基于GRACE和GLDAS的河南省2003—2022年地下水储量变化研究

河南省是中国水资源相对短缺严重的地区之一,地下水的过度消耗已成为制约该地区经济社会发展和生态环境保护的重要因素。本文基于2003—2022年GRACE、GRACE-FO卫星重力数据及GLDAS陆面同化数据,采用奇异谱插值法和时序分解法,分析了河南省近20年地下水储量的时空变化特征及影响因素。结果表明:河南省近20年地下水呈“V”形变化特征,变化速率呈现由西南至东北逐渐递减的阶梯式分布;2015年前后变化速率分别为-15.53、8.88 mm/a,东北部地区地下水由亏损转为盈余状态;对比反演结果与降水和南水北调中线工程调水数据发现,降水与地下水变化密切相关,但不是地下水长期下降的主要原因;通过南水北调工程异地调配地表水供给受水区生产生活用水而置换地下水抽采,有效缓解了地下水亏损,是地下水止跌回升的重要影响因素。本文研究结果为了解近20年河南省地下水储量的时空变化规律及更好发挥南水北调工程调水作用提供了参考依据。

基于GRACE/GRACE-FO数据降尺度方法反演库尔勒东区地下水储量变化

GRACE与GRACE-FO重力卫星为全球中大尺度地下水反演监测提供了新的手段,但难以提供小尺度上较高空间分辨率的地下水储量变化(GWSA)信息。本文针对新疆库尔勒东部缺资料区,采用动力降尺度方法提高GRACE/GRACE-FO反演GWSA数据的空间分辨率,分析GWSA的时空分布规律。首先,基于数据融合方法构建了库尔勒东区GWSA数值模型;然后,利用优化后的模型将GWSA反演数据的分辨率从1°降尺度至0.25°和0.05°,将反演的GWSA与水井监测的地下水位(GWL)数据进行对比验证;最后,利用0.05°GWSA数据分析研究区GWSA态势。结果表明:①与降尺度前1°GWSA数据相比,降尺度转换后的高分辨率GWSA数据在空间上更加平滑、展示了更加丰富的细节,且提高了与水井GWL监测数据的相关性,改进了反演精度和可靠性;②小尺度上,降尺度后的GWSA数据能够反映水源地地下水的季节性、年际和长期开采下的亏损等动态特征;③研究区GWSA呈现出时空分布差异性,2005—2020年区内地下水储量变化率为-1~1 mm·a-1,总体上呈南增、北减态势,南、北部山区的变幅大于中部相对平坦区域。

基于GRACE星间重力位差的Slepian局部地表质量变化反演法

根据Slepian基函数在频域和空域的局部集中特性,建立了利用GRACE星间重力位差(GPD)估计局部地表质量变化的Slepian基函数反演模型及病态问题求解算法,并以亚马逊流域的陆地水储量变化(TWSC)反演为例,评估了反演方法的精度和有效性.首先,通过闭环数值模拟比较了Slepian基函数法(GPD SBF)、基于GPD的mascon方法(GPD Mascon)和球谐系数法(GPD SH)反演2005年亚马逊流域TWSC的性能,结果表明:Slepian基函数法通过限定信号的频域和空域范围,降低了反演过程中向下延拓带来的不确定性,有效削弱了法方程求解的病态性,其解算结果的稳定性明显优于GPD Mascon;GPD SBF的反演精度及可靠性总体上优于GPD Mascon和GPD SH,并且能够更好地恢复边缘区域的信号和减小泄漏误差的影响.其次,利用实测的GRACE GPD数据反演了2004—2015年亚马逊流域的TWSC时间序列,结果显示:GPDSBF相比GPDMascon反演的TWSC与官方mascon模型(CSR、JPL和GSFC RL06 mascon)更为一致,并且GPD SBF反演结果呈现出更多的空间细节和更好的信噪比.最后,利用不同GRACE反演结果计算的(TWSC的一阶导数)和水文气象数据(GPCP降水、ERA5蒸散发)由水量平衡方程估计了亚马逊流域Obidos水文站的月平均径流量,并采用测站的实测径流量进行检验,结果表明:GPD SBF和GPD Mascon估计的径流量与实测值扣除季节性信号后的差值STD分别为12.35 mm和14.54 mm,相关系数分别为0.71和0.69,并且GPD SBF和各种官方mascon模型估计的径流量与实测径流量更为接近.本文研究证明Slepian基函数法可削弱病态问题求解对正则化约束的依赖,其比传统的GPD Mascon解算精度和可靠性更高,为反演高精度、高分辨率的局部地表质量变化提供了一种新的解决方案.

