联合GPS与GRACE反演陆地水储量变化

摘要

水是生物赖以生存的资源，陆地水与人类的生活密不可分。研究陆地水储量的变化，是探究自然现象，如厄尔尼诺现象、拉尼娜现象及人为因素，如地下水抽取、修建水利等对水资源影响程度的重要手段。陆地水储量的变化可能会引起诸如洪水、干旱等灾害的发生，将直接关系到人们的生活安全与经济建设，所以，对陆地水储量进行有效探测，具有重要的科学与实际应用意义。 利用全球定位系统GPS（Global Positioning System）以其实时高精度和自动化等特点，被广泛地应用于监测地表位移、板块运动及反演陆地水等负荷。GRACE（Gravity Recovery and Climate Experiment）重力卫星通过探测地球时变重力场，研究地表负荷源变化，可实现全球大尺度陆地水储量动态监测。本文探讨了联合 GRACE 和 GPS 资料在陆地水储量研究中的实际应用，主要工作和取得的成果如下： 总结了目前国际上基于 GRACE 观测数据反演陆地水储量变化的方法及研究进展；对GRACE时变重力场模型在陆地水储量变化、冰川消融、海平面变化等方面的重要成果作综述；并探讨了联合 GRACE 和 GPS 研究陆地水储量及地表位移的方法及前沿进展。 以GRACE Level-2数据为基础，研究了长江、黄河、淮河和珠江四大流域2005—2010年间的水储量变化，同时利用EOF滤波分析了2010 年厄尔尼诺现象对中国陆地水储量的影响。并发现当 EOF 滤波应用于全球陆地水储量变化计算时，中纬度地区、北美西部及格陵兰岛等地陆地水储量信号泄露现象可明显减轻。特别的，探讨了Forward Modelling方法在亚马逊流域和尺度因子法在我国四大流域中对恢复GRACE信号泄露现象的有效性。 利用模拟实验验证了改进的经验模态分解方法MEEMD（Modified Ensemble Empirical Mode Decomposition）在信号分离中的优势。以MEEMD为基础，得到了适合于非平稳时间序列分析的改进的EEMD 方法，并使用其提取了长江、黄河、淮河和珠江流域水储量中约3.05、2.37、2.37和2.13年的水循环周期。 最后，利用GRACE 计算结果验证了四川 GPS 站点位移中的周年项主要是由于陆地水储量的季节性变化所致，并计算了陆地水在 GPS 垂向时间序列中的贡献；最终发现，四川地区多变的地形与气候，可能是GRACE所得陆地水储量与GPS站点垂向时间序列间相位差存在的原因。

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