利用GRACE卫星数据估算柴达木盆地水储量变化

GRACE卫星作为一种高精度的新型遥感监测工具,为估算区域水储量变化提供了新的途径。本研究以GRACE卫星数据为基础,对2003~2011年柴达木盆地的水储量变化进行了估算。结果表明,研究区水储量呈上升趋势,平均增速约为0.27 mm/月,总增长量约为29.46 mm,水储量变化表现出较明显的季节特征。本研究利用辅助数据对计算结果进行了验证。2003~2011年研究区的降水量与实际蒸散量均呈波动式增长,累积降水量高于累积蒸散量,是导致水量增长的主要原因。盆地平原区水量的主要补给来源为冰雪融水与大气降水,每年5~10月的补给总量基本由降水量构成。柴达木盆地内水量增长中心位于西南部地区,水量增量呈自西向东、自西南向东北的递减趋势。

基于Forward-Modeling方法的黑河流域水储量变化特征研究

黑河流域陆地水储量变化对流域下游等周边区域水资源的合理利用以及经济和社会发展等有着重要的意义.本文利用2003年1月至2013年12月的GRACE RL05数据反演了黑河流域陆地水储量长时间序列的变化,并针对重力场模型和数据处理中产生的信号泄漏问题,采用Forward-Modeling方法进行了改正并恢复泄漏信号;将GRACE获得的泄漏信号恢复前后的黑河流域水储量变化结果与全球水文模型GLDAS和CPC进行比较分析,结果表明泄漏信号改正后的结果与水文模型结果的时间序列相关性均有明显提高,从其空间分布结果可以看出Forward-Modeling方法有效地恢复初始信号、增强被湮没的信号,泄漏信号误差减小;通过分析黑河流域水储量变化的长时间序列结果,发现其具有明显的阶段性变化特征,即2003—2006年呈明显下降趋势,约为-0.86cm·a-1,在2007—2010年趋于平衡状态,而2011—2013年则呈现缓慢上升趋势约为0.14cm·a-1;联合GRACE数据和GLDAS数据反演了黑河流域地下水储量变化,并与全球降雨数据GPCC进行了比较分析,两者相关性可达到0.88以上.

全球水储量变化的GRACE卫星检测

利用GRACE月尺度变化的地球重力场反演了全球水储量变化,并与陆地水文资料、卫星测高资料及海洋模式得到的结果进行了比对.通过对SOURE台站重力变化的陆地水储量变化计算结果和GRACE重力场系数截断为15阶得到的结果比较,发现两者比较接近,且年周期变化特征明显.对于亚马逊流域,当重力场系数截断为15阶且平滑半径使用106m时,GRACE反演的区域平均水储量厚度的周年变化振幅为15.6×10-2m,小于使用平滑半径为4×105m的23.7×10-2m.在研究长江流域时,本文对水文资料做球谐系数展开,并与GRACE数据做同样的截断和平滑处理,结果发现GRACE反演的水厚度变化与水文资料结果基本上符合.对于纬度±66°之间的海洋区域,GRACE反演的海水质量变化接近于结合卫星测高和海洋模式得到的结果,但对于2°×2°网格,则在一些区域差异明显,最大超过了0.2 m,中误差为3.8×10-2m.可见,当前GRACE卫星时变重力场只能确定出上千公里及以上尺度区域的水储量变化.

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2002-08—2011-06的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(Climate Prediction Center)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。

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。

利用GRACE时变重力位模型研究全球陆地水储量变化

利用GRACE Level-2数据产品推求了全球陆地水储量变化,并针对推求过程中高斯平滑半径的选择、位模型截断阶数的选择等问题进行了探讨。研究表明,在推求陆地水储量变化过程中,位模型截断阶数选为20阶,高斯滤波半径取为800km时,计算结果较优,利用GRACE位模型计算的全球陆地水储量变化结果与CPC水文模型的计算结果具有较好的区域符合性和季节对应性。

利用GRACE地球重力场模型研究中国西南区域水储量变化

利用GRACE数据中心发布的2003-01—2010-12月的月平均重力场模型,反演了中国陆地水储量变化,并结合气象和水利部门的相关实测资料,重点对西南区域的水储量变化进行了分析。结果表明GRACE提供的水储量变化结果与实际情况符合较好,2009-09—2010-04月的西南五省特大旱灾,也得到了较好的反映。

