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GNSS与GRACE联合的陆地水储量变化监测及其负荷形变研究

李婉秋  
【摘要】:陆地水是水资源中重要组成部分,准确测定区域陆地水时空变化及其负荷形变,对于揭示陆地水循环、理解地壳非线性运动地球动力学过程、以及建立和维持区域高精度地球参考框架都具有十分重要的现实和科学意义。随着空间大地测量技术的发展,测量数据具备了多元化及高精度的特点,全球卫星导航系统(Global Navigation Satellite Systems,GNSS)因其精度高、实时以及全天候的优势已成为监测地壳运动变化的重要手段。地壳运动非线性变化主要反映了非潮汐海洋负载、大气负载、水文负载以及冰川均衡调整等地球物理效应的综合作用,从GNSS大地高非线性变化时序中扣除大气与非潮汐海洋负荷效应后,可利用残余时序研究陆地水负荷。陆地水负荷运移引起地球重力场随时间的演变,基于时变重力场与地表质量变化的物理机制,可对陆地水及其负荷形变进行定量反演。重力反演与气候实验卫星GRACE(Gravity Recovery and Climate Experiment)及 GRACE-FO(GRACE-Follow On)的时变重力场模型为连续监测区域地表质量变化提供了有效的技术手段。本文研究融合GNSS和GRACE数据监测区域陆地水负荷形变的理论与方法,结合地球物理模型和实测资料分析区域陆地水储量变化及其负荷形变时空特性,本文的主要工作和研究成果如下:1、回顾了 GRACE卫星重力测量技术的发展和应用,评述了重力场模型与GNSS反演陆地水及其负荷形变的方法和研究进展,总结分析了 GRACE和GNSS数据在反演中的一些关键问题,指出了滤波方法、泄漏误差是影响GRACE反演精度的重要影响因素,改善GNSS反演模型的观测量精度是提高GNSS反演结果可靠性的关键环节;阐述了联合反演方法在水负荷形变研究中的作用和意义。2、介绍了 GRACE反演水储量变化及负荷形变计算的基本理论。研究了 GRACE时变重力场模型反演地表质量变化的球谐系数法;比较分析了单一滤波法与组合滤波法对南北条带噪声的处理效果;给出区域时变重力场提取算法计算公式;描述了冰川均衡调整的物理机制,对于GIA效应采用ICE-5G模型改正;完整推导了不同性质地球参考框架一阶负荷勒夫数的转换关系式。3、验证了 GRACE泄漏误差改正方法并进行应用分析。完整地推导了基于大尺度流域水储量泄漏误差改正的三次滤波核函数法理论公式,利用数值模拟与实测数据验证新算法的可靠性;结果表明该方法相对于偏差修正法、乘法修正法、尺度因子法估算的时间序列,其泄漏误差改正精度RMS分别提高了 15%、37%、35%,与WGHM水文模型和三峡水库蓄水实测资料吻合较好。采用尺度因子方法定量反演小尺度区域水储量变化,以关中地区为例,尺度因子改正后GRACE泄漏误差减小了 8%,反演结果与实测地下水水位及降水资料具有很好的一致性。采用正向建模方法定量估算中长空间尺度水储量变化,数值模拟结果表明改正后的信号精度提高了近30%,以青藏高原为例恢复其泄漏信号之后的陆地水储量变化与WGHM结果比较接近,低频域的信号能量显著增强。4、系统研究了基于奇异谱分析的GNSS时序处理优化方案,包括GNSS时序粗差探测、高程方向时序降噪、数据插值及信号提取四个方面。结果表明:相对于传统插值方法,SSA迭代插值法的插值精度最高,在高程方向的插值精度均优于5mm,随着时序缺失数据的增多该方法仍具有很好的稳定性;相比小波变换与快速傅里叶变换,SSA滤波法分离时序信号与噪声的效果最优,与真实值最为接近;相比最小二乘拟合法,利用SSA方法获取的GNSS序列周期项信号时间序列更为准确,与改正泄漏误差及GAC影响后的GRACE形变结果其相关系数可达到0.7以上;扣除GRACE质量负荷项后,相同测站的WRMS值也随之降低,陆地水负荷对GNSS高程方向序列的贡献率在1.6%~17%范围内。