发布了RL05数据,其空间分辨率、精度和周期变化特性等都优于RL04数据.本文采用300 km的扇形滤波及P5M11去相关滤波削弱南北条带等重力场模型误差,并采用Paulson2007模型进行冰川均衡模型改正,利用CSR RL05与RL04数据计算分析了南极2002年到2012年的质量变化序列及其变化趋势的空间分布特性,并选取8个特征点进一步分析了其质量变化序列.同时,对CSR、JPL(Jet Propulsion Laboratory)、GFZ (GeoForschungsZentrum)三个机构发布的RL05数据采用相同的滤波方法进行计算,得到整个南极的质量变化分别为-195.7±20.5 Gt/a、-203.8±23.1 Gt/a、-133.2±29.9 Gt/a,对全球海平面变化的影响分别为0.54±0.06 mm/a、0.56±0.06 mm/a、0.37±0.09 mm/a.     

基于GRACE RL06数据监测和分析南极冰盖27个流域质量变化

本文基于CSR最新公布的GRACE RL06版本数据,采用Slepian空域反演法估算了南极冰盖27个流域的质量变化.Slepian空域反演法结合了Slepian空间谱集中法和空域反演法的技术优势,能够有效降低GRACE在小区域反演时信号出现的严重泄漏和衰减,进而精确获得南极冰盖在每个流域的质量变化.相对于GRACE RL05版本数据,RL06在条带误差的控制上要更加优化,获得的南极冰盖质量变化时间序列也更加平滑,但在趋势估算上差别并不明显（小于10 Gt/a）.本文的估算结果显示：在2002年4月至2016年8月期间,整个南极冰盖质量变化速率为-118.6±16.3 Gt/a,其中西南极为-142.4±10.5 Gt/a,南极半岛为-29.2±2.1 Gt/a,东南极则为52.9±8.6 Gt/a.南极冰盖损失最大的区域集中在西南极Amundsen Sea Embayment（流域20-23）,该地区质量变化速率为-203.5±4.1 Gt/a,其次为南极半岛（流域24-27）以及东南极Victoria-Wilkes Land（流域13-15）,质量变化速率分别为-29.2±2.1 Gt/a和-19.0±4.7 Gt/a,其中Amundsen Sea Embayment和南极半岛南部两个地区的冰排放呈现加速状态.南极冰盖质量显著增加的区域主要有西南极的Ellsworth Land（流域1）和Siple Coast（流域18和19）以及东南极的Coats-Queen Maud-Enderby Land（流域3-8）,三个地区质量变化速率分别为17.2±2.4 Gt/a、43.9±1.9 Gt/a和62.7±3.8 Gt/a,质量增加大多来自降雪累积,比如：Coats-Queen Maud-Enderby Land在2009年和2011年发生的大规模降雪事件,但也有来自冰川的增厚,如：Siple Coast地区Kamb冰流的持续加厚.此外,对GRACE估算的南极冰盖质量变化年际信号进行初步分析发现,GRACE年际信号与气候模型估算的冰盖表面质量平衡年际信号存在显著的线性相关关系,但与主要影响南极气候年际变化的气候事件之间却不存在线性相关关系,这说明南极冰盖质量变化的年际信号主要受冰盖表面质量平衡的支配,而气候事件对冰盖表面质量平衡的影响可能是复杂的非线性耦合过程.

     

南极和格陵兰岛GPS连续台站背景噪声时空特性

基于GPS观测数据获取的陆地垂向运动对研究现今两极区域的冰川质量变化具有重要的科学意义.受地表环境负荷对GPS时间序列中背景噪声空间异质性的影响, 在利用GPS时间序列获取垂向速度场时, 估计结果存在较大不确定度.本文针对南极和格陵兰岛区域的GPS连续观测时间序列中背景噪声的空间特性对速度场及其不确定度的影响问题, 利用地表环境负荷模型(包括大气、非潮汐海洋和水文负荷)和重力卫星GRACE/GRACE-FO观测数据反演的地表弹性形变对GPS时间序列进行了改正.通过对改正前后的数据进行背景噪声特性分析, 揭示出修正环境负荷形变能够有效降低极区GPS时间序列背景噪声幅度, 但是大气和非潮汐海洋负荷改正造成了大多数台站背景噪声谱指数的减小, 南极和格陵兰岛分别约为其GPS台站总数的46.1%和84.6%, 直接导致了对GPS速度不确定度估计的改善效果不明显.对背景噪声空间异质性的研究结果表明, 极区台站的背景噪声参数主要表现为随纬度变化的空间特性.

