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。

金沙江流域实际蒸散发GRACE重力卫星遥感重构不确定性分析

通过GLDAS数据对GRACE重力卫星水储量数据进行降尺度处理,采用水量平衡方程重构了金沙江流域2007—2016年25个子流域月实际蒸散发数据,采用拉丁超立方抽样法确定各水量平衡参数的不确定性,并对各参数和实际蒸散发进行不确定性分析。结果表明:抽样样本数为415时,抽样结果较好,各参数中降水量的不确定性变化范围最大,水储量变化次之,径流深最小;金沙江流域年均实际蒸散发不确定性变化范围为46.02~146.19 mm,空间分布总体上表现为自西向东、自北向南逐渐增大的趋势,信噪比分布与不确定性分布有一定的相似性;在年、季节尺度下,流域内不同土地利用类型的实际蒸散发不确定性由大到小排序均为林地、灌丛、农田、草地、其他占地类型;实际蒸散发不确定性在季节上呈现出差异性,夏季不确定性变化范围最大,冬季最小。

GRACE重力卫星监测煤矿开采区地下水变化研究

黄河中游是国家煤炭资源的聚集区,大规模、大范围的煤矿开采对地下水产生了较大扰动,而该区域的地下水是生产、生活重要的水源,因此,实时监测地下水变化是十分必要的。近年来,GRACE重力卫星为区域水储量变化监测提供了新的途径,本文利用GRACE重力卫星结合全球陆地数据同化系统GLDAS反演了黄河中游的重要支流-窟野河流域2009年的陆地水储量和地下水水储量变化,通过与降雨量、蒸发量、GLDAS和地表-地下水耦合模型的模拟结果进行分析比较后发现:GRACE可用于监测煤矿开采区地下水水储量变化,与基准期2004—2009年相比,2009年研究区陆地水水储量减少量为15.5 mm/月,地下水水储量减少量为29.4 mm/月。煤矿开采产生的导水裂隙带导通了土壤水与地下水交换的通道,导致土壤水的变化量与地下水水储量的变化量存在着较强的相关性,其相关系数达到0.84。

海河平原地下水储量变化的重力卫星反演和流域水量平衡

南水北调工程向华北输水与地下水压采的实施,一定程度改变了海河平原供用水格局,影响了海河平原的地下水储量。准确监测地下水储量变化是水安全保障和地下水战略储备的基础。本研究以水资源公报数据为基准,比较了重力卫星(GRACE)不同的信号处理方法和相关产品,反演了2003—2020年海河流域总水储量及其平原区地下水储量变化,分析了海河流域2000—2019年供用水结构变化和水量平衡关系,量化了总水储量变化对流域蒸散发估算的影响。结果表明:GRACE JPL Mascons数据反演的海河平原地下水储量变化与水资源公报数据的决定系数最高;2003—2020年海河平原地下水储量总体分3阶段呈下降趋势,2003—2011年、2012—2015年和2016—2020年的下降速率分别约为-23.9±1.3亿m^(3)a、-75.5±5.3亿m^(3)a、-37.3±2.6亿m^(3)a;在不考虑海河流域年总水储量变化条件下估算的2003—2019年多年平均蒸散量(521 mm a),与考虑年总水储量变化的多年平均蒸散量(530 mm a)相差约10 mm a,但年蒸散量差异最高可达约80 mm a(2014年)。研究结果为认识近二十年海河平原地下水储量的变化提供了最新参考。

利用GRACE重力卫星数据反演黑河流域地下水变化

干旱区地表水资源有限,地下水资源被超采利用,黑河流域是西北干旱区典型内陆河流域,有同样的地下水资源利用问题.然而由于监测地下水变化的测井数目有限且分布不均,难以从流域尺度上把握地下水资源的时空变化.利用GRACE重力测量卫星数据反演黑河流域2003—2008年间的地下水时空变化,为合理分配利用水资源提供科学依据,为掌握无资料区域地下水水资源及其变化趋势提供了计算方法.为验证GRACE反演结果的可靠性,首先将计算出的黑河中上游地下水的变化,与该区域实测地下水变化数据进行对比分析,结果显示二者之间相关性较好,在一定程度上表明GRACE数据具备反演整个黑河流域水储量变化及其各个组分的能力.此后,利用GRACE数据反演了全黑河流域的地下水变化,对其时空变化进行了分析和讨论.结果表明:黑河流域2003—2004年间地下水减少的幅度越来越少,2005年夏季期间地下水资源量增加量最多,自此地下水增加幅度逐渐减少,至2008年趋于平衡.空间上流域局部变化波动较大,2003—2004年间黑河上游地下水资源量处于减少状态,2005年相对于6a地下水平均含量有轻微增加趋势,2006年处于6a平均值状态,2007—2008年有稍微上升趋势;中游在2005年有略微的上升,之后3a下降;下游地下水含量在6a中整体呈上升趋势.

