利用GRACE卫星分析安徽省地下水储量的时空变化

文章利用重力恢复与气候实验卫星(Gravity Recovery and Climate Experiment,GRACE)时变重力场球谐系数文件,联合全球陆面数据同化系统(Global Land Data Assimilation System,GLDAS)水文模型反演安徽省2003—2016年地下水储量的时空变化。通过奇异谱分析(Singular Spectrum Analysis,SSA)地下水时间序列,结合热带降雨测量任务(Tropical Rainfall Measuring Mission,TRMM)降雨数据对地下水储量变化规律进行分析。结果表明,安徽省地下水储量在2011年和2014年前后发生较大变化,在2003—2011年的变化率为0.37 cm/a,2011—2014年的下降速率为-0.2 cm/a,2014—2016年的增长速率为1.9 cm/a;进一步与降雨数据关联,发现降雨量是影响安徽省地下水储量年际变化和季节性变化的主要因素。在空间上,安徽省呈现自东北向西南逐渐缓和的趋势,最大亏损出现在皖北地区,为-7.52 mm/a,在西南地区的最大盈余达到8.38 mm/a。

基于GRACE卫星数据的中国陆地水储量变化和影响因素分析

掌握陆地水储量变化的空间分布特点和变化情况,了解其变化的原因有助于水资源的可持续性综合管理。以中国陆地为研究区域,基于重力恢复和气候实验(GRACE)卫星反演得到的陆地水储量变化数据,使用曼-肯德尔法(Mann-Kendall,M-K)趋势检验和经验正交函数(EOF)分析了陆地水储量变化的趋势以及时空变化特征,并选择了包括气象、下垫面和社会经济3个方面的10个影响因子,即气温、降水、标准化降水蒸散发指数(SPEI)、不透水层占比、水体占比、归一化植被指数(NDVI)、高程、坡度、国内生产总值和人口,利用地理探测器、皮尔逊(Pearson)相关分析和随机森林3种方法综合分析其与陆地水储量变化的关系。结果表明:松花江、嫩江和松嫩平原附近以及柴达木盆地-长江-东南沿海条带上陆地水储量变化显著增加,中国西南以及新疆-黄土高原-华北平原条带上陆地水储量变化显著减少,从高纬度到低纬度呈现出“高-低-高-低”的变化特点。整体而言,气象因素对陆地水储量变化的解释力最强,其次是社会经济因素和下垫面因素,其中降水量是引起陆地水储量变化的主要因素。月陆地水储量变化对降水量、温度、SPEI和NDVI响应存在滞后性,且陆地水储量变化对降水量和SPEI以1个月滞后为主,对温度和NDVI的响应以无滞后(即0个月滞后)为主。

GRACE卫星与GLDAS模型在东北黑土区地下水储量变化估算中的应用

东北黑土区是我国重要的商品粮供应地及工业基地,为监测并分析该区域地下水储量变化情况,利用GRACE重力卫星数据,结合GLDAS水文模型,反演东北黑土区2002—2021年地下水储量的时空变化。结果表明,东北三省地下水储量变化呈波动下降趋势,整体呈现由北向南的逐渐递减。其中,黑龙江省地下水储量变化幅度最小,吉林省次之,辽宁省地下水储量变化下降最为明显。与实测地下水位进行对比验证后,证明拟合效果较好,获取的数据能够为决策部门提供科学依据及数据支撑。未来,GRACE卫星有可能成为评价大尺度区域地下水资源变化及其变化趋势的新方法。

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GRACE卫星的黄淮海地区地下水储量变化与归因分析

黄淮海地区是中国水资源短缺严重的地区之一,地下水的过度消耗已成为该地区经济社会发展的主要制约瓶颈。基于2003—2021年GRACE重力卫星数据和GLDAS陆面同化数据计算并评估黄淮海地区地下水储量变化,利用统计检验方法分析其时空变化特征,从降水、蒸散发、地下水供水、跨流域调水等方面分析地下水储量变化原因。结果表明:黄淮海地区94.2%的区域地下水储量呈下降状态,平均变化速率为−1.22 cm/a,其中海河流域为−1.75 cm/a,淮河流域为−0.57 cm/a,黄河流域花园口以下为−2.11 cm/a,表现出自南向北逐步增大趋势。不同流域地下水储量变化的主导因素有差异,降水对淮河流域地下水储量变化的影响程度显著大于海河流域,而海河流域和黄河流域花园口以下地区地下水储量减少主要原因是多年以来大量的地下水开采。随着近年来跨流域调水量的增加,海河流域地下水供水量已有所减少,地下水储量下降趋势得到缓解,黄河流域花园口以下地区地下水储量在2020年后增长较快。

