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利用GRACE RL06时变重力场的水储量变化反演研究与应用

徐永明  
【摘要】:卫星重力测量对大地测量学、地球物理学和全球水文学等众多学科具有重要意义。论文利用CSR发布的GRACE(Gravity Recovery and Climate Experiment)RL06时变重力场,研究地表质量变化反演理论以及时变重力场数据处理流程与滤波步骤,实现基于时变重力场反演地表质量变化在水储量变化、水文负荷形变以及旱涝监测评估三方面的卫星重力监测应用。论文利用上述数据及理论为水储量变化以及水文负荷形变的卫星重力监测提供新思路,为旱涝监测评估提供新的干旱指数特征值计算方法,为水资源管理以及地表垂向位移监测等提供科学的决策基础和依据。论文主要研究工作有:(1)详细介绍时变重力场反演地表质量变化理论。总结重力场表达、时变重力场反演地表质量变化和时变重力场模型误差评估的理论方法,研究利用时变重力场反演陆地水储量变化以及地表水文负荷形变的基本原理。研究表明,在水储量变化反演结果及定量评估模型误差两方面,GRACE RL06数据质量均优于RL05。(2)系统总结时变重力场数据处理流程及多源数据联合分析方法。研究时变重力场数据处理流程并对后处理滤波算法进行分析,探讨时变重力场数据与GPS数据及水文模型的联合分析方法,分析了参考框架统一(地心改正)及大气和海洋高频非潮汐影响(GAC改正)对时变重力场反演水文负荷形变的影响。研究表明,组合滤波能显著提高时变重力信号的提取精度,在中国区域GAC改正从幅值及相位两方面对不同基准站之间的影响差异较大。(3)利用GRACE时变重力场和GLDAS(Global Land Data Assimilation System)水文模型,实现对云贵高原水储量变化的卫星重力监测及分析。研究2003~2010年底云贵高原陆地水储量及地下水储量的长期趋势、季节性特征并对研究时域内的干旱事件进行探测与分析。对比研究GRACE信号泄露误差和C20项误差,并利用相关性分析、趋势分析和L-S时频分析研究云贵高原水储量变化的时序特征。提出全局概率定权以及四分位数值法用于提取地下水储量变化,并对比纬度余弦加权与上述两种水储量提取算法的不同。研究表明,GRACE时变重力场可实现区域水储量变化的监测和分析,尺度因子法可有效抑制时变重力信号衰减与泄漏,三种方法提取地下水储量变化基本一致,其中四分位数值法计算量最小。(4)利用GRACE时变重力场和GPS时序,实现对华北平原垂向水文负荷形变的卫星重力监测及分析。定量评估地心改正和GAC改正对华北平原地区2002~2016年GRACE反演垂向水文负荷形变时序的影响。研究GRACE垂向水文负荷形变与GPS垂向位移的时序特征及相关性,分析华北平原地区垂向水文负荷形变的时空特征。研究表明,GRACE时变重力场可实现垂向水文负荷形变的监测分析,GAC改正对华北平原GRACE位移时序的影响可达±8mm左右,地心改正的影响比较微弱,GRACE与GPS位移时序之间高度相关。(5)利用时变重力场数据解算GRACE_DSI06干旱指数,实现对中国区域的旱涝时空特征分析。提出线性拟合残差加权的干旱指数年度特征值算法及平面拟合残差加权的格网特征值算法,运用所提干旱指数特征值计算方法结合GRACE_DSI06、PDSI、SPI以及SPEI干旱指数对中国区域总体旱涝格局进行综合分析,深入分析四川和新疆两省区的旱涝特征及形成域内旱涝特征的可能原因。研究表明,GRACE_DSI06可实现旱涝时空特征的监测分析,所提干旱指数特征值计算方法在四川及新疆地可有效监测旱涝事件及空间分布特征。该论文有图67幅,表16个,参考文献110篇。


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