联合GNSS与GRACE/GRACE-FO数据反演中国西南地区陆地水储量变化

GNSS和重力恢复与气候试验(GRACE)及其后续任务(GRACE-FO)给陆地水储量变化(TWSC)研究带来了技术革新,但这两种技术估计的区域TWSC具有不同的时空尺度和精度特性。因此,有必要融合两种观测数据,以获得同一尺度且高精度的TWSC。本文基于GNSS独立反演模型,使用求和算子对喷气推进实验室(JPL)的GRACE/GRACE-FO Mascon数据进行求和运算来构建约束,通过赤池贝叶斯准则选择最优模型参数,构建了一种联合GNSS与GRACE/GRACE-FO数据的区域TWSC反演模型。随后,本文设计数值模拟试验,以验证利用该模型反演中国西南地区TWSC的可行性。结果显示,1000次试验中联合反演估算的均方根误差均值为10 mm,比GNSS独立反演结果低47%。基于此方法,本文联合GNSS与JPL Mascon数据反演了中国西南地区2011年1月—2022年6月的时变TWSC。对比联合反演、GNSS独立反演、GRACE/GRACE-FO和高分辨率全球陆地数据同化系统(GLDAS)的结果,发现联合反演与GLDAS的TWSC周年振幅空间分布特征最吻合,表明联合反演估计的TWSC空间分辨率优于GNSS独立反演和GRACE的结果。最后,结合水平衡方程估算的区域水文收支情况,并通过广义三角帽方法评估陆地水储量等效水柱高的变化率(d(EWH)/d t)的不确定性。结果显示,联合反演估计的d(EWH)/d t不确定性为8 mm/月,较GRACE/GRACE-FO、GNSS独立反演和水平衡方程结果分别低33%、68%和62%。研究结果表明,与GNSS和GRACE/GRACE-FO独立反演方法相比,联合反演能够改善TWSC估值的精度,可为水资源管理决策及水文气候学研究提供更可靠的数据支撑。

基于随机森林模型的GRACE数据3种空间降尺度对比

陆地水储量是赋存在陆地上各种形式水的综合体现,研究其时空变化对认识区域水循环过程和水资源调控等具有重要意义。然而现有陆地水储量变化数据实际分辨率较低,限制了其在中小流域或地区中的应用。针对这一问题,本文基于GRACE重力卫星和其后续卫星GRACE-FO反演的陆地水储量变化数据,首先采用随机森林模型,分别基于格点、区域(流域)和区域(全国)3种空间降尺度思路将GRACE数据降尺度至0.25°×0.25°,后结合GLDAS模型数据,基于水量平衡原理计算得到地下水储量变化数据,最后基于降尺度模型模拟效果和实测地下水位数据评估3种降尺度思路在全国的适用性。结果表明:随机森林模型能够较好地模拟驱动数据(降水、气温、植被条件指数和土壤水储量)与GRACE数据的统计关系,验证期格点降尺度思路的平均相关系数总体在0.6左右,区域降尺度思路的平均纳什效率系数、相关系数和均方根误差分别>0.5、>0.75和<6.6 cm,3种空间降尺度思路的模拟精度均满足基本要求;2003—2021年间,GRACE数据、格点降尺度、区域降尺度(流域)和区域降尺度(全国)得到的我国陆地水储量亏缺量分别约为119.5×10^(8)、62.4×10^(8)、121.1×10^(8)和121.8×10^(8)m^(3)/a,地下水储量亏缺量分别约为230.0×10^(8)、171.8×10^(8)、235.6×10^(8)和236.4×10^(8)m^(3)/a,受制于样本数较少等原因,格点降尺度结果精度较差;两种区域降尺度思路得到的水储量变化速率均和原始GRACE数据基本一致,模拟结果均优于格点降尺度,且细化到流域的区域降尺度对地下水储量变化验证精度有一定的改善。区域降尺度具有适用性强、模拟精度高、计算效率高的优势,研究结果可为流域水资源可持续利用以及水资源规划等提供精细化的水储量变化数据。

