卫星重力观测在水文学中的应用与全球时变应力场

摘要

卫星重力观测的应用和应力变化的研究分别是测地学和地球动力学中两个重要的部分。在本论文中，我们围绕卫星重力观测和应力的变化来介绍以下几个方面的研究:
　　(1)利用GRACE（Gravity Recovery and Climate Experiment）卫星重力观测数据监测2003年至2012年间美国本土地区陆地水储量变化；
　　(2)确立一个全新的干旱指数GHDI（GRACE-based Hydrological Drought Index）；
　　(3)建立全球时变应力变化数据库GSVD(global stress variation database)。
　　重力恢复和气候实验GRACE是一项用于监测全球时变重力场的卫星观测计划，其每月的观测值为地球内部质量变化提供了全新的理解。利用GRACE的重力观测数据，我们估计了2003年至2012年间美国本土的陆地水储量变化。2003年至2012年间基于GRACE的陆地水储量在美国本土北方和南方展现出了相反的变化趋势:北部地区等效水厚度从-4.0 cm增加到9.4 cm，南部地区等效水厚度从4.1 cm减少到-6.7 cm。此外，2006年美国中南部地区的等效水厚度减少到-5.1cm，显示出一个比较干旱的时期。从整体上来看，相较于2003年，2004年至2012年间美国本土基于GRACE的陆地水储量在大部分时期呈现出上升趋势（除了2006年、2007年和2012年），并且于2010年达到了最大值259.1±5.7km3（等效水厚度3.0±0.1 cm）。
　　结合传统干旱指数PHDI（Palmer Hydrological Drought Index）和基于水文学模型模拟的土壤水储量，我们确立了一个基于GRACE的干旱指数GHDI用于监测干旱。GHDI指数用于表现基于GRACE的陆地水储量和历史平均值相比的异常值大小，并且使用美国本土部分地区的传统的干旱指数PHDI进行校正。GHDI指数和PHDI指数在美国本土地区展现出了良好的相关性，表明了其用于干旱监测的可行性。因为GHDI指数是基于GRACE计划的全球重力观测，并且对地表台站的水文监测具有最小的依赖，它可以扩展到全球干旱监测，对缺乏足够的地面水文监测基础设施的国家特别具有实际意义。
　　对于地震和火山喷发的触发以及地幔流变学等相关研究，理解应力场如何随时间的变化是十分重要的研究。导致应力随时间变化的原因有很多，比如水文学循环驱动地球地面以上、地面以及地下的水体持续移动，月球、太阳的引力变化和地球自转导致的海平面上升和下降，由月球和太阳的引力引起的固体地球的形变，以及冰后回弹PGR(post-glacier rebound)导致的上个冰期被冰盖压缩的大陆板块的抬升等。我们利用4个主要的作用于地球上的力来计算全球时变应力场，这些作用力包括:
　　(1)基于GRACE的陆地水储量变化引起的水文学加载；
　　(2)海洋潮汐加载；
　　(3)固体地球潮汐加载；
　　(4)冰后回弹PGR相关的力。我们建立了一个全球时变应力场数据库GSVD，对GSVD数据库的特点进行了分析，并且对全球应力随时间变化的幅度、原因、地理分布和不同深度的分布进行了探讨。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 引言

1．2 卫星重力观测监测地球内部质量变化

1．3 卫星重力观测监测干旱

1．4 应力变化与地震和火山的触发

1．5 计算不同加载的响应的方法

1．6 论文结构安排

第2章 卫星重力观测监测地下水变化

2．1 引言

2．2 数据处理

2．2．1 GRACE数据处理

2．2．2 地下水文学测量数据处理

2．3 基于GRACE的陆地水储量变化

2．4 基于GRACE的陆地水储量和地下水文学观测数据的比较

2．5 讨论

2．6 小结

第3章 基于卫星重力观测的干旱指数

3．1 引言

3．2 数据和方法

3．2．1 GRACE数据、水文学数据和PHDI指数

3．2．2 GHDI指数的确立方法

3．3 GHDI指数的确立

3．4 GHDI指数和PHDI指数比较

3．5 讨论

3．5．1 计算GHDI指数使用的数据

3．5．2 GHDI指数的有效性

3．5．3 两种其他确立GHDI指数的方法

3．6 小结

第4章 全球时变应力场

4．1 引言

4．2 应力计算方法

4．2．1 弹性响应计算

4．2．2 黏弹响应计算

4．3 加载和地球模型

4．3．1 水文学加载

4．3．2 海洋潮汐加载

4．3．3 固体地球潮汐加载

4．3．4 冰后回弹PGR加载

4．3．5 地球模型

4．4 全球时变应力场

4．4．1 地表应力变化幅度及其地理分布

4．4．2 不同位置应力变化的时间序列分析

4．4．3 应力变化幅度随深度的变化

4．5 讨论

4．6 小结

第5章 总结和展望

5．1 总结

5．2 展望

参考文献

附录

致谢

在读期间发表的学术论文与取得的其他研究成果