利用GRACE时变重力场探测青海区域陆地水变化

摘要

地球质量的分布并非时刻处于稳定静止的状态，地球表层水区域分布上季节性的周年变化和长期趋势上的年际变化，对于气候变化和人类活动具有重要影响。作为空间大地测量的重要内容，地球重力场的研究可以提高人们对地球的认知。2002年发射的GRACE卫星使得全天候、高精度、高效获取全球范围内中长空间尺度时变重力场信息变为可能，为人们提供了监测地球质量变化的方法。
　　本文利用GRACE(Gravity Recovery and Climate Experiment) RL05数据计算2002-2012年间全球范围内的质量变化，选取青海地区结合水文模型GLDAS、卫星测高数据和降水资料进行了详细分析。引入主成分分析方法对于全球计算结果进行分解、筛选和重构。其中相关的内容和结论概括如下:
　　(1)描述了空间大地测量中卫星重力探测技术的发展和CHAMP(ChallengingMini-Satellite Payload For Geoscience and Application)、GRACE、GOCE(Gravity Fieldand Steady-State Ocean Circulation Explorer)三种重力卫星，对利用重力卫星数据探测地球质量变化的国内外研究现状进行了总结。介绍了GRACE的卫星数据产品并阐述利用GRACE卫星重力场数据反演全球质量变化的原理和方法，在GRACE时变重力场后处理方法中着重分析并比较了高斯滤波、扇形滤波、去相关滤波等空间平滑滤波方法对于重力场模型高阶系数误差的影响。
　　(2)引入统计方法中的主成分分析方法对于2004-2010年期间连续84个月的GRACE重力场模型数据计算出的全球范围内质量变化进行分解，得到反映全球陆地水储量主要变化区域分布的空间模态和水储量变化周年性的时间模态。通过采用高贡献度的几个空间和时间模块进行数据重构可以有效的保留原始信号的主成分并压缩数据信号和误差噪声的去除。
　　(3)利用2002-2012年的GRACE数据计算分析了全球陆地水储量的长期变化和周年变化特征，并引入水文模型GLDAS（Global Land Data Assimilation System）所反演出的全球地表水储量变化与GRACE计算结果进行对比和验证分析。详细分析得出青海地区陆地水与地表水储量变化均存在明显的季节变化特征，这与降雨资料有很好的一致性，具体表现为夏季降雨增多，陆地水与地表水储量增加;冬季降雨减少，陆地水与地表水储量减少。除季节变化外，青海地区2002-2012年间陆地水储量呈现出明显的年际变化特征，在长期年际变化上呈现逐年增加的趋势，平均增长速率为4.3±0.4mm/yr，表现为西部高原地区增长速率相对较快。青海湖流域2002-2012年间陆地水储量表现为逐年增加，平均增长速率为3.8±0.4mm/yr，主要来自于地表水储量和青海湖泊蓄水量的变化，平均速率增长分别为2.2±0.3mm/yr和0.9±0.1mm/yr。青海西部高原区域2002-2012年间陆地水储量呈现逐年增长的趋势，平均增长速率为6.4±0.4mm/yr，在趋势向主要由冻土层及深层地下水、地表水储量和湖泊蓄水量的变化所影响。卫星测高监测的结果表明，青海地区多个湖泊的蓄水量自2002年以来表现为上升的趋势，这与GRACE监测的陆地水储量变化趋势趋于一致。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 研究背景及意义

1．2 卫星重力探测技术的发展

1．3 地球质量变化国内外研究现状

1．3．1 国外研究现状

1．3．2 国内研究现状

1．4 GRACE时变重力场模型滤波方法研究现状

1．5 本文研究主要内容

第二章 GRACE反演地球质量原理与方法

2．1 GRACE卫星数据

2．2 GRACE反演地球质量原理

2．3 空间滤波

2．3．1 空间平滑函数

2．3．2 高斯滤波

2．3．3 扇形滤波

2．3．4 去相关滤波方法

2．3．5 DDK滤波

2．4 泄漏误差

2．4．1 区域核函数

2．4．2 尺度因子

2．5 水文模型

2．6 时间序列分析

2．7 本章小结

第三章 陆地水储量变化的主成分分析

3．1 主成分分析

3．1．1 主成分计算

3．1．2 信号压缩与重构

3．2 本章小结

第四章 青海地区陆地水储量变化

4．1 GRACE数据处理及年际变化信息

4．1．1 GRACE数据处理

4．1．2 年际变化

4．2 青海湖流域陆地水储量变化

4．3 西部青藏高原地区陆地水储量变化

4．4 本章小结

第五章 结论与展望

5．1 结论

5．2 展望

致谢

参考文献