利用时变重力场研究长江流域水储量变化与极端气候事件

摘要

随着人类社会的快速发展，气候变化越来越成为人们关注的核心问题，越来越多的研究表明，由于大气海洋耦合系统所导致的全球性气候事件，对全球气候变化会产生显著影响。长江流域作为中国第一、世界第三大流域，整体位于季风区，同时位于东南季风、西南季风和东北季风的控制之下，会受到以厄尔尼诺南方涛动（El Ni(n)o-Southern Oscillation，ENSO)为代表的全球气象事件的严重影响。近年来，长江流域极端水旱灾害频现，众多水文气象数据已研究表明其与ENSO指数具有较强相关性，与印度洋偶极子(Indian Ocean Dipole，IOD)、北极涛动(Arctic Oscillation，AO)、和北大西洋涛动(North Atlantic Oscillation，NAO)等其它气象事件也存在一定联系，分析这些气象事件的影响，将为长江流域极端水旱灾害研究提供重要补充。随着空间技术的发展，以地球重力场恢复和气候实验(Gravity Recovery and Climate Experiment，GRACE)为代表的新一代卫星重力计划也为陆地水储量变化的观测提供了高质量、高精度的连续观测数据。结合卫星重力观测资料和气象指数，可对不同气象事件在长江流域的影响进行量化研究，对长江流域的防灾减灾工作具有前瞻性的科学意义。 本文利用2002年7月至2017年6月共15年的GRACE月时变重力场模型序列，反演了长江流域陆地水储量变化(Total Water Storage Change，TWSC)，结合ENSO、IOD等指数和气象水文数据，全面分析了周边极端气候事件对长江流域水储量异常变化的影响，揭示了与极端水旱灾害的相关关系，并给出了对中国区域主要流域的影响。本文的主要工作及贡献有: 1.研究了GRACE时变重力场数据处理理论与方法。推导了利用GRACE时变重力数据反演地表质量变化的方法;深入研究了GRACE后处理技术，着重对比分析了高斯滤波、扇形滤波和去相关性滤波的空间平滑效果，提出了最优的去相关性滤波+扇形滤波的滤波组合法;给出了利用信号分离法、先验模型法和尺度因子法进行信号泄漏改正的计算方法。 2.研究了长江流域连续水储量变化异常(TWSC Anomaly，TWSA)时间序列的确定方法。以GRACE Level-3产品结果为参考，验证了滤波组合法的可靠性和数据质量优势;针对数据缺失情况，对比了几种常见插值方法与基于奇异谱分析(Singular Spectrum Analysis，SSA)的SSAM(SSA for missing data)插值法，确定SSAM插值法为最优内插方法;探究了趋势信号和季节信号的最优消除方法，采用SSA和最小二乘拟合的组合方法，有效分离和提取了趋势信号和季节信号。 3.利用互相关分析方法，计算分析发现ENSO对长江流域水储量异常变化的影响十分明显。ENSO与水储量异常变化的相关性，在整个长江流域互相关峰值为0.53，时延为6个月;在长江上游、中游和下游的互相关峰值分别为0.51、0.57和0.58，时延分别为8个月、6个月和6个月。在子流域尺度和1°×1°格网尺度的进一步分析表明，ENSO对长江流域水储量异常变化的影响强度具有自东向有西逐渐递减的趋势。同时，利用快速傅里叶变换在频域内验证了MEI与长江流域TWSA的显著相关性。采用降雨、蒸发和径流等水文数据证实，通过互相关分析可以计算得到准确的ENSO-TWSA时延。最后，揭示了ENSO与长江流域内发生的四起极端水旱灾害之间的显著相关关系。 4.利用互相关分析的方法，分析了IOD和AO/NAO对长江流域水储量异常变化的影响。IOD-TWSA分析结果表明，IOD对长江流域的影响集中在长江上游地区，主要表现为正IOD事件会导致长江上游TWSA下降，负IOD事件则会导致该地区TWSA上升;水系尺度的分析表明，部分上游水系虽然受到ENSO影响程度较小，但是却受到IOD的影响显著。AO-TWSA分析结果表明，AO/NAO会对长江流域产生明显影响，具体表现为正AO/NAO事件会导致长江流域TWSA上升，负事件则会导致下降，但这一影响存在着较长时延，达到了16个月;水系尺度的分析表明，长江流域东部和南部受AO/NAO影响较为明显，而西部和北部所受的影响则较弱。 5.分析了不同极端气候事件与我国各大流域水储量异常变化的关系，在1°×1°格网尺度上着重讨论了ENSO对中国大陆的影响。结果显示，ENSO和我国大部分流域都有显著关联，除了塔里木河流域之外的其余七大流域均呈明显的正相关关系，其中，对华北、华中和华东地区组成的中部区域影响较大，对东北地区和华南地区影响较小;IOD对我国流域的影响更为复杂，东北、华北、华中、华南和西北都有不同的相关性特征;AO/NAO总体呈现自北向南的影响趋势，和北方地区TWSA主要呈负相关，而和南方地区则呈现正相关关系。

目录

声明

摘要

1．1引言

1．2研究背景与意义

1．3国内外相关领域研究现状

1．3．1全球及区域水储量变化研究进展

1．3．2长江流域与全球气象事件关系的研究进展

1．4本文研究目标与研究内容

第2章GRACE时变重力场数据处理理论与方法

2．1 GRACE数据简介

2．2时变重力场反演地表质量迁移的基本原理

2．3 GRACE数据预处理

2．4空间平滑

2．4．1各向同性的高斯滤波

2．4．2改进的高斯滤波

2．4．3扇形滤波

2．4．4去相关性滤波

2．5信号泄漏

2．5．1信号分离法

2．5．2先验模型法

2．5．3尺度因子法

2．6 GIA改正

2．7本章小结

第3章长江流域水储量变化时间序列确定

3．1研究区域概况

3．2长江流域水储量变化反演

3．3内插方法研究

3．3．1传统插值方法

3．3．2奇异谱分析插值方法

3．3．3不同插值方法插值结果对比分析

3．4长江流域水储量变化时间序列分析

3．5本章小结

第4章极端气候事件对长江流域水储量异常变化的影响分析

4．1极端气候事件概述

4．1．1 ENSO

4．1．2 IOD

4．1．3AO／NAO

4．2数据来源

4．2．1 TWSA

4．2．2极端气候指数

4．2．3水文模型

4．2．4气象水文数据

4．3 ENSO对长江流域水储量异常变化的影响分析

4．3．1流域和子流域尺度分析结果

4．3．2利用气象水文数据验证ENSO-TWSA时延

4．3．3 ENSO对长江流域的影响特征分析

4．4 IOD对长江流域水储量异常变化的影响分析

4．4．1流域和子流域尺度分析

4．4．2水系尺度分析

4．4．3 IOD影响长江上游TWSA的机制探讨

4．5 AO／NAO对长江流域水储量异常变化的影响分析

4．5．1流域尺度和子流域尺度分析

4．5．2水系尺度分析

4．6极端气象事件对中国大陆区域水储量异常变化的影响分析

4．6．1全球气象事件和中国各大流域关系的讨论

4．6．2 ENSO在中国大陆范围内的影响特征

4．7本章小结

5．1结论

5．2展望

参考文献

致谢