基于主成分分析的GRACE重力场模型等效水高

本文使用主成分分析在空间域提取GRACE重力场模型的等效水高,假设信号与噪声之间统计不相关,把由CSR、GFZ和JPL的GRACE重力场模型计算得到的等效水高值作为统计量,通过线性变换来分离信号和噪声.选择2007年3月份GRACE重力场模型作为实验,在直接分离没有取得预期结果后,对GRACE作半径为300km、400km和500km的高斯平滑,然后利用主成分分析得到了3个模式.结果显示,3种平滑半径下,主成分的第1模式的贡献率分别为79%、90%和93%.从主成分3个模式的统计结果以及等效水高图判断,第1模式对应于水文变化信号,其他2个模式为南北条带状噪声.由主成分的第1模式估算了CSR、GFZ和JPL的等效水高,与经验去相关方法进行了对比,结果较为一致.2010年12个月的结果显示,第1模式的贡献率不仅与平滑半径有关,而且与时间有关.

GRACE时变重力场滤波方法比较

由于受到多种误差源的影响,GRACE重力场位系数含有较大噪声,通常对位系数采用某种限制来降低噪声。以高斯滤波、Fan滤波以及DDK2滤波等3种方法计算了GRACE 2010年4月和10月的质量异常。从等效水高图观察,高斯滤波之后南北条带状噪声要略大于Fan滤波和DDK2滤波,并且4月份和10月份的噪声水平也有很大区别。统计结果显示,DDK2的最大值远大于高斯滤波和Fan滤波,在10月份是Fan滤波的2倍;Fan滤波的统计结果要略小于高斯滤波,原因是其对高阶位系数的抑制要大于高斯滤波。

基于GRACE卫星数据的高精度全球静态重力场模型

应用GRACE卫星数据反演高精度静态地球重力场是大地测量学界的热点之一。考虑到经典动力学法线性化误差随弧长拉长而迅速增长,本文以GRACE卫星轨道观测值为初值的线性化方法,建立了应用GRACE卫星轨道和星间距离变率反演地球重力场的改进动力学法理论模型。利用2003年1月至2010年12月的GRACE卫星姿态、轨道、星间距离变率和非保守力加速度等观测数据,解算了一个180阶次的无约束全球静态重力场模型Tongji-Dyn01s和一个采用Kaula规则约束的全球重力场模型Tongji-Dyn01k。与国际不同机构最新发布的纯GRACE数据解算的重力场模型(包括AIUB-GRACE03S、GGM05S、ITSG-Grace2014k和Tongji-GRACE01)进行比较,并利用DTU13海洋重力异常和GPS/水准高程异常进行外部检核,结果表明,Tongji-Dyn01s与国际最新模型精度处于同一水平,然而Tongji-Dyn01k模型总体上更加靠近EIGEN6C2重力场模型。

GRACE时变重力场的高斯平滑研究

利用各向同性和非各向同性两种GRACE时变重力场平滑方法试算了2006年1月至2月的全球大地水准面变化。研究表明,非各向同性的高斯滤波器的频谱不仅依赖于阶也依赖于次,但能够提高纬度方向的分辨率,在经度方向的分辨率和各向同性滤波器的相当;计算得到了与各向同性高斯平滑同精度的时变重力场反演结果。

GRACE/GOCE扩展重力场模型确定我国1985高程基准重力位的精度分析

高精度高程基准重力位的确定往往依赖于高精度全球重力场模型,其对全球和区域高程基准的高精度统一非常关键,GRACE、GOCE卫星重力计划极大地提高了全球重力场模型中长波的精度.本文首先对GRACE/GOCE卫星重力场模型的内符合和外符合精度进行讨论分析,结果说明卫星重力模型的截断误差影响可达到分米级水平,在确定高程基准重力位时该影响不可忽略.利用EGM2008模型扩展GRACE/GOCE卫星重力场模型至2190阶,可有效减弱卫星重力模型的截断误差影响,但不同模型扩展时的最优拼接阶次不同,其中DIR-1、DIR-5模型对应的最优拼接阶次分别为180阶和220阶,以GPS水准数据检验,扩展模型在中国区域的精度均优于18cm.最后,基于最优拼接阶次获得的扩展重力场模型对我国1985高程基准重力位进行了估计,DIR-5和TIM-5模型对应数值分别为62636853.47m^2·s^-2和62636853.49m^2·s^-2,精度均为1.51m^2·s^-2;发现在中国区域模型大地水准面与GPS/水准数据的差值存在微弱的系统性倾斜,东西向倾斜约为9cm,南北向倾斜约为1.4cm,考虑倾斜改正后基于DIR-5和TIM-5模型估计我国1985高程基准重力位的精度提高了0.16m^2·s^-2.