基于GRACE的青藏高原地下水储量时空变化研究及干旱性监测

随着全球气候变暖,了解和掌握青藏高原地下水储存变化对水资源管理和利用具有重要意义。本文基于GRACE重力卫星数据开展青藏高原2002年4月至2022年8月地下水储量变化研究,并进行干旱性监测。研究结果表明:青藏高原平均地下水储量在近20年期间呈小幅上升趋势,平均增加速率为0.33 mm/a;在空间上表现为柴达木盆地和藏北高原呈漏斗状增加,其他区域都减小的特征。青藏高原年际降雨快速下降或上升时,地下水储量会在当年下降或次年出现相应的上升。年内时空变化格局存在明显区域差异性,青藏高原北部主要受降雨影响,增加强度和范围随夏秋降雨增多逐渐增大,且地下水储量变化响应降水时间自西向东逐渐延长;而青藏高原南部地下水储量表现为夏秋减少、冬春增多的特征。WSDI能够有效监测青藏高原干旱事件,干旱主要分布在青藏高原北部,东北及东南区域。

基于GRACE的新疆平原区地下水干旱时空变化及其对气象干旱的响应

地下水资源具有重要的资源保障和生态安全维系功能,随着全球气候变暖及人类活动强度增大,导致新疆平原区地下水资源量呈减少趋势,进一步加剧地下水干旱发生的风险。揭示新疆平原区地下水干旱时空变化特征及其对气象干旱的响应关系,对区域经济可持续发展、生态系统安全有重要意义。基于GRACE重力卫星数据和全球陆地同化系统(GLDAS)数据估算2003—2022年新疆平原区地下水储量变化,在此基础上对地下水储量变化进行标准化处理,构建地下水干旱指数,分析新疆平原区地下水干旱时空变化特征,最后使用最大相关系法分析地下水干旱对气象干旱的响应关系。结果表明:(1)新疆平原区地下水储量变化呈下降趋势,其下降速率为0.60 cm·a^(-1),下降较为明显的区域主要集中在天山区域山前平原区,上升区域主要集中在昆仑山北麓山前平原区及阿尔泰山南麓西部山前平原区。(2)地下水干旱指数监测到新疆平原区于2014年4月—2015年4月、2022年5—12月分别发生了历时13个月、8个月的地下水干旱事件。整体来看,新疆平原区地下水干旱频率为0.21,地下水平均干旱强度为1.0~2.0,地下水平均干旱历时为4~28个月;其中,平均干旱历时为4~10个月、11~16个月、17~22个月、23~28个月的面积占比分别为80.68%、9.54%、4.15%、5.63%。(3)新疆平原区地下水干旱对气象干旱的平均响应时间为18个月;响应时间为1~3个月、4~6个月、7~9个月、10~12个月、13~24个月的面积占比分别为11.00%、2.13%、2.75%、2.00%、82.12%。其中,近20 a来天山北麓山前平原区的响应时间呈增大趋势,响应时间由1~3个月增大为18~24个月,昆仑山北麓山前平原区部分区域的响应时间则先由9~12个月减缓至1~3个月,后延长至12~24个月。