5、提取了 GNSS数据降尺度特征并精化GNSS反演模型观测量。提出了基于多通道奇异谱分析的GNSS数据降尺度方法,用于改善反演模型观测量精度与局部高频信号影响。分析38个CORS基准站的高程方向时序结果表明:MSSA方法重构的时间序列精度普遍高于FFT多周期重构法,92%的测站采用MSSA方法重构之后其精度均有不同程度地改善,精度提升了 2.01%~16.89%。采用移去恢复方法优化了大气负荷与海平面变化负荷影响的计算过程,减小了原始格网数据在进行球谐展开时产生的截断误差,结果表明:大气负荷对基准站垂直位移的影响在季节尺度上最大可达12.4mm、海平面变化负荷引起测站垂直位移最大值约为±3mm。6、验证了 GNSS高程方向位移监测区域水储量变化的方法可靠性。对于反演模型构建,按附有约束条件的方法解决了法方程秩亏的问题,避免了正则化方法中岭参数选取的困难,提高了计算效率;细致分析了反演模型中的积分半径选择与边界尺度扩充等问题;依托地壳负荷弹性形变理论,获取了 GLDAS模型的数值模拟结果,以此评估GNSS多次迭代反演算法的稳定性,其结果显示:对于测站点位密集的区域,反演结果与模拟信号比较吻合,而对于点位稀疏的局部地区信号偏差相对较大,在距离基准站覆盖范围较远的四周区域,其结果明显偏离模拟信号。说明了 GNSS高程方向位移反演方法的稳定性与基准站点的密集程度有关;相比于直接解算法,多次迭代反演结果与模拟信号局部特征一致性较好,有效验证了多次迭代反演方法的稳定性;进一步揭示了 GNSS反演的区域陆地水储量变化及其垂直负荷形变时空特征,主要从定性的角度探讨了与GRACE监测结果的时空共性。7、研究了融合GNSS与GRACE数据监测区域陆地水负荷形变的方法。联合反演结果显示了区域陆地水负荷垂直形变具有明显的季节性特征,位移形变量约为-12mm~12mm。在2015~2017年的每年1月至3月陆地水负荷迁移驱动地表产生向上位移;每年5月、7月、8月地表在陆地水负荷作用下产生向下位移;相比单一监测手段,联合反演后研究区信号产生了新的变化,在远离CORS站覆盖区的边界处出现了相对理想的物理信号,弥补了 GNSS反演在积分远场的不足;地表垂直位移变化较大的区域集中在CORS站覆盖范围,主要反映了 GNSS结果的信号特征,空间信号分布相比GRACE结果具有更高的空间分辨率。为了验证联合反演方法相比GNSS反演的优越性,推导了 Mascon等效水高转换成Mascon形变位移的计算公式,结果表明:联合反演方法得到的区域陆地水负荷垂直形变与Mascon形变解吻合较好。8、利用CSR、JPL、GFZ三家机构的GRACE-FO时变重力场模型揭示了近10个月我国陆地水储量随时间演变的时空特征;提出利用改进的Hard模型与PREM模型分析区域地球结构差异对GRACE-FO反演我国陆地水负荷垂直形变的影响。结果表明:60阶径向勒夫数的相对差异接近4.27%,前60阶垂直负荷形变最大差异位于云南一带的澜沧江流域地区,幅值约达到0.7mm/a。构建了预测GRACE与GRACE-FO衔接期水储量变化的SSA迭代方法。分析我国6个实验区水储量在短期、中短期、中期、长期等时间尺度上的预测精度,结果表明其预测精度几乎都高于ARMA模型,预测趋势与Mascon解、GLDAS模型以及GRACE-FO结果整体相一致。


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