新疆天山中段南北坡水储量变化对比分析

区域水储量变化同时受多个水文气象要素影响。采用2003年1月至2013年11月GRACE重力卫星的UTCSR-RL05 L-2月数据,对比分析了近11 a新疆天山中段南北坡水储量时空变化特征及影响因素,并用GLDAS模型模拟结果进行验证。研究结果表明：（1）每年5~9月是天山中段水储量的消耗期,11月至翌年3月是水储量的积累期,北坡水储量的变幅大于南坡。（2）近11 a南北坡水储量均呈现增加趋势,北坡水储量增加幅度较大,其年周期的起始时间也较南坡早14 d。（3）在影响南北坡水储量的众多因素中,冬季水储量受降水影响较大,夏季水储量受蒸发影响较大,而雪水当量变化则在冬春季节对水储量产生一定影响,但春季具有延迟性。（4）北坡水储量与降水蒸发差的一致性较好,而南坡相对较差。

基于GRACE重力卫星数据的黄河流域水储量变化研究

采用GRACE RL05 Level-2版本60阶重力场球谐系数模型,反演2004～2010年黄河流域水储量变化的时空分布特征,结果表明,黄河流域水储量变化具有明显的季节和周年变化特征,2004～2010年,黄河流域水储量整体以0.25 mm/a的速率下降,其中2006年1月～2007年5月,水储量减小速率较大,约为1.6 mm/a。将这一结果与GLDAS水文模型的计算结果进行比较,两者具有强相关性,相关系数为0.81。

利用正向建模方法反演三峡库区水储量变化

针对GRACE数据后处理过程中滤波导致的信号衰减和泄漏,利用模拟数据研究正向建模改正,改正的量级约为1cm,在利用GRACE反演陆地水储量变化时这一影响因素不可忽略。基于2002-07~2014-12的GRACE Level-2数据反演三峡库区的水储量变化,结果表明,正向建模改正前后GRACE年周期项振幅分别为7.0±2.4cm和7.2±2.7cm,改正后信号泄漏有所减小;GRACE和水文模式数据均表现出明显的季节性特征,但GRACE受多种因素的综合影响,其周年项振幅略大于水文模式;水库3次蓄水引起的等效水高变化分别为60.2mm、28.3mm、20.5mm,与利用水位观测估计得到的库区容量变化具有较好的一致性;分析2003~2009年正向建模改正前后GRACE反演得到的三峡地区等效水高变化速度的空间分布发现,改正后库区蓄水信号明显收敛。

利用GRACE卫星时变重力场监测长江、黄河流域水储量变化

利用GRACE时变地球重力场数据反演长江、黄河流域的水储量变化,并对比水文模型研究其季节性和年际变化特征。将流域水储量变化与降水资料进行对比分析发现,长江、黄河流域的水储量变化与降水量在不同尺度和频段存在较好的时空变化一致性。研究表明,利用GRACE时变重力场可以监测全球陆地水储量的变化,其监测能力可揭示cm级等效水高变化。

利用GRACE重力卫星观测研究近7年云南省水储量变化

基于高斯平滑法对2002年8月-2010年6月共计95个月的GRACE RL04数据反演得到云南省水储量数据,结合云南省122个气象台站的月降水、月气温资料,利用趋势分析方法研究了云南省近7年来的水储量时空变化特征。结果表明,水储量的月变幅变化过程与降水的月变化过程具有一致性,从水储量变幅可以反映出云南省2010年特大干旱事件和2005年比较严重的初夏干旱事件。云南省西北部近7年来降水减少,气温升高使得蒸散发量增加,导致该区域的水储量呈减少趋势,但是东南部受降水增加以及人类蓄水等工程的影响,水储量呈增加趋势。同一区域水储量的年内变化趋势在不同季节有所差异,除夏季有效降水量变化趋势与水储量变化趋势不一致之外,其他季节的水储量与有效降水变化趋势一致。

青藏高原区域水储量变化的GRACE RL06和TRMM联合反演

近10年来,独立成分分析(ICA)逐渐被引入地球时变重力场的成分提取中。ICA因其提取成分的独立性,解决了运用主成分分析(PCA)时各提取成分仅互不相关的这一关键性问题。基于负熵的FastICA算法是常见的ICA方法,该算法的收敛较梯度算法快,且负熵的稳健性较峭度更好。本文采用上述算法,旨在探寻青藏高原区域水储量成分与降水成分之间的联系。研究表明,青藏高原的水储量变化较降水存在着7个月的延迟效应,显示出除季节性冻土与冰川的冻融和季风气候所带来降水贡献之外,还客观存在着因区域内水交换造成的延迟。结合特征信号来看,青海中部、西藏西部与西藏中东部之间的年均水储量变化刚好相反,在全球变暖所导致的冻土与冰川加速消融的大背景下,因气候与内外流区的不同造成区域水储量变化的差异性,此外上述区域的水储量变化也因青藏高原南北板块构造的不同而体现出差异性。研究证明了在大尺度范围内运用FastICA算法分析区域水储量成分及其相关因素变化的可行性。