联合GNSS和GRACE数据分析华北平原地表垂直形变

为了分析华北平原陆地水储量变化等环境因素对GNSS非线性垂向时间序列产生的影响,结合GRACE数据和GNSS数据以水井水位数据为补充对华北平原进行研究。研究结果表明,华北平原地区GNSS垂向位移时间序列与GRACE负荷形变具有较好的相关性,改正后的GNSS观测与GRACE负荷形变的相关性有较大程度地减少。基于水井静水位资料对结果的可靠性进行了验证,扣除GRACE负荷形变影响后的GNSS垂向位移时间序列与水井静水位观测之间的相关系数相较于扣除前降低了40%~96.7%。将GRACE观测得到的负荷形变从GNSS时间序列中扣除,可以有效降低包括陆地水储量变化在内的环境因素导致的负荷形变对GNSS观测造成的非构造运动影响。研究结果为获取华北平原及其周边地区更为精确的垂向构造运动变形提供了科学参考。

贝叶斯三角帽法的GRACE/GRACE-FO组合模型及其不确定性

利用贝叶斯三角帽法将多个GRACE/GRACE-FO重构模型进行融合,提升基于深度学习的地表质量变化重构模型的精度,为高精度填补及重构GRACE/GRACE-FO数据提供参考。实验表明,组合模型估算的全球陆地水储量变化的不确定性最低,其结果在多数流域与参考模型的一致性更佳;较最优的重构模型,组合模型全球及流域的不确定性降低约15%,纳什效率系数(NSE)提升约5%,尤其在半干旱、半湿润及湿润区域,其精度提升更明显。

基于GRACE数据重建的黄河流域实际蒸散发及其时空演变特征分析

利用多种深度学习方法对重力场恢复与气候试验(GRACE)数据进行插补,利用随机森林算法对GRACE数据进行空间降尺度,基于水量平衡方程计算黄河流域实际蒸散发,并采用4种蒸散发产品进行验证,进而分析黄河流域实际蒸散发的时空演变规律。结果表明:长短期记忆神经网络的整体插补精度优于深度神经网络和卷积长短期记忆神经网络;基于GRACE数据估算的实际蒸散发与4种蒸散发产品的平均相关系数为0.903,表明基于GRACE数据估算的实际蒸散发结果适用性较好;2003—2021年黄河流域多年平均实际蒸散发为144.38~775.62 mm,空间上呈南多北少的分布特征,时间上呈夏多冬少的季节变化特征,2003—2016年以2.51 mm/a的速率上升,2017年后呈下降趋势。

融合GNSS和GRACE/GFO数据反演西南地区陆地水储量变化

为解决单一使用GNSS或GRACE/GFO等技术反演区域陆地储水量变化存在的不足,本文借鉴分解-重构法的思想,提出了一种融合GNSS和GRACE/GFO反演区域陆地储水量变化的方法。利用来自中国陆态网西南地区的90个GNSS测站时间序列数据,融合GNSS和GRACE/GFO反演了中国西南地区2012—2022年的陆地水储量变化,并通过空间分布分析对比其他融合方法及降水数据,验证了本文融合方法的性能。结果表明,融合反演结果在空间分布上综合了GNSS和GRACE/GFO的优点;在时间尺度上,GNSS、GRACE/GFO的反演结果均滞后于降水2个月,而融合反演结果仅滞后于降水1个月,且相应的相关系数也高于GNSS、GRACE/GFO反演结果。因此,本文方法为融合多源数据以获取更可靠的区域陆地水储量变化提供了一种参考。

基于质心定标机动信号估计GRACE-FO卫星激光测距系统TTL耦合系数

GRACE-FO卫星搭载的激光测距系统(LRI)能够以纳米级的精度测量星间距离,LRI测距误差低频部分最大噪声源来自于TTL耦合噪声.TTL耦合噪声源于卫星姿态变化与质心(CoM)和三面镜顶点(VP)偏差产生的耦合效应.本文采用线性估计模型,并利用卫星在质心定标阶段的机动信号数据,基于不同方向的子机动,采用整体参数估计和独立参数估计共三种参数估计策略,获得了合理的TTL耦合系数,结果表明TTL耦合系数满足200 um·rad^(-1)的设计指标要求.另外,将TTL耦合系数换算为质心和三面镜顶点(VP-CoM offset)偏差,可间接获得卫星质心偏差估计结果序列,且该结果序列与基于加速度计的估计结果(卫星质心与加速度计检验质量块的偏差,ACC-CoM offset)序列吻合较好,表明该方法可作为GRACE-FO卫星质心偏差估计的补充方法.

