联合GRACE重力卫星与GPS研究区域陆地水储量变化

摘要

自2002年地球重力场恢复和气候试验卫星GRACE（Gravity Recovery and Climate Experiment）发射至今，已连续运行15余年，积累了大量宝贵的科学观测数据，在地球重力场特别是在时变重力场、静态重力场，地表质量变化、地表负荷形变、陆地水储量变化、冰川海洋变化及强震形变等研究中做出了巨大的贡献。陆地水储量的变化会引起地球重力场的改变，而这种变化恰好可被GRACE重力卫星有效监测到。通过GRACE卫星提供的时变重力场，可以反演陆地水文信号得到大尺度陆地水储量变化，进一步结合水文模型即可探测出地下水变化特征，这不仅可为研究区域水资源动态变化和防控管理等提供了新的思路与方法，而且可为因开采地下水造成地面沉降灾害机理研究提供有价值的参考。为此，本文选取我国大陆板块内部地下水开采典型华北区域以及美国洋----陆板块交界处地下水开采最为严重的加州中央山谷区域，利用 GRACE重力场模型开展了区域陆地水文信息变化特征的研究，对联合-GPS观测形变数据恢复区域陆地水储量真实信号进行了分析
　　本研究主要内容包括：⑴详述了利用GRACE重力场位模型系数反演陆地水储量研究现状与关键技术，推导了利用GRACE重力场模型反演地表质量变化的公式原理，并基于GSM数据对重力场后处理过程中经典滤波方法使用不同参数做了对比试验分析，给出了有关采用何种滤波方法有效性的有价值的参考。⑵针对利用重力场模型反演过程中会存在高阶截断、滤波、泄露误差等带来真实信号损失的问题，提出了“附加 GPS时序约束恢复区域水文信号”的新算法：通过频谱分析法比较由重力场模型反演出的地表负荷形变与 GPS监测形变，得到反演过程中产生的信号损失比，从而依据该“比例”即可恢复出质量变化的真实信号。⑶利用GRACE重力场模型CSR_RL05数据，反演获得了华北平原陆地水储量变化信息，并结合水文模型数据计算获得了华北平原地下水动态变化特征。研究表明：华北平原地区地表水变化量较为微弱，变化周期稳定，而GRACE观测到的陆地水总储量变化主要是由于地下水变化所致；在2002—2016年华北平原地区陆地水储量约以37.32mm/a速率减少，地下水年损失速率约为34.6±3.2 mm/a，地下水损失量约为660.5亿吨。⑷利用GRACE重力场模型数据、GLDAS水文模型数据及美国PBO监测网GPS形变信息，采用附加 GPS时序约束方法反演获得了美国加州中央山谷地下水的动态变化特征。研究表明：加州中央山谷区域陆地水储量整体呈下降趋势，地表水变化长期呈现出均衡状态但略有下降，并且变化趋势与陆地水储量变化相近；2003—2015年加州中央山谷地下水年损失率约为16.43±1.98 mm/a，该结果与前期研究结果基本一致，从而也验证了附加GPS时序约束方法的可行性。

目录

声明

第一章 绪论

1.1 研究背景与意义

1.2 GRACE监测全球陆地水储量研究进展

1.3 本文主要内容和文章结构

第二章 GRACE反演地表物质变化理论

2.1 卫星重力发展

2.2 GRACE重力卫星计划

2.3 时变重力场理论

2.4 反演误差分析与评估

2.5 本章小结

第三章 GRACE时变重力场后处理方法

3.1 空间平均

3.2 去相关滤波

3.3 真实信号恢复

3.4 本章小结

第四章 大陆板块内部典型区域水储量变化探测与分析

4.1 利用GRACE反演地下水方法介绍

4.2 中国大陆内华北平原水储量变化

4.3 与以往研究结果对比分析与解释

4.4 本章小结

第五章 洋-陆板块交界典型区域水储量变化探测

5.1 联合GRACE与GPS反演地下水方法介绍

5.2 太平洋－北美板块边界加州中央山谷水储量变化

5.3 与以往研究结果对比分析与解释

5.4 本章小结

结论与展望

本文主要工作及研究成果

存在的问题与研究展望

参考文献

攻读硕士学位期间取得的研究成果

致谢