基于GRACE衛(wèi)星的陸地水儲(chǔ)量時(shí)空分布特征研究

錢海明，王春林，孫金彥，黃祚繼

(安徽省·水利部淮委水利科學(xué)研究院，安徽合肥 230088)

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基于GRACE衛(wèi)星的陸地水儲(chǔ)量時(shí)空分布特征研究

錢海明，王春林，孫金彥，黃祚繼

(安徽省·水利部淮委水利科學(xué)研究院，安徽合肥 230088)

基于GRACE重力衛(wèi)星的時(shí)變地球重力資料，反演了全球及我國(guó)西南地區(qū)的陸地水儲(chǔ)量變化，通過最小二乘線性擬合出陸地水儲(chǔ)量的線性變化趨勢(shì)及其變化速率。結(jié)果表明：全球陸地水儲(chǔ)量變化總體呈逐漸增加的趨勢(shì)，等效水高變化速率為0.142±0.002 8 cm/年，具有顯著的季節(jié)性變化，水儲(chǔ)量周年變化明顯；2009年9月～2010年4月我國(guó)西南地區(qū)特大干旱也得到了較好的反映。

GRACE；時(shí)變重力場(chǎng)；西南地區(qū)；陸地水儲(chǔ)量

我國(guó)西南地區(qū)地貌復(fù)雜，河流湖泊眾多，包含了多種氣候類型，適宜發(fā)展林牧業(yè)、農(nóng)業(yè)、旅游等產(chǎn)業(yè)，是生產(chǎn)橡膠、甘蔗、茶葉等熱帶經(jīng)濟(jì)作物的寶貴地區(qū)。2009年9月～2010年5月，西南地區(qū)遭遇特大旱災(zāi)。目前，受限于監(jiān)測(cè)資料匱乏，具有時(shí)空分布特征的GRACE重力衛(wèi)星時(shí)變地球重力資料，為反演全球及局部區(qū)域的大尺度陸地水儲(chǔ)量變化的監(jiān)測(cè)與研究提供了新方法[1]。

自GRACE月重力場(chǎng)模型公布以來，亞馬遜和長(zhǎng)江等各大水系流域、格陵蘭島和南極等極地地區(qū)的陸地水儲(chǔ)量變化一直是研究的熱點(diǎn)[2-8]。筆者選取全球及我國(guó)西南地區(qū)(99.5°～110.5° E，21.5°～32.5° N)為研究范圍，采用CSR提供的RL04版重力場(chǎng)位模型數(shù)據(jù)，通過2002年4月～2011年8月共108個(gè)月的重力場(chǎng)位模型60階的球諧系數(shù)，反演陸地水儲(chǔ)量變化，研究全球及局部區(qū)域的陸地水儲(chǔ)量的變化趨勢(shì)，為未來的水資源管理提供參考數(shù)據(jù)。

1 水儲(chǔ)量反演原理

利用地球引力位和正常引力位可以推算出大地水準(zhǔn)面起伏和重力異常[9]。大地水準(zhǔn)面在空間和時(shí)間上逐漸變化，其球諧系數(shù)表達(dá)式為：

(1)

式(1)中，λ表示地心經(jīng)度；θ表示地心余維；t表示時(shí)間；R表示地球赤道半徑；n、m表示為地球重力場(chǎng)的階數(shù)和系數(shù)；Pnm(cosθ)表示為歸一化Legendre函數(shù)；Snm和Cnm表示地球重力場(chǎng)系數(shù)。

利用時(shí)變重力場(chǎng)模型位系數(shù)可推導(dǎo)出地球表面密度變化的表達(dá)式：

(2)

式中，Δσ(θ,φ)表示為地球表面密度變化；ρ0表示地球平均密度；kn表示負(fù)荷勒夫數(shù)；ΔCnm和ΔSnm表示球諧系數(shù)變化量，由GRACE重力衛(wèi)星觀測(cè)數(shù)據(jù)提供。

鑒于重力場(chǎng)模型系數(shù)誤差隨著地球重力場(chǎng)的階數(shù)增加而增大，為了降低估算物質(zhì)質(zhì)量分布變化時(shí)的誤差，提高反演精度，采用高斯平滑法求解平均后的地球表面密度變化的表達(dá)式：

(3)

GRACE衛(wèi)星提供的RL04版重力場(chǎng)位模型數(shù)據(jù)，在處理過程中剔除了大氣潮、海潮、固體潮、極潮等潮汐及非潮汐影響，因而GRACE時(shí)變重力場(chǎng)主要體現(xiàn)了非大氣和海洋的質(zhì)量變化，即陸地水儲(chǔ)量的變化。利用RL04版重力場(chǎng)位模型數(shù)據(jù)可計(jì)算地球時(shí)變重力場(chǎng)球諧系數(shù)，代入公式(2)計(jì)算得到主要由陸地水儲(chǔ)量變化引起的地球表面密度變化。為了更加直接地反映陸地水儲(chǔ)量變化，將地球表面密度變化轉(zhuǎn)變?yōu)榈刃咦兓?/p>

