地球空间环境与大地测量教育部重点实验室

卫星时变重力场及其应用研究

 Ø 基于SWARM模拟数据研究全球时变重力信号

为了验证SWARM卫星反演时变重力场的能力,利用静态重力场模型EIGEN-GRACE02s、水文、冰和固体地球物理等获取的时变信号,加上噪声和失真误差模拟了20001-200412SWARM月地球重力场模型,将其与相同时间段去噪声的SWARM月地球重力场模型进行了对比分析。研究的时变重力场模型包括SWARM模拟数据及真实数据模型,CHAMPGRACE月重力场模型,最高阶次为60阶。利用SLR代替上述模型项,顾及地心运动的影响,加入基于SLR的地心坐标展开的1阶项。考虑到GIA模型存在不确定性,冰后回弹对质量变化趋势的影响很小,本项研究忽略GIA改正。

分析了时变重力场模型的误差特性和不同高斯平滑半径对高频误差的抑制效果,见 1;利用高低卫卫跟踪方法反演全球质量变化,见 2

1表明SWARMCHAMPGRACE高频信号误差较大,且信号误差特性不同,其中GRACE还存在南北条带误差。采用400km公里的平滑半径,结果表明(1GRACE明显优于SWARMCHAMP;(2SWARMCHAMP的高频信号误差远大于GRACE;(3)采用1000km平滑半径,在陆地水储量变化信号较强的区域,例如亚马逊河流域,三者的符合度较好;在格陵兰岛地区,SWARM探测到冰盖消融现象,而GRACECHAMP均未显示冰盖质量消融。 2表明,SWARMCHAMP的高频噪声大于GRACE,这一特性在信号变化相对较小的海洋地区尤为明显,但在信号变化较大的格陵兰岛,亚马逊河,赞比西河区或东印度区的符合度较好。研究同时发现,由于CHAMP高阶噪声过大,导致在北美、欧洲以及亚洲东北区域的结果不正确;SWARM整体效果优于CHAMP,略低于GRACE

 1  200410月以等效水高表示的时变重力场,第一行为SWARM数据在未进行滤波,400km高斯滤波,1000km高斯滤波处理结果;第二行和第三行分别为CHAMPGRACE的处理结果

  以等效水高表示的全球质量变化趋势,(aSWARM模拟数据20001-200412月,(bSWARM真实模型数据20001-200412月,(cCHAMP 20031-200912月,(dGRACE 20031-200912

 

Ø 青藏高原区域地表质量的变化趋势分析

    利用10年的GRACE RL05月重力场模型反演了青藏高原及其周边区域的地表质量变化,通过最小二乘拟合获得青藏高原地区地表质量变化趋势,其趋势变化较为明显的区域及其变化特征为:印度北部和喜马拉雅山脉地表质量呈现明显减少趋势,西藏块体呈现明显增加趋势,甘青块体呈现缓慢增加趋势。同时给出了上述4个典型区域的地表质量变化时间序列,将其与全球水文模型GLDAS结果对比分析如下:印度北部地表质量呈现出急剧减少趋势,与现有研究结果一致,是由于该地区地下水的过度超采导致;喜马拉雅山脉的地表质量变化整体呈现明显减少趋势,其中2003年至2006年、2006年至2010年以及2010年至2012年三个时间段内均呈现减少趋势,但分段趋势较整体趋势变化有一定程度的减缓;西藏块体地表质量变化均呈现质量增加趋势,但其变化趋势明显大于水文模型结果和GPS测定的地壳隆升速率,这说明导致西藏块体地表质量增加的原因不仅是由于板块构造运动引起青藏高原的抬升,也包括其下覆物质的迁移与积累;甘青块体地表质量呈现缓慢增加或相对平衡,其原因可能为印度板块与欧亚大陆的碰撞和持续俯冲作用造成了青藏高原南部喜马拉雅山脉的强烈隆升,同时导致青藏高原地下物质由南向北迁移,而其运动强度由南向北逐渐减缓,使得青藏高原东北缘地表质量缓慢累积。以上结果将为下一步分析青藏高原区域水文学效应和地球动力学效应提供数据基础。

 3 2003年至2012年青藏高原区域地表质量变化分布及区域划分图

 4  青藏高原各区域地表质量变化时间序列 

Ø 西南地区干旱监测与水文气象解释

    采用去相关和Fan滤波的组合滤波方法,利用20032010年共计8年的GRACE月重力场模型反演中国西南区域陆地水储量变化,与GLDAS全球水文模型进行对比分析,其结果在时空分布上均符合较好,同时在2009年秋至2010年春该区域陆地水储量均呈现明显减少 ,与该时段云贵川三省的干旱事件相一致。对比同期GLDAS水文模型计算的陆地水储量变化,GRACE反演陆地水储量变化与GLDAS的计算结果强相关,即该区域GRACE反演的地表质量变化中主要表现为季节性的陆地水储量变化。同时,对比GRACE反演结果与TRMM合成数据计算的月降雨量表明其时空分布较为一致,进一步表明该区域地表质量变化主要反映了陆地水储量变化,且降雨量是影响陆地水储量变化的主要因素,同时也说明GRACE时变重力场能够探测到2010年西南干旱事件所引起的陆地水储量变化

  5  GRACEGLDAS数据反演的2003年至2010年西南地区陆地水储量变化趋势

 6  20097月至20106月云贵川三省扣除季节性水文信号后的陆地水储量变化月异常分布

 7  20097月至20106月云贵川三省扣除季节性信号的降雨量变化月异常分布

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