用GRACE卫星跟踪数据反演地球重力场

利用141天GRACE卫星观测资料,包括K波段、星载加速度和卫星轨道数据,反演了80阶地球重力场模型IGGGRACE01S,该模型在半波长为500km的空间分辨率上,确定大地水准面的精度约为0.012m,中长波(<80阶)精度优于重力卫星发射以前研制的重力场模型.与EIGEN_GRACE02S、EIGEN_CHAMP03S和EGM96模型的位系数相比,该模型系数最接近于EIGEN_GRACE02S,与另两个模型差异较大.比较几种模型确定的全球重力异常和大地水准面起伏,结果发现IGGGRACE01S与EIGEN_GRACE02S模型的计算结果比较接近,与EGM96模型结果差异较大,差别较大地区主要在南极等地区.对于中国大陆,比较IGGGRACE01S模型(前72阶)计算的重力异常和NIMA重力异常数据(2.5°×2.5°网格),两者之间的标准偏差为4.8mGal.

GRACE卫星观测到的与汶川M_s 8.0地震有关的重力变化

利用GRACE卫星重力资料,计算了中国大陆及周边的卫星重力时变场和地表密度变化分布,获取了具有代表性的点位区域的每月重力变化时间序列.同时获得了WUSH、LHAS、KUNM、LUZH站相对于区域参考框架的GPS位移时间序列.卫星重力观测结果显示喜马拉雅弧形带的重力在2004年苏门答腊M_w 9.3地震后快速下降,2006～2008年尤为明显,西域地块西北边界带上震后重力下降也较为显著;而沿青藏高原北至东边界2007年出现明显的重力上升沿构造边界的弧形分布,且2008年南北地震带中南段重力上升变化显著.这些苏门答腊地震后的重力变化趋势到汶川地震发生后才开始改变.GPS位移结果显示四个台站均记录到苏门答腊大地震的同震信号,震后WUSH、LHAS、KUNM站水平位移向量出现明显的运动趋势改变,且一直持续到2008年汶川M_s 8.0地震的发生.GRACE卫星揭示的青藏高原及周边地表质量的变化为解释汶川地震的动力机制提供了新的观测途径和资料.本文结合区域构造运动的特点和GPS位移,对GRACE观测的时变重力场特征及汶川地震的动力机制进行了初步解释和讨论.

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300km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±20.5Gt/a、-203.8±23.1Gt/a、-133.2±29.9Gt/a,对全球海平面变化的影响分别为0.54±0.06mm/a、0.56±0.06mm/a、0.37±0.09mm/a.

GRACE卫星重力观测在强震监测中的应用及分析

利用GRACE卫星重力月重力场模型、位错理论,结合向上延拓技术,模拟、计算了苏门答腊和汶川大地震区域卫星轨道高度处的理论同震重力变化和同震形变结果,根据卫星重力异常图进一步了解了龙门山断裂区域的深部构造特征,揭示了大地震发生的地球物理条件。

GRACE卫星在区域地下水管理中的应用潜力综述

GRACE卫星能反演区域地下水储量的月动态变化,而且数据免费,它为区域地下水管理提供了新的方法。首先总结了区域地下水管理、GRACE卫星在地下水储量和区域地下水管理中的应用现状;接着通过多个案例分析展示了GRACE卫星能成功应用于区域地下水储量动态评价,而且GRACE反演的地下水动态数据能用于区域地下水模型的参数识别,证实了GRACE卫星在区域地下水管理的应用潜力;最后指出GRACE卫星反演的数据在应用中的两大问题:该数据无法直接用于区域地下水资源评价和空间分辨率低。GRACE卫星如何有效用于区域地下水资源评价和如何提高GRACE卫星反演数据的空间分辨率是当前研究的发展方向。