(4)

式中，T(θ,λ)表示等效水高；ρwater表示為液態(tài)水密度。

2 結(jié)果與分析

2.1 全球陸地水儲(chǔ)量的變化趨勢(shì)

利用GRACE衛(wèi)星時(shí)變重力場(chǎng)資料反演全球陸地水儲(chǔ)量變化，結(jié)果見圖1。

圖1顯示了全球陸地水儲(chǔ)量變化總體呈現(xiàn)出平穩(wěn)趨勢(shì)，南北半球陸地水儲(chǔ)量分布差異明顯。北半球緯度小于40°的區(qū)域陸地水儲(chǔ)量變化幅度比較小，大于40°的區(qū)域陸地水儲(chǔ)量隨著緯度的增加而減少，尤其在高緯度地區(qū)陸地水儲(chǔ)量明顯偏少。以俄羅斯(黑色矩形框區(qū)域)為例，2002～2004年其陸地水儲(chǔ)量呈逐步減少趨勢(shì)，2005～2011年其陸地水儲(chǔ)量開始逐步增加，且2010年陸地水儲(chǔ)量變化非常明顯，2011年達(dá)到近10年陸地水儲(chǔ)量頂峰。南半球的陸地水儲(chǔ)量變化幅度比較平穩(wěn)。以阿根廷及周邊地區(qū)(綠色矩形框區(qū)域)為例，2002～2004年其陸地水儲(chǔ)量逐步減少。但是2005年其陸地水儲(chǔ)量陡然增加。2006～2011年其陸地水儲(chǔ)量呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，且在2009年8月開始出現(xiàn)了旱情，在接下來的2年里部分地區(qū)旱情加重，2011年其陸地水儲(chǔ)量達(dá)到了最低點(diǎn)，與實(shí)際氣象資料吻合。

2.2 西南地區(qū)陸地水儲(chǔ)量變化趨勢(shì)

利用GRACE衛(wèi)星時(shí)變重力場(chǎng)資料反演我國(guó)西南地區(qū)陸地水儲(chǔ)量變化，旨在驗(yàn)證2009～2010年西南地區(qū)的重大干旱問題。結(jié)果見圖2和圖3(大圖為中國(guó)水儲(chǔ)量變化，小圖為西南地區(qū)陸地水儲(chǔ)量變化)。

從圖2和圖3可知，2009年9月～2009年12月，我國(guó)陸地水儲(chǔ)量變化趨勢(shì)是逐步減少。到2010年春季開始，我國(guó)陸地水量逐步回升，存在一定的季節(jié)特征。自2009年9月開始，西南地區(qū)的陸地水儲(chǔ)量整體偏少；11月部分地區(qū)的陸地水儲(chǔ)量顯著減少；12月西南地區(qū)開始出現(xiàn)不同程度的旱情；2010年1月，云南省大部分地區(qū)發(fā)生嚴(yán)重以上干旱并最先進(jìn)入嚴(yán)重干旱期。隨著時(shí)間的推移，旱情由西南方向向東北方向逐步推進(jìn)，并在3月份發(fā)展到最嚴(yán)重階段，到4月旱情才開始緩解，反演結(jié)果與我國(guó)氣象資料結(jié)果較一致。

2.3 全球及西南地區(qū)陸地水儲(chǔ)量變化時(shí)序分析

利用最小二乘線性擬合方法解算全球及我國(guó)西南地區(qū)共10年的陸地水儲(chǔ)量的線性變化趨勢(shì)及其變化速率。重點(diǎn)對(duì)我國(guó)西南地區(qū)發(fā)生干旱的時(shí)間段(2009年9月到2010年4月)進(jìn)行線性擬合，結(jié)果見圖4。

從圖4可以看出，全球陸地水儲(chǔ)量在過去10年里以0.142±0.002 8 cm/年的速率微弱增長(zhǎng)，具有明顯季節(jié)特征，水量周年變化明顯；我國(guó)西南地區(qū)陸地水量在過去的10年里以0.100±0.003 7 cm/年的速率微弱增長(zhǎng)。其中，2009年9月～2010年4月其陸地水儲(chǔ)量以3.892±2.531 cm/年的速率在急劇下降，進(jìn)而可以得知在這段時(shí)間里該地區(qū)處于干旱階段。

3 結(jié)論

該研究分析了GRACE衛(wèi)星反演陸地水儲(chǔ)量的時(shí)空分布特征，重點(diǎn)對(duì)全球及我國(guó)西南地區(qū)陸地水儲(chǔ)量變化進(jìn)行了分析，并得出以下結(jié)論：

(1)全球陸地水儲(chǔ)量變化總體呈逐漸增加的趨勢(shì)，變化速率為0.142±0.002 8 cm/年，水儲(chǔ)量周年變化明顯。北半球陸地水儲(chǔ)量的變化量大于南半球，隨著維度的增加，陸地水儲(chǔ)量的變化明顯減少。

(2)我國(guó)西南地區(qū)的水儲(chǔ)量變化具有明顯的季節(jié)特征，周年變化明顯，總體呈上升趨勢(shì)。

[1] 劉任莉，李建成，褚永海.利用GRACE地球重力場(chǎng)模型研究中國(guó)西南區(qū)域水儲(chǔ)量變化[J].大地測(cè)量與地球動(dòng)力學(xué)，2012，32(2)：39-43.