GRACE RL06与RL05时变重力场模型数据初步比较分析

简要介绍CSR、GFZ和JPL机构的GRACE RL06时变重力场模型数据,并对比分析RL06和RL05数据的解算模型。从全球陆地水储量变化反演结果、时变重力场模型阶方差和C 20项时间序列3个方面,对2004-01~2014-11期间RL06和RL05时变重力场模型数据进行对比分析。结果表明,GRACE RL06时变重力场模型数据质量的和精度较RL05有明显提高,其全球陆地水储量变化反演结果去条带噪声效果更好、信噪比更高;在高阶项部分,RL06模型数据的阶方差小于RL05;RL06模型数据的C 20项时间序列幅值变化小于RL05,与SLR所得C 20项数据也更接近。相同条件下,采用CSR RL06模型阶方差最小,利用RL06模型所得全球陆地水储量变化反演结果信噪比值最大。

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。

GRACE卫星时变重力场去相关滤波参数选取分析

直接采用GRACE时变重力场模型反演地球表层质量变化的结果会呈现严重的南北方向条带状误差。滑动窗口拟合多项式方法是一种有效的经验性去相关滤波方法,能有效削弱中高纬度地区条带状误差。球谐系数去相关滤波起算阶数、滑动窗口宽度以及拟合多项式阶数是影响去相关滤波方法效果的关键因素。采用GRACE RL05时变重力场模型数据对去相关滤波的参数选取进行了实验分析,得到了去相关滤波的经验参数,实验结果表明:GRACE时变重力场模型去相关滤波起算阶数应取15阶,滑动窗口宽度应取5或7个点,拟合多项式阶数应设为3阶或4阶。

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。

应用平滑先验信息方法移除GRACE数据中相关误差

由于GRACE卫星数据解算的时变重力场模型中高阶位系数存在误差,这些误差在重力异常图中表现为南北向的条带噪声,在应用GRACE时变重力场数据时必须进行滤波.本文在空间域引入了一种有效消除GRACE时变重力场条带噪声的平滑先验信息方法,并将其与目前常用的高斯滤波和去相关误差等滤波方法分别应用于合成的质量变化趋势数字模型,检测不同滤波方法消除条带噪声的能力及其对真实信号的影响.滤波结果显示,与目前常用的高斯滤波和去相关误差滤波器相比,本文滤波方法在有效移除条带噪声的同时,具有有效信号幅度衰减小、有效信号形变小以及保存了更多的短波长细节信息等优势;此外,统计结果显示,本文滤波结果在信号最大值、最小值以及残差均方根等方面均与模拟真实信号最为接近.相比300km高斯平滑和组合滤波结果,有效信号振幅的极小值和极大值分别提高了约18%和6%,残差均方根分别降低了25%和33%.说明本文滤波方法移除GRACE相关误差的同时,在保留有效信号方面具有明显的优势.

利用GRACE数据分析中国区域地下水变化

利用GRACE和GLDAS数据计算了2003年1月—2012年12月我国长江中下游平原、西南地区、华北平原的地下水储量变化。长江中下游平原与西南地区地下水储量最低值在冬季、最高值在9月,华北平原地下水储量最低值在6月、最高值在12月,结合3个区域降水与农业耕作模式对地下水储量变化进行分析。西南地区地下水储量变化最显著的为云南省,可能与云南省的气温和喀斯特地貌有关。冬季华北平原冬小麦存在越冬期,灌溉需水量减少,地下水储量上升;春末处于冬小麦和夏玉米的轮作期,农业灌溉需水量增加地下水储量减少,达到一年中的最低值。

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。

利用GRACE监测中国区域干旱及其影响因素分析

利用2003-01~2012-12的GRACE时变地球重力场模型计算我国长江中下游平原、西南地区和华北平原陆地水储量变化的时间序列。结果表明,长江中下游平原和华北平原的陆地水储量变化量最低值在2011-05,西南地区最低值在2010-03。根据陆地水储量变化的水平衡原理计算3个区域地下水储量变化情况。结果表明,长江中下游平原和西南地区地下水储量呈缓慢增长的趋势,增长速率分别为0.54mm/月和0.34mm/月;华北地区呈缓慢减小的趋势,减小速率为0.33mm/月。3个区域干旱时期地下水储量的亏损情况分别为:长江中下游平原-21.31mm/月,华北平原-19.88mm/月,西南地区-15.72mm/月。最后,用NOAA发布的月降雨和气温数据对3个区域干旱期间的降雨量和蒸发量进行量化,分析3次干旱产生的原因。结果表明,西南地区2010年春季干旱的主要原因是气温异常,长江中下游平原和华北平原2011年干旱的主要原因是降雨量偏少。