芦山M_S7.0地震震前GRACE卫星时变重力场特征研究

基于GRACE卫星时变重力数据,利用小波多尺度分解方法,分析研究了芦山MS7.0地震前重力场的时空动态演化特征.结果表明,雅安地区震前卫星时变重力场具有明显的重力变化信息.卫星时变重力场在时间域表现为,累积重力场和差分重力场存在较强的规律性动态变化,以2003—2004年均值为基值的2009—2012年的变化特征与2005—2007年的变化特征具有较好的相似性,以2009年均值为基值的2009—2012年即芦山地震前4年,芦山震区的时变重力场呈现上升→减速上升→加速上升以及上升→轻微下降→快速上升的变化特征;卫星重力场在空间域表现为,震中位置由靠近重力场正变化的中心→接近重力场正变化边缘→接近重力正变化四象限分布中心的变化特征.因此,芦山地震的重力场动态变化信息和波场分离结果符合逆冲推覆兼走滑型地震引起的区域变形特征.

GRACE卫星数据在海河流域地下水年开采量估算中的应用

结合GRACE卫星数据和全球陆面数据同化系统GLDAS数据,反演了2004—2009年连续72个月的海河流域地下水储量变化。在此基础上,结合2004—2009年海河流域水资源公报的降水量、地下水开采量数据,建立了地下水年开采量与GRACE地下水储量年变化、年降水量的二元回归模型。利用GRACE卫星数据和GLDAS数据反演的地下水储量年变化与由地下水位观测数据计算出的地下水储量年变化相关性较强,其R2为0.804;基于GRACE地下水储量年变化数据与年降水量数据,对地下水年开采量的估算结果良好,建立的回归模型的R2为0.787,表明利用GRACE卫星数据对地下水年开采量进行估算是可行的,是传统地面调查的良好补充。

利用KBR数据检核GRACE卫星精密轨道

给出了一种利用KBR数据检核GRACE卫星精密轨道的方法,并使用了2012-11-25—2012-12-01实测的KBR数据对JPL提供的GRACE卫星事后精密轨道进行了检核。检核结果表明,两颗GRACE卫星之间的距离偏差在0.005 m以内。

利用GRACE卫星数据提取苏门答腊地震同震和震后重力变化

基于GRACE重力卫星数据,采用P3M6去相关滤波技术、350km半径的高斯平滑技术与差分方法,提取2004年苏门答腊Mw9.3地震的同震和震后重力场时空演化过程。该地震断层下盘同震重力变化达到4.6μGal,上盘同震重力变化最大值为-8.3μGal,该结果与球体位错理论计算结果在量级和分布形态上具有较好的一致性。震后7a断层下盘重力变化累计达到5.6μGal,超过同震变化信号;而断层上盘震后重力变化只有0.6μGal,仅为同震变化信号的11%。该现象表明,断层下盘所在海洋地层的粘滞性较低,地层相对柔软,其地层在震后由于较大的粘滞性松弛效应而持续变形,并伴随较大的重力变化;而断层上盘所在的地层接近陆地地壳特性,地层相对脆硬,震后受地层的粘滞性响应而导致的重力变化相对较小。

GRACE卫星重力场同震变化的经验正交函数分解：以日本MW9.0地震为例

2011年3月11日日本东海发生MW9.0地震,造成日本岛整体东移、下沉并伴随巨大的质量重新分布。对于海底地震的震中区域,空间观测的GRACE卫星重力数据很好地弥补了GPS、InSAR等形变资料的缺失。利用GRACE卫星月重力场数据计算了地面0.5°×0.5°网格点上的重力变化时间序列,采用最小二乘拟合、经验正交函数(EOF)2种方法,提取了同震重力变化,结果显示震中两侧区域的重力变化呈两极分布,其中弧后区域重力下降,最大降幅约6μgal,海沟区域重力增加,最大增幅约3μgal。EOF方法避免了最小二乘拟合方法所需的地震发生时刻等先验信息,但卫星重力信号是由多种地球物理过程引起的重力变化的叠加,EOF结果的可靠性及其反映的真实物理来源往往随着事件的规模、观测时间的长短等而改变。文中第2,3,4主成分主要反映了非构造因素的影响,通过第1主成分空间一致性提取的同震重力变化与位错理论模型计算结果较为接近,因此较真实地反映了地震引起的重力变化特征。