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。

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。

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。

基于GRACE重力卫星数据的珠江流域干旱监测

为探究重力恢复和气候试验任务(Gravity Recovery and Climate Experiment mission,GRACE)卫星数据在干旱研究中的应用潜力,该研究采用基于GRACE重力卫星数据的无量纲的标准化水储量赤字干旱指数(Water Storage Deficit Index,WSDI)对珠江流域2002-2017年进行干旱监测,通过将其和常用干旱指数与实际干旱质心轨迹进行对比,评估其在珠江流域的干旱监测效用。研究结果表明:1)2002-2017年期间,WSDI监测到的旱情与实际发生的旱情基本一致,GRACE重力卫星数据能捕捉到干旱事件的发生、发展和消亡以及其干旱特征;2)WSDI的时间变化及其对气候异常的响应与常用干旱指数吻合良好,具有有着较强的相关性,且能反映研究区长期的综合水分变化。除了SPI-3与SPEI-3外,其他常用干旱指数与WSDI的相关系数都在0.665以上,其中scPDSI相关指数最高,为0.803;3)WSDI与常用干旱指数在空间上描述的干旱事件的干旱质心轨迹基本一致,都能大致反映出了大范围干旱事件的干旱质心从东往西移动的现象。WSDI能从时间和空间上刻画出研究区水文干旱的演变规律,适用于大尺度水文干旱的监测与评估,具有明显的优势和应用潜力。

长江流域陆地水储量异常的卫星重力监测与干旱指数对比分析

利用GRACE/GRACE-FO数据对长江流域2003~2021年期间发生的干旱事件进行定量分析,以探究卫星重力监测区域性干旱的可行性。采用3个机构发布的5种GRACE/GRACE-FO数据产品(CSR_SH、JPL_SH、GFZ_SH、CSR_M、JPL_M)反演长江流域陆地水储量异常(TWSA),计算陆地水储量亏损(WSD)和水储量亏损指数(WSDI),结合气象干旱数据(SPI、SPEI、scPDSI)对5种数据产品的结果进行比较,并对2003~2021年长江流域干旱事件进行分析。结果表明,不同机构发布的GRACE/GRACE-FO数据产品对长江流域干旱事件严重等级的划分具有一定差异;WSDI与6个月时间尺度的SPEI相关性最高,相关系数为0.66,与scPDSI相关系数最低为0.54,降水是影响长江流域陆地水储量变化的重要因素;长江流域最严重的干旱事件发生在2019年夏秋季,干旱强度为2.31,持续10个月,水储量累计亏损达到415 Gt,此次干旱事件的WSDI空间分布图显示2019-09干旱最为严重,出现极端干旱区域。WSDI可反映长江流域干旱分布的时空变化,可在监测全球和大尺度区域干旱方面发挥重要作用。

Jason测高卫星和GRACE重力卫星在陆地水资源及洪水监测中的应用

Jason测高卫星和GRACE重力卫星作为大尺度水文监测手段的有力补充,对变化环境下的全球和区域水资源管理和灾害预警具有重要意义。本文介绍了Jason测高卫星和GRACE重力卫星数据,归纳了国内外学者基于Jason测高卫星和GRACE重力卫星开展的陆地水资源与洪水事件监测研究情况,并分析了Jason测高卫星和GRACE重力卫星目前面临的挑战与未来的展望。

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。

基于GRACE卫星和地表流动重力的汶川M_(S)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MS 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。

GRACE重力卫星在洪水预测中的应用

GRACE重力卫星可提前几个月提供重要的潜在洪水的数据,增强了现有全球洪水预测的能力。简要介绍了重力的时空变化特征、GRACE重力卫星及其在洪水预测中的应用,指出GRACE重力卫星未来的应用情景十分广阔,同时也指出了其水文应用中存在的主要问题。

基于GRACE卫星测量得到的中国及其周边地区陆地水量变化

GRACE卫星成功开辟了空间大地测量对地观测的新途径。利用GRACE卫星得到的时变地球重力资料,分析估计了中国及其周边地区陆地水量的变化趋势,较为清晰地揭示了该地区季节性变化特征。进一步采用13点滑动平均的方法扣除了季节性变化,提取了4个特征区域(喜马拉雅南部,新疆与西藏及其周边的亚洲高山区域,中国华北、东北地区和中国南部地区)的陆地水量变化特征信息,这4个区域陆地水量的变化趋势分别为-12.7±0.7、-60.4±2.7、-12.5±0.5和6.6±0.9km3/a。其中:喜马拉雅南部和亚洲高山区域陆地水量呈现明显的衰减趋势,与Matsuo和Heki模拟冰川质量损失源得到的结果较为一致;但近10年来亚洲高山区域西北部冰川加速融化趋势并不明显。中国华北、东北地区和南部地区水量变化比较复杂,具不稳定的变化趋势。