基于GRACE卫星时变重力场模型的黄河中游地区水储量变化研究

论文以水循环发生巨大改变的黄河中游地区作为研究对象,利用GRACE卫星时变重力场模型以及黄河中游地区的水文数据,通过水循环系统的概化、子流域划分以及Mann-Kendall非参数检验等方法,对黄河中游地区以及各个子流域水储量变化进行研究。主要结论如下:近10 a,黄河中游地区水储量以年均3.79 mm等效水深的速度增加,而引起水储量增加的主要原因是该地区径流损失量减少,年均减少量超过2.93 mm等效水深;黄河中游地区水储量的空间变化差异性较大,水储量增加最大的区域是龙门—三门峡区间,年平均增加4.59 mm等效水深,而增加量较小的是三门峡—花园口区间,年平均增加2.71 mm等效水深,水储量增加居中的则是河口—龙门区间,年平均增加3.47 mm等效水深。

一种基于GRACE重力卫星的陆地水储量变化组合新模型

利用重力卫星监测全球水储量变化,有助于应对全球气候变化、防灾减灾等挑战,具有重要的科学意义。国际上已发布了多个系列的重力恢复和气候实验(gravity recovery and climate experiment,GRACE)时变重力场模型,但是不同机构提供的模型之间存在差异,而且精度参差不齐。研究基于不同卫星重力场模型的陆地水储量变化(terrestrial water storage change, TWSC)组合新方法,有利于扬长避短,进一步提高TWSC的估计精度。采用方差分量估计、熵权法和变异系数法,针对5种GRACE时变重力场反演获得的TWSC开展组合研究。结果表明,3种TWSC组合新模型都能够显著减小不同时变重力场反演的TWSC之间的差异,而且信噪比与美国喷气动力实验室模型相比提高了约58%。组合前后全球TWSC趋势最大差异由0.011 cm/月下降到0.001 cm/月,最大水振幅差异由0.95 cm/月减小为0.21 cm/月,1°×1°空间分辨率下TWSC随经纬度方向变化的标准差差异同样由超过20 cm^(2)降低到3 cm^(2)以下。组合模型与水文模型的相关性较独立模型最高提升了约50%,由此证实了组合方法可以有效地抑制噪声,显著提高TWSC结果的精度,是一种稳定可靠的高精度时变重力场应用新模式,可以为陆地水储量反演等应用研究提供更可靠的数据支撑。

中国大陆非构造负荷地壳形变的区域性特征与改正模型

自20世纪90年代初以来，GPS空间大地测量学的迅速发展和全面应用，为全球范围各种规模尺度的地壳运动和构造形变观测提供了革命性的手段，使高精度、大范围、全天候、低成本的大地测量变成了现实。为及时把握GPS空间对地观测技术为防震减灾应用带来的机遇，我国先后于1997-2000年和2007-2012年实施了国家重大科学工程“中国地壳运动观测网络”和“中国大陆构造环境监测网络”，在中国大陆及周边建立了由260个连续GPS观测站和2056个非连续GPS观测站构成的高精度、高密度观测网络，为精细而定量地研究中国大陆不同构造区域的现今地壳运动方式和构造形变演化态势提供了至关重要的基础平台。

基于GRACE卫星和GLDAS系统的地下水水位估算模型——以和田地区克里雅河流域为例

地球重力场的变化是导致陆地水储量变化的重要因素之一,利用GRACE(Gravity Recovery and Climate Experiment)重力场恢复与气候实验重力卫星数据,结合GLDAS(Global Land Data Assimilation Systems)全球陆面数据同化系统和实测地下水位数据,反演和田地区克里雅河流域11年间四季和田地区的陆地水储量动态变化,模拟计算地下水等效水高变化趋势,构建了地下水水位估算模型。研究结果表明:和田地区春、夏两季的陆地水储量呈现出增加趋势,而秋、冬两季出现亏损状态;GRACE地球重力卫星所反演的陆地水储量比GLDAS同化系统所模拟的水资源变化更为剧烈,但2类数据的动态变化拟合度很高;GLDAS水资源等效水高二阶微分、GLDAS水资源变化倒数一阶微分、GRACE陆地水储量变化倒数变化、地下水储量变化一阶微分的敏感程度最高,构建的多元逐步回归模型明显优于线性函数,且水位深度越浅,该估算模型的适用性越高。

采用点质量模型方法反演中国大陆及周边地区陆地水储量变化

研究了反演区域陆地水储量变化的点质量模型方法,采用Tikhonov正则化方法解决了反演过程中参数估计病态问题。利用GRACE(gravity recovery and climate experiment)时变重力场模型数据,用点质量模型方法反演了中国大陆及其周边地区陆地水储量变化,将点质量模型反演结果与球谐系数法反演结果、GLDAS(global land data assimilation)水文模型数据进行了验证分析,并选取了4个特征点计算了陆地水储量变化时间序列。实验结果表明,由于点质量模型方法将研究区域内不同网格质量变化对地球重力场的影响分离开来,所得区域陆地水储量变化局部信号更明显,并且点质量模型方法反演结果与GLDAS水文模型数据相关性更强。