EOF方法检测GRACE卫星重力结果中的同震重力变化

根据GRACE重力场月均值结果,结合300 km平滑半径的扇形滤波器,计算了地面0.5°网格点上的重力扰动的时间变化,并利用经验正交函数方法对重力扰动值进行分析,获得与地震相关的同震重力扰动变化。结果显示,对于苏门答腊、智利和日本三次大地震,采用经验正交函数方法能够很好地获得地震同震重力扰动的变化;而对于汶川地震,由于震级相对较小,同震信号完全湮没在其他信号及误差中,因而无法获得其同震重力变化。为了检验多大的地震引起的同震重力信号能够从GRACE重力场结果中提取出来,以汶川地震为例,将理论计算的地震重力扰动加入到由GRACE重力场观测结果计算的重力扰动中,然后用经验正交函数方法对其进行分析。模拟结果表明,当震级大于Mw8.8时,地震的同震信号能够被分析出来;而当震级小于Mw8.6时,则不能分离出同震信号;震级介于Mw8.6～8.8时,有可能分离出同震信号。

联合GRACE卫星轨道及距离变率数据反演地球重力场方法研究

基于动力学法,研究联合GRACE卫星精密轨道及距离变率数据反演地球重力场的方法,该方法可对重力位系数及卫星初始状态误差同时进行有效校正。通过对各观测值模拟不同的随机误差,研究了不同精度观测值联合反演所能达到的精度,以及用相同精度的观测值进行联合反演时不同采样率对反演结果的影响,模拟计算结果表明：联合反演模式下,当距离变率精度为1μm/s,卫星位置精度为23 cm,速度精度为0.10.5 mm/s时,加速度计精度为（1.0×10^-10-1.0×10^-9）m/s^2比较适合;将距离变率精度由1 um/s提高到0.1 um/s时,反演精度可获得相应提高;在观测值精度一定的情况下,联合反演算法宜采用5 s采样率。

基于星载GPS数据的GRACE卫星动力学法定轨

利用GRACE A卫星的星载GPS观测数据,采用非差动力学低轨卫星定轨方法,解算了2012年1月11日至18日的卫星轨道,将得到的结果与GFZ发布的RSO轨道进行对比分析,并通过SLR观测数据进行轨道的校验。结果表明:定轨精度满足低轨卫星精密定轨的要求,与RSO轨道比较,在X、Y、Z方向的均方根误差的平均值分别为4.7cm、4.3cm和4.9cm;通过SLR观测数据进行校验,残差平均值为-1.6cm,均方根误差为4.7cm.

联合GRACE卫星和人工神经网络模拟华北平原地表垂直负荷形变量

华北平原是世界上超采地下水较为严重的地区,也是地面沉降面积较大的地区,但对水负荷引起的地表形变研究较少.本文结合GRACE重力卫星数据解算的水储量,基于人工神经网络原理,选取华北平原内5个GPS台站48个月（2005年1月-2008年12月）的降水量、地下水埋深、陆地水储量作为训练样本的输入量,以这48个月的GPS形变量作为输出量,用贝叶斯正则化算法训练人工神经网络,进行地表垂直负荷形变模拟.用2009年1月-2010年12月的24个月数据检验预测结果.研究发现：（1）利用GRACE水储量作为ANN输入模拟地表形变量是可行的.5个站点的后验差比值均小于0.5,小误差概率均大于0.80,平均R2为0.806;（2）在华北平原,地下水储量变化对地表负荷形变的影响比土壤水储量大.本文的研究有助于更好地认识华北平原地面沉降动态特征,为地面沉降提供了新的研究思路。

基于ICESat-GLAS和GRACE卫星遥感资料的高亚洲冰川物质平衡变化研究

针对高亚洲冰川物质平衡和水资源的热点问题,首先利用2003—2009年ICESat-GLAS和2000年2月SRTM DEM V2.1资料,推算高亚洲地区冰川表面高程和冰量变化;其次,利用GRACE卫星的2002年8月至2012年12月时变重力场资料反演出研究区地表质量变化,继而在综合分析各流域内地表各种物质变化的基础上,恢复出流域冰川物质平衡;再次,根据高亚洲流域冰川的物质平衡状况,估算了外流河流域冰川物质亏损对海平面上升和内流河流域冰川物质亏损对内陆湖泊水量的贡献。