     

联合GRACE和ICESat数据分离南极冰川均衡调整(GIA)信号

2002年发射的GRACE重力卫星为南极冰盖质量平衡提供了一种新的测量方式,但由于南极GIA模型的不确定较大,进而影响GRACE结果的可靠性.本文联合2003-2009年的GRACE和ICESat等数据实现了南极GIA信号的分离,联合方法所分离的GIA不依赖于不确定性很大的冰负荷等假设模型,而是直接基于卫星观测数据估算而来的,具有更大的可靠性.在分离过程中,本文提出了冰流速度加权改正法和GPS球谐拟合改正法对GIA结果进行精化,同时引入了南极GPS观测站的位移数据对分离的GIA进行详细的评估和验证,GPS验证表明经过冰流速度加权和GPS球谐拟合双改正后的GIA结果精度明显得到提高.最后本文利用所分离的GIA对GRACE和ICESat结果进行了改正,得到2003-2009年南极冰盖质量变化的趋势为-66.7±54.5 Gt/a（GRACE）和-77.2±21.5 Gt/a（ICESat）,相比采用其他的GIA模型,本文的GIA结果使GRACE和ICESat这两种不同观测技术得到的南极冰盖质量变化结果更加趋于一致.     

基于ICESat块域分析法探测2003～2008年南极冰盖质量变化

利用2003～2008年间的ICESat卫星激光测高数据,通过块域交叉点分析提取南极大陆冰盖表面高程变化信息,同时探讨了卫星激光测高不同任务间的系统偏差,结合冰盖地表粒雪密度模型探测南极大陆冰盖质量变化,并对其原因做了初步分析.结果显示南极大陆冰盖高度变化具有明显的年周期信号,平均周年振幅为2.21 cm.在南极大陆的...     

基于GRACE资料研究南极冰盖消减对海平面的影响

利用5年的GRACE重力数据,计算了南极1°×1°等效水量时间序列,得到每个格网的趋势项,结果表明在西南极Amundsen区域有明显的负增长,超过-80 mm/a,南极半岛存在着负增长,东南极Enderby Land地区质量增长;计算得到2002年7月到2007年9月南极、东南极和西南极冰盖的等效体积变化分别为-78±37 km3/a,-3±46 km3/a和-75±50 km3/a,对应海平面变化的贡献为0.21±0.1 mm/a,0.008±0.127 mm/a和0.2±0.14 mm/a.该结果与国际最新研究结果一致.同时发现冰后回弹是影响利用GRACE研究南极冰盖质量变化的关键因素.     

利用重力卫星GRACE监测亚马逊流域2002—2010年的陆地水变化

本文利用GRACE (Gravity Recovery and Climate Experiment) 卫星重力资料研究了亚马逊流域2002—2010年的陆地水变化,并与水文模式和降雨资料进行了比较分析.在年际尺度上,GRACE结果表明:2002—2003年和2005年,亚马逊流域发生明显的干旱现象;2007年至2009年,陆地水呈逐年增加的趋势,并在2009年6月变化值达到最大,为772±181 km3;自2009年6月至2010年12月,陆地水总量又急剧减少了1139±262 km3,这相当于全球海平面上升3.2±0.7 mm所需的水量.水文模式得到的亚马逊流域陆地水在2010年也表现出明显的减少.降雨资料与GRACE观测资料有很好的一致性.在2005年和2010年的干旱期,亚马逊流域的降雨显著减少,说明降雨是亚马逊流域陆地水变化的重要因素.此外,本文采用的尺度因子的方法有效地降低了GRACE后处理误差的影响.     

基于GRACE卫星和地表流动重力的汶川MS 8.0地震前重力时空变化

利用GRACE卫星重力场模型和地表流动重力观测资料,计算2008年汶川M_S 8.0地震发生前6年的重力变化,对卫星和流动重力段差结果与卫星重力反映的重力场动态变化特征进行研究,结果表明：①GRACE卫星重力段差受滤波半径影响显著,与地表流动重力观测结果相比,在重力变化数值上差异较大,在变化率上较为一致;②在汶川地震孕育阶段,川滇地区重力等值线呈“增大—减速增大—减小”的特征,震前2年形成近似垂直于龙门山断裂带的重力变化梯度带。     

日本MW9.0地震震区及其周缘2002—2015年卫星重力变化时空特征

本文在考虑全球陆面数据同化系统陆地水储量变化影响后,利用2002年4月—2015年4月GRACE卫星RL05月重力场模型获取了2011年日本M_W9.0地震震中及其周边区域的重力场信息;然后给出了日本及其周边2003—2015年的年度累积重力变化和差分重力变化,并且利用经验正态函数方法深入分析了该地震过程中同震重力变化对区域重力场的贡献. 结果显示:日本M_W9.0地震前研究区域出现了幅值高达2×10-8 m/s2的异常重力变化,其同震效应的时间和空间特征均出现在第一模态,且同震重力变化和震后区域重力场变化特征显著,这充分表明该地震对区域重力场的影响显著.      