[2] 鄂棟臣，楊元德，晁定波．基于 GRACE 資料研究南極冰蓋消減對(duì)海平面的影響[J].地球物理學(xué)報(bào)，2009，52(9)：2222-2228.

[3] 魏浩翰，何秀鳳，鄭加柱.聯(lián)合重力衛(wèi)星數(shù)據(jù)及氣候水文模型監(jiān)測(cè)西南地區(qū)陸地水儲(chǔ)量變化[J].河海大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2013，11(6)：488-492.

[4] CHEN J L，TAPLEY B D，WILSON C R.Alaskan mountain glacial melting observed by satellite gravimetry[J].Earth and planetary science letters，2006，248：368-378.

[5] 李軍海，劉煥玲，文漢江，等.基于GRACE時(shí)變重力場(chǎng)反演南極冰蓋質(zhì)量變化[J].大地測(cè)量與地球動(dòng)力學(xué)，2011，31(3)：42-46.

[6] WERTH S，GUNTNER A，SCHMIDT R，et.Evaluation of GRACE filter tools from a hydrological perspective[J].Geophysical journal international，2009，179(3)：1499-1515.

[7] RODELL M，VELICOGNA I，F(xiàn)AMIGLIETTI J S.Satellite based estimates of groundwater depletion in India[J].Nature，2009，460(7258)：999-1002.

[8] 葉叔華，蘇曉莉，平勁松，等.基于GRACE衛(wèi)星測(cè)量得到的中國(guó)及其周邊地區(qū)陸地水量變化[J].吉林大學(xué)學(xué)報(bào)(地球科學(xué)版)，2011，41(5)：1580-1586.

[9] 朱廣彬，李建成，文漢江，等.利用GRACE時(shí)變重力位模型研究全球陸地水儲(chǔ)量變化[J].大地測(cè)量與地球動(dòng)力學(xué)，2008，28(5)：39-44.

[10] 翟寧，王澤民，伍岳，等.利用GRACE反演長(zhǎng)江流域水儲(chǔ)量變化[J].武漢大學(xué)學(xué)報(bào)(信息科學(xué)版)，2009，34(4)：437-439.

[11] 楊元德，鄂棟臣，晁定波，等.GRACE估算陸地水儲(chǔ)量季節(jié)和年際變化[J]．地球物理學(xué)報(bào)，2009(12)：2987-2992．

[12] LUO Z C，LI Q，ZHANG K，et al.Trend ofmass change in the Antarctic ice sheet recovered from the GRACE temporal gravity field [J].Science China earth sciences，2012，55(1)：70-80.

[13] MATSUO K，HEKI K.Time-variable ice loss in Asian high mountains from satellite gravitimetry[J].Earth and planetary science letters，2009，290：30-36.

[14] 羅志才，李瓊，張坤，等． 利用GRACE時(shí)變重力場(chǎng)反演南極冰蓋的質(zhì)量變化趨勢(shì)[J].中國(guó)科學(xué)D輯：地球科學(xué)，2012，42(10)：1590-1596．

Temporal and Spatial Distribution Study of the Terrestrial Water Storage Variations by the GRACE Gravity

QIAN Hai-ming,WANG Chun-lin,SUN Jin-yan et al

(Anhui & Huaihe River Institute of Hydraulic Research, Hefei, Anhui 230088)

Based on the time-varying gravity anomaly data of the GRACE mission, the terrestrial water storage variations in world and southwest China were estimated. The linear trends and changes in the rate of the terrestrial water storage were fitted by the Least Squares. It can be seen that the terrestrial water storage has a gradually increasing trend on the whole, the rate is 0.142±0.002 8 cm/year. In addition, with obvious yearly cycles, the terrestrial water storage variations in this area exhibit significant seasonal variations; And reflects well the severe drought in southwest provinces from Sep. 2009 to Apr.2010.

GRACE; Time-variable gravity field; Southwest China; Terrestrial water storage variation

錢海明(1989- )，男，江蘇沭陽(yáng)人，碩士，從事水資源管理、大地測(cè)量研究。

2015-11-20

S 127；P 228.9

A

0517-6611(2015)35-347-04