基于GRACE重力卫星与SPEI的云南干旱监测

针对云南省干旱多发、旱灾严重的特点,选取1981年1月-2020年6月长时间序列的历史时期典型水文干旱年及干旱事件,探索GRACE卫星反演数据在监测云南地区干旱方面的适用性,旨在提出解决无资料或少资料地区干旱监测困难的新方法。研究基于GRACE重力卫星数据反演得到云南省滇中、滇东北、滇东南、滇西南、滇西北5个分区月均储水量变化量,计算各分区的旱涝指标-相对储水量指数,利用相对储水量指数对云南省各分区干旱情况进行分析,并从月时间尺度上对比了相对储水量指数和标准降水蒸散指数SPEI3的干旱分析结论。研究结果表明:基于GRACE重力卫星数据反演构建的相对储水量指数在典型水文干旱年内的监测结果与实际干旱情况基本一致,其在滇中地区的适用性最佳,对于春季干旱的监测精度优于其他季节,反演数据能够一定程度上反映云南省不同地区、不同季节干旱程度;利用SPEI3对云南全省以及不同分区的旱情进行监测,结果与统计年鉴记载干旱事件较为吻合,其在滇东南地区的监测精度优于其他分区,在夏、冬两季精度优于春季;GRACE和SPEI3都较好地捕捉到了历史时期的典型干旱年及干旱事件,在选取的24场典型干旱事件中各分区的最高吻合率均达到了15/24;总体上两种指数在各分区漏报率均维持在较低水平,最高不超过1/3,其中SPEI3相较于GRACE更不易出现漏报的情况,其最低漏报率仅为1/8,两种指数在全省及各分区的旱情监测方面均表现出较好的适用性。

青藏高原地壳隆升的GNSS与GRACE联合研究进展

作为世界屋脊,青藏高原现今的地壳隆升状态是地球科学的一个重要关注点,对其地壳运动的观测与动力机制分析是深入认识该问题的关键.随着卫星大地测量的快速发展,以全球导航卫星系统(GNSS)和重力恢复与气候实验卫星(GRACE)为主的观测技术在青藏高原地球动力学研究中表现出巨大优势和潜力.GNSS给出了精细的三维地壳变形结果,GRACE提供了丰富的时变重力数据,前人已有效结合这两种资料对青藏高原地壳运动与固体物质迁移问题进行了充分研究,较系统地评估了高原地壳隆升现状.因此,本文将综述当前联合GNSS与GRACE数据进行高原地壳隆升研究的科学进展,涉及到高原地壳位移场与时变重力场观测、负荷变形估算与构造变形提取、地壳厚度与Moho面深度变化反演等研究成果,本文还简单讨论分析青藏高原当前地壳隆升的环境背景与动力机制.

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。

不同ApoE基因型急性冠脉综合征患者中医证素特征与GRACE评分相关性研究

目的 观察不同ApoE基因型急性冠状动脉综合征(ACS)患者中医证素特征和GRACE评分之间的关系,为ACS患者个体化诊疗提供新思路。方法 收集249例ACS患者的中医证素信息、ApoE基因型、GRACE评分等资料,分析不同ApoE基因型ACS患者中医证素特征与GRACE评分的相关性。结果 共纳入ApoE2基因型32例,ApoE3基因型175例,ApoE4基因型42例。其中具有统计学差异的结果(P<0.05):E4组寒凝证与GRACE-年龄评分相关系数r=0.325 0,气虚证与GRACE-年龄评分相关系数r=0.329 0,气虚证评分与GRACE-总分相关系数r=0.388 2,痰浊证和GRACE-Killip分级评分相关系数r=0.386 0;E3组寒凝证与GRACE-肌酐评分相关系数r=0.442 0,寒凝证评分与GRACE-危险因素评分相关系数r=0.888 5,痰浊证与GRACE-危险因素评分相关系数r=0.149 2,热蕴证评分与GRACE-收缩压评分相关系数r=0.601 9。结论 E4基因型寒凝证、气虚证、痰浊证的ACS患者GRACE评分危险程度更高;E3基因型寒凝证、痰浊证、热蕴证的ACS患者GRACE评分危险程度更高。