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。

基于GRACE RL06的云贵高原水储量变化反演及分析

云贵高原河流湖泊众多、季节性水文活动剧烈,监测其水储量长期变化具有重要意义。联合利用GRACE RL06数据及GLDAS进行云贵高原陆地、地表和地下水储量变化反演,针对GRACE信号泄露、C20项误差和区域水储量加权策略进行了对比研究,并利用相关性分析、趋势分析和L-S时频分析对2003年1月至2010年12月云贵高原水储量变化时序进行了特征分析。结果表明,GRACE与GLDAS反演水储量时序之间相关系数达0.94,且两者变化趋势一致;水储量变化年周期显著,并存在0.5、2、3年周期;2003~2010年底地下水储量变化以2007年6月为节点,呈先减后增趋势,分别为-4.4、0.7mm/a,且总体呈增加趋势,为5.4mm/a,有效揭示了2003~2006年夏季干旱及2010年初严重干旱的旱情发展过程。

黄河中上游地区水储量变化及陆地水负荷形变研究

随着经济发展以及城镇化速度加快,人类对水资源的开发利用也迅速增加,从时空上掌握水资源的变化不仅可以为水资源管理决策提供数据支撑,还可以用于研究地球表面水负荷相关的科学问题。论文以GRACE卫星重力数据为主,结合水文模型数据、气象数据、水文地质数据及其他辅助数据,研究了黄河中上游地区具有不同空间尺度的黄土高原和湟水流域两个区域内的水储量变化,并在此基础上,联合GPS数据分析了湟水流域内陆地水迁移引起的负荷形变。

利用多源卫星数据研究青藏高原湖泊水储量变化及其影响因素

青藏高原分布着地球上海拔最高、数量最多的高原湖泊群,也是我国湖泊最集中的地区,有效掌握青藏高原湖泊水储量变化对于我国水资源有效利用具有重要意义。本文的研究核心是联合多源卫星数据研究青藏高原湖泊水储量变化,主要内容包括水陆交界处波形重跟踪算法研究、多源测高数据融合、利用测高和遥感数据计算湖泊水储量变化、结合GRACE数据进行湖泊水量平衡分析和青藏高原湖泊的气候变化响应研究等。

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GRACE数据研究柴达木盆地区域水储量时空变化及干旱特征

为了进一步研究青藏高原东北部柴达木盆地水储量变化时空分布及其干旱特征,提出一种水储量时空变化及干旱特征分析方法:利用重力恢复与气候实验卫星(GRACE)数据、全球陆面数据同化模型(GLDAS)数据以及中国地面气候资料日值数据集(V3.0)中5个气象站点降水数据,通过500 km高斯滤波和去相关滤波、基于空间约束的区域质量变化估计方法和反距离加权平均法,得到2004—2016年间柴达木盆地水储量变化、相对水储量指数和标准化降水指数(SPI)。研究结果表明:时间分布上,2004—2016年柴达木盆地水储量变化整体呈上升趋势,且在2004—2006年、2007—2012年和2013—2016年3个时间段内分别呈下降—上升—下降趋势,与水文模型GLDAS计算得到的水储量变化趋势基本一致;空间分布上,除11月之外其余月份均有较为明显的南北差异;在相对水储量指数与SPI对比中,相对水储量指数与SPI变化趋势基本相同,不同于SPI指数,相对水储量指数变化幅度更小,且反映柴达木盆地干旱情况较SPI更为准确;通过GRACE监测到柴达木盆地2004—2007年为极端干旱发生状况比较严重的时间段,2006年出现夏伏旱,2015年2月干旱严重,2009年和2013年个别月份出现干旱,与柴达木盆地实际干旱情况一致。

利用GRACE重力卫星监测祁连山水储量时空变化

利用经过高斯平滑滤波处理的2003年1月～2010年12月逐月的GRACE卫星时变重力场数据反演得到祁连山山区水储量变化,其空间分辨率为1°×1°,结合同时间段该区域35个国家气象台站逐月降水资料,采用趋势分析方法研究了祁连山山区近8 a来的水储量时空变化特征。结果表明:祁连山山区水储量变化从空间分布上来看具有明显的空间差异性,总体表现为东少西多,南多北少的空间分布格局。在时间上,水储量变化与降水一样具有明显的季节变化规律,两者变化过程基本一致。祁连山山区平均水储量变化趋势的年内分布总体上为1～12月水储量趋势呈由高到低的递减变化。1～11月份,变化趋势为正增长,最大正增长为47.8 mm/a,出现在6月份。12月变化趋势呈负增长,负增长趋势为-2.5 mm/a。2003-2010年祁连山山区水储量总体上呈逐年上升趋势,平均上升速度为0.72 mm/mon,8 a间水储量增加约13.6×108m3,其主要原因一方面是由于气候转暖使该区冻土退化,活动层加厚,导致蓄水增加,另一方面是由于近些年该地区加大山区水源涵养林建设,增加了山区蓄水功能。