利用多元线性回归模型重构中国九大流域陆地水储量变化

GRACE与GRACE-FO任务间的数据空缺导致无法连续监测陆地水储量变化。基于此,本文采用多元线性回归模型,以GRACE/GRACE-FO陆地水储量变化数据为参考值,以降水、气温和模型模拟的陆地水储量数据为预测参数,采用3种不同策略重构中国九大流域2002-04~2021-12连续的陆地水储量变化。结果表明,基于去趋势项和去季节项信号重构策略的重构结果略优于去趋势项信号重构策略,且两者结果均优于整体信号重构策略,在人类活动或冰川融化频繁的流域(如海滦河、长江、西南诸河和内陆河流域)这种优势更为明显。此外,重构结果的性能也受GRACE/GRACE-FO数据信噪比和预测参数与GRACE/GRCAE-FO数据的相关性影响。

基于多源数据分析维多利亚湖流域水储量变化

本文利用CSR发布的GRACE RL06时变重力场模型,结合两种水文模式、卫星测高、降雨和蒸散等多源数据,从多个角度综合系统地分析维多利亚湖流域2003-01—2017-06的陆地水储量变化.比较了正向建模方法和单一尺度因子对泄漏误差的改正效果,经对比采用正向建模方法在此流域效果更好.基于多源数据得出以下三点与此前研究不同的结论:(1)GRACE RL06版本数据探测到流域内的水储量在2003-01—2017-06呈增加趋势,球谐位系数和Mascon产品得到的变化速率分别为14.9 mm·a^-1和16.7 mm·a^-1,观测误差小于RL05版本的结果,RL05版本低估了流域水储量的变化速率;(2)2013-01—2016-02期间GRACE和测高探测到湖泊水量增长,而水文模式探测到流域内水储量减少,推测这一现象由大坝蓄水造成;(3)受El Nino事件影响,2016-03—2017-06流域降雨减少,流域水储量减少,GRACE球谐位系数和Mascon探测到的变化速率分别为-100.3 mm·a^-1和-129.7 mm·a^-1.本文结果表明卫星观测数据可为在缺乏直接观测数据的情况下分析人类活动和自然变化对区域水储量的影响提供一种可行的途径,这也为研究我国湖泊流域水储量变化提供参考.

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。

中国西南及中南半岛陆地水变化的独立成分分析

对中国西南地区以及中南半岛的陆地水变化情况进行了深入研究。基于GRACE卫星2003—2014年的重力数据,利用独立成分分析提取了独立成分,并与降水和土壤湿度数据的独立成分进行对比,结果表明,研究区域的GRACE等3种数据之间一致性比较好,检测到了2004年12月的苏门答腊大地震以及发生在中国云贵高原的干旱。GRACE的独立成分与SOI等3个气象指数的相关性系数表明,伊洛瓦底江-萨尔温江地区受DMI的影响较大,云贵高原受SOI的影响较大;2010年中国西南的大规模干旱可能与厄尔尼诺现象有关,极端气象现象对于区域陆地水的变化有着深远的影响。利用ICA等数据分析手段对GRACE数据进行分析,结合其他多源数据,可以更客观、更合理地分析陆地水的变化情况,对于水资源的合理开发具有重要意义。

反演地表质量变化的附有方差约束的径向点质量方法

针对目前径向点质量方法在反演GRACE(Gravity Recovery and Climate Experiment)时变地球重力场信号时条带噪声和泄漏误差较大的问题,本文提出了一种附有方差约束的径向点质量方法(Variance Constrained Radial Point-Mass Method,VCPM).该方法利用质量块的先验方差信息设计正则化矩阵对质量变化反演进行空间约束,同时为了解决单一的正则化参数不能适应全球质量变化大小不均匀的问题,构建了迭代的正则化处理策略.为了检验VCPM方法的可靠性,本文反演了2003-01—2014-11全球地表质量变化,并与GRACE球谐位系数法、GLDAS2.1水文模型、CSR(University of Texas Center for Space Research,德克萨斯大学空间研究中心)与JPL(Jet Propulsion Laboratory,喷气推进实验室)RL06 Mascon数据在全球的均方根误差、长期趋势、周年振幅以及局部的冰冻圈、陆地流域质量变化进行了对比分析.结果显示VCPM与CSR Mascon在全球、陆地和海洋区域的RMSE按面积加权平均值分别为2.12 cm、4.16 cm和1.25 cm,在全球和陆地区域均低于CSR Mascon与JPL Mascon的相应RMSE(2.22 cm和4.62 cm),在海洋区域仅略大于CSR Mascon与JPL Mascon的RMSE(1.18 cm);在8个陆地流域和内陆海域的时间序列对比中,VCPM与两种Mascon数据在扣除季节项和趋势项后的相关系数在绝大多数区域仍能达到0.86以上;另外相对于传统点质量方法和球谐位系数法,VCPM能有效抑制南极和格陵兰岛等区域的泄漏误差.这表明本文所提出的VCPM方法可以有效去除条带误差、抑制海陆信号泄漏且大幅提高反演结果的精度和空间分辨率,从而为计算高精度高分辨率地表质量变化提供了一种可供选择的有效途径.

采用极值法计算贝加尔湖水位变化

以贝加尔湖为例,利用Jason-1测高卫星7年(2002—2008)、Jason-2测高卫星8年(2009—2016)的波形数据,采用极值法对波形进行重定,计算贝加尔湖水位异常时间序列。通过重定前后提取的湖面水位时间序列与4个实地测量站数据进行对比,发现波形重定前后的卫星测高水位变化数据与测量站数据差值的平均值能提高2 cm左右,波形重定后标准差相较波形重定前能提高40%左右,表明采用极值波形重定算法能显著提高卫星测高数据精度,可以作为一种计算波形改正数的方法。