利用GRACE卫星研究河南省水储量时空变化特征

[目的]分析河南省2002—2014年的水储量时空动态变化,为该省水资源管理、评价及可持续发展提供依据。[方法]借助GRACE重力卫星反演河南省水储量变化,分析2002—2014年水储量时空动态变化过程及其影响因素。[结果](1)河南省的水储量年内分布呈典型的"余弦函数曲线"特征,1—7月处于亏损状态,8—12月处于盈余状态;水储量变化峰值出现时间滞后降水峰值2个月。(2)河南省水储量观测期内呈递减趋势,递减速率为-6.34mm/a;空间上,水储量减少速率自南向北递增。[结论]通过定量计算人类活动总耗水量及水储量年变化率可初步推断,河南省水储量变化1/3受人类活动影响,2/3受自然因素影响。

华北中东部卫星时变重力场特征研究

利用华北中东部GRACE卫星时变重力数据,以2003年、2004年重力年均值为基值,计算得到2005—2014年相对于该基值的重力场累积动态变化和差分动态变化图像,并探讨该区近10年来重力场的时空动态变化特征。结果表明:研究区10年间累积重力场以减小为主,2010年以后,差分重力变化呈NS向条带状展布,且重力变化增加,相邻期差分重力场出现反转。

基于最大切应变的震前GRACE重力异常信息提取方法

地震的发生与地壳构造运动密切相关,而地壳构造运动会造成地下介质密度的改变,从而导致地球重力场发生变化。GRACE重力卫星所提供的全球时变重力场数据可用于发现大地震的震前重力异常。然而,GRACE数据中存在的南北条带噪声严重干扰震前异常信息的提取。目前常用的高斯滤波等处理方法在抑制噪声的同时,也削弱了有价值的重力异常信号。为此,文中提出了一种基于最大切应变的震前重力异常信息提取方法。该方法通过计算扰动引力位的2阶梯度对南北条带噪声进行压制,并基于地壳形变理论得到最大切应变以获取重力的变化信息。最后,利用最大切应变的偏移指数K进一步探究震前重力异常的时空演变规律。文中以汶川地震和尼泊尔地震为例,采用上述方法完成震前重力异常信息提取,并进行了断裂带的震前构造活动分析。结果显示,在震前半年内,发震断裂带上出现了与断裂带空间展布一致的大面积重力异常区,且最大异常值出现在震中距50km范围内,而在非震期并未出现异常现象。此外,经分析发现,与传统方法相比,本文方法对重力场的异常信息提取能力更强,这为利用GRACE数据认识大地震的动力机制提供了新思路。

卫星重力学与重力卫星研究进展

综述了地球重力场研究对揭示其运动和时变与地震之间的关系的重要性 ;介绍了当今国际固体地球科学与防灾研究的一个新热点———卫星重力学与重力卫星研究的进展。随着重力卫星计划的实施 ,地球重力场的研究也将因此产生质的变化。文章对CHAMP、GRACE和GOCE重力卫星作了介绍。

基于同化数据的GRACE卫星反演中国陆地水储量变化降尺度分析

利用GRACE重力卫星反演得到陆地水储量变化受数据低空间分辨率的限制,目前仅应用于大尺度的空间范围内,为此提出一种简易的降尺度方法将GRACE陆地水储量变化精度提高了16倍。借助全球水文模型模拟的陆地水储量变化数据,在中国九大流域上进行分区对比分析,发现高分辨率数据基本保持了原始数据的时空变化趋势,同时又增加了水文模型模拟的水储量变化信息。此外,利用全国455个地下水位监测站的水位数据,验证了降尺度后的陆地水储量变化数据,可知高分辨率陆地水储量变化数据与实测地下水变化值的相关系数最高达0.847,普遍高于低分辨率GRACE陆地水储量变化值与实测地下水变化值的相关系数,证明降尺度后的数据更加准确有效。进而基于降尺度数据,利用EOF方法分析了2005年1月~2012年12月中国各地陆地水储量变化的时空变化特征,即在总体趋势上,长江流域及以南地区春夏两季的陆地水储量有明显增加,华北地区的地下水超采及南方流域的极端气候事件为影响该区域陆地水储量异常的重要因素。