近四年全球海水质量变化及其时空特征分析

本文利用卫星重力、卫星测高和海洋温盐数据反演计算全球海水质量变化,并分析其时空变化特征.卫星重力数据利用2003年1月~2006年12月的GRACE月时变重力场球谐系数,同时考虑替换一阶项和C20项,并进行了相关误差滤波、高斯滤波和陆地水文信号泄漏改正,计算得到海洋等效水高变化;利用相同时间跨度的卫星测高数据和海洋温度、盐度水文观测数据,计算全球海平面变化和比容海平面变化,反演得到海水质量变化.反演的两种海水质量变化的年际变化特征一致性较好.三种数据得到的长期趋势变化,与1993~2003年的结果相比,可以看出,海水质量变化加速,并已成为全球海平面上升的主要因素.     

重力卫星GRACE检测出2010年智利Mw8.8地震的同震重力变化

本研究通过对重力卫星GRACE观测数据的处理,采用去相关加300 km半径的高斯平滑,成功地提取了2010智利M_w8.8地震所产生的重力变化信号,最大变化幅度达到7 μGal,并且与位错理论计算结果具有较好的一致性.这是继GRACE检测出2004苏门答腊M9.3地震重力变化后的又一个卫星观测地震的例证,说明GRACE具有检测出M<9.0量级地震的能力,为利用GRACE研究地震以及其更广泛的应用提供了可靠的依据.     

利用重力卫星研究青海玛多及云南漾濞地震周边2002—2021年重力变化

文中基于2002—2021年卫星重力观测数据及全球水文模型,计算了青海玛多及云南漾濞地震震中区及周边(18°～45°N,83°～115°E)范围的重力变化趋势、累积重力变化、差分重力变化及重力时变序列,并模拟青海玛多地震同震重力变化,以探索涵盖此次地震震中的大尺度重力变化背景及可能存在的孕震信息。研究结果表明:1)研究区域长期重力变化趋势的范围为-1～1μGal·a^-1,重力变化长期呈现出负—正—负—正的大四象限空间布局; 2)云南漾濞地震及青海玛多地震均位于重力变化四象限分布的低值区及高梯度带的拐角处,这与地表重力地点预测的基本特征一致;3) 2002年以来的M_S≥7.0地震,如汶川地震、玉树地震、芦山地震、九寨沟地震、玛多地震、尼泊尔地震等都发生在该四象限分布的中心区域或与构造相关的高梯度带的拐角处,这与地面重力地震预测的震例经验吻合; 4)基于位错理论模拟的青海玛多地震的同震重力变化可达-40～151μGal,重力卫星精度需要提高1～2个量级方能探测到这一变化。重力卫星星座的搭建将为提高卫星重力地震监测能力提供可能。     

由TOPEX/Poseidon和Jason-1/2探测的1993—2012中国海海平面时空变化

海平面变化是社会经济发展和科学研究的重要内容.利用1993年1月至2012年12月共20年的TOPEX/Poseidon、Jason-1和Jason-2卫星测高数据,研究中国海海平面的时空变化.首先通过三颗卫星伴飞阶段数据得到三颗卫星之间的逐点海面高系统偏差,进行逐点海面高改正,建立了20年的中国海海面高异常时间序列.分析了中国海海面高异常空间分布,给出了1月到12月月均平均海平面异常的空间变化规律.分析了中国海海面高异常的时变规律,分别给出了年、季度和月的海面上升速率.利用小波分析研究了中国海海面高异常周期变化规律,分别给出了渤海、黄海、东海和南海的海面高变化周期.讨论了ENSO对海面高异常的影响.     

采用观测与卫星资料得到的地转流和谱分析研究2002年春季吕宋海峡海流的变化

基于自2002年3月17日至4月15日在锚定测流站平均位置（20°49′57″N,120°48′12″E）处观测海流,在吕宋海峡从卫星绝对地形导出的地转流（简称为卫星地转流）以及采用最大熵方法作谱分析,研究了吕宋海峡海流的结构和变化.在锚定测流站处亚潮流表明,当水深增大时,流速减少,流向则以反气旋方向旋转.这揭示在上层海流向南海进入,而在中层南海水向太平洋流出.在吕宋海峡海流的垂直结构充分地显示吕宋海峡的三明治结构,虽然在海底附近水层并未进行观测.谱分析结果表明存在以下显著的谱峰周期：（ⅰ）在垂向方向上潮流变化;（ⅱ）在200和500m处,对于频率f〉0和f〈0的两种情况,都存在周期约为4～6d,而在800m处只在f〉0情况下存在上述周期;（ⅲ）在200,500和800m处,对于f〉0和f〈0两种情况都存在周期约为2～3d.上述结果揭示吕宋海峡海流自表层至800m整个水体都存在显著的天气尺度的变化.从观测流和水文与卫星观测都揭示在2002年春季吕宋海峡并不存在黑潮流套.