利用改进的PnMl方法处理GRACE南北条带误差

GRACE无约束月时变重力场球谐系数模型的反演结果存在明显的南北条带误差。为此,提出一种改进方法,通过对PnMl方法未作处理的高阶系数进行分层多项式拟合,以进一步减少条带误差,并分析其在空域、频域和时域的性能。结果表明,相比于PnMl(P4M6)方法,改进方法可进一步减少30°S~30°N区域的残余条带误差,抑制50阶后信号阶方差的异常抬升,减少质量变化时间序列中的异常峰值。此外,采用信噪比指标和广义三角帽方法对改进方法进行定量评估。结果表明,CSR、GFZ、JPL发布的3种重力场模型经改进方法处理后均达到最优信噪比,分别为1.77、1.35和1.39;其结果的不确定性水平较P4M6方法分别降低20.50 mm、36.40 mm和19.61 mm。

基于GRACE评分的分级护理对心脏介入术后患者中的应用价值

目的:探讨基于GRACE评分的分级护理对心脏介入术后患者心功能、疼痛程度、心理状态、心脏不良事件的影响。方法:纳入我院2020年6月—2022年3月拟行心脏介入治疗的患者98例,根据护理方案不同,分为常规护理组(49例)和分级护理组(49例),常规护理组实施常规护理干预,分级护理组在常规护理的基础上实施基于GRACE评分的分级护理。干预后,比较两组心功能指标[左室舒张末期内径(LVDD)、左室射血分数(LVEF)]、疼痛程度[视觉模拟法(VAS)]、心理状态[焦虑自评量表(SAS)、抑郁自评量表(SDS)]、心脏不良事件及护理满意度。结果:干预后(出院时),分级护理组SAS、SDS、VAS评分低于常规护理组,护理满意度高于常规护理组(P<0.05);干预3个月后,分级护理组LVDD低于常规护理组,LVEF高于常规护理组(P<0.05);随访3个月,分级护理组心脏不良事件总发生率低于常规护理组(P<0.05)。结论:基于GRACE评分的分级护理能降低心脏介入患者心脏不良事件,减轻其心理应激及疼痛程度,有助于促进患者心功能恢复,提高护理满意度。

基于STL-DSCNN神经网络的GRACE数据重构—以中国东北为例

为解决GRACE重力卫星2017—2018年11个月数据空缺的问题,构建了一种STL-DSCNN的神经网络模型,利用降水、径流、蒸散发、气温以及模型陆地水储量作为驱动数据,分割GRACE卫星运行期间2002—2015年的156个月数据作为训练,2016—2017和2018—2022年72个月的数据作为测试。并采用归一化均方根误差NRMSE、皮尔逊相关系数R和纳什-萨特克利夫效率NSE对数据重构效果进行评估。结果表明,STL-DSCNN神经网络预测误差相较STL分解预测和DSCNN神经网络分别减少了20%和5%;重构结果超过90%地区NSE值在0.8以上,东北全区域相关性均在90%以上,相较单纯的STL分解和DSCNN神经网络有较大提升。

基于GRACE和Sentinel-1A的河湟谷地地下水储量与地表沉降研究

本文利用GRACE/GRACE-FO与GLDAS数据反演河湟谷地地区2019—2022年地下水变化情况,利用SBAS-InSAR技术获得该区域同时段的地表沉降速率,结合降水数据研究河湟谷地地区地表沉降与地下水变化的相关关系。结果表明:①河湟谷地整体地下水流失方向是从西北向东南;②地下水变化对地表形变越严重的区域影响更大;③地表形变(抬升)越大,地下水储量流失越多,黄河上游抬升最大,其地下水储量流失最多;④河湟谷地北部地表形变对地下水储量变化不敏感,南部区域地表形变对地下水储量变化更敏感。本文为当地地质灾害预警、水资源可持续利用、生态保护及高质量绿色发展提供了重要的科学参考。