GRACE重力衛(wèi)星在洪水預測中的應用

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GRACE重力衛(wèi)星在洪水預測中的應用

摘要：GRACE重力衛(wèi)星可提前幾個月提供重要的潛在洪水的數(shù)據(jù)，增強了現(xiàn)有全球洪水預測的能力。簡要介紹了重力的時空變化特征、GRACE重力衛(wèi)星及其在洪水預測中的應用，指出GRACE重力衛(wèi)星未來的應用情景十分廣闊，同時也指出了其水文應用中存在的主要問題。

關(guān)鍵詞：洪水預測;GRACE重力衛(wèi)星;應用研究

洪水造成的損失是巨大的，僅美國的內(nèi)陸洪水平均每年會造成133人死亡以及40億美元的財產(chǎn)損失。為了更好地預測洪水，充分了解包括土壤含水量、地下水位和雪水當量的流域全方位的水文情勢相當重要，但是在大尺度范圍內(nèi)使用傳統(tǒng)方法難以獲取這些觀測數(shù)據(jù)。因此，許多洪水預測方法只關(guān)注極端降雨事件，把洪水定量預測能力限制在時間尺度的雨量預測上(即通常在3~10 d的范圍內(nèi))。這些短歷時預測對水資源管理提出了挑戰(zhàn)。

在最近的研究中,美國宇航局(NASA)的重力反演與氣候?qū)嶒?GRACE)重力衛(wèi)星已經(jīng)能夠觀測區(qū)域重力的變化，這種方法比傳統(tǒng)的洪水預報方法更有優(yōu)勢。在某些情況下，重力的變化與地表水、地下水的變化成正比，可以提前幾個月預警地下水飽和以及即將可能發(fā)生的潛在洪水事件。

1重力的時空變化

作為宇宙中5個基本作用力之一，重力是兩個基本量(質(zhì)量和距離)的函數(shù)。任何兩個物體之間的引力與它們質(zhì)量的乘積成正比，與它們之間距離的平方成反比。這種關(guān)系可用來調(diào)節(jié)整個地球表面重力，而且這些影響因子非常容易測量。

例如，由于地球的扁率(想象一個美式足球的形狀)，一個在北極重90.7 kg的人在赤道上的實際重量只有90 kg,這表明改變與地球質(zhì)心的距離能引起重力的變化。同樣的關(guān)系適用于山脈、峽谷、沙漠和海洋，即如果改變兩物體質(zhì)心之間的距離，那么它們的重力將受到影響。

也有來自重力的當?shù)赜绊懸蜃?。例如在一個山區(qū)，其周圍的大量巖石和致密的地殼會產(chǎn)生一個比沉積區(qū)、薄地殼海洋盆地更大的引力。如果山上有積雪，當?shù)厮馁|(zhì)量也會增加當?shù)氐闹亓ΑｋS著冰雪消融，當?shù)氐闹亓p弱，所以重力不僅可以隨著位置改變，還可以在同一個位置上隨著時間而改變。

這個隨時空演變的地球重力場是大地測量學測量和建模的對象。隨著全球高精度大地測量的出現(xiàn)，使得利用重力觀測數(shù)據(jù)進行大尺度的水文研究成為了可能。

2GRACE重力衛(wèi)星

2002年3月，NASA與德國航天局合作發(fā)射了一顆衛(wèi)星，根據(jù)探測計劃命名為GRACE重力衛(wèi)星。GRACE重力衛(wèi)星實際上由兩個串聯(lián)飛行的衛(wèi)星組成，每顆衛(wèi)星約有一輛大眾汽車那么長，兩顆衛(wèi)星海拔約450 km，相距約220 km。每顆衛(wèi)星使用微波測距儀監(jiān)測另一顆衛(wèi)星由于地球重力場變化而引起的軌道變化，兩顆衛(wèi)星之間距離的測量精度為納米級(即小于單個人類DNA鏈)。衛(wèi)星觀測范圍映射到地球的重力場計算機模型中，偏離預期軌道的差值都被記錄下來?；谶@些殘差，可以推算出導致每個位置下衛(wèi)星軌道變化所需的水量。

GRACE重力衛(wèi)星的陸地水儲量異常(TWSA)觀測數(shù)據(jù)為全球月度數(shù)據(jù)組，其分辨率約為3°(經(jīng)度和緯度)。衛(wèi)星可以監(jiān)測該地區(qū)約1.5 cm高的當量水儲量變化(假設(shè)水被均勻地分布)。這些數(shù)據(jù)是按照測量誤差和處理誤差估算的。

對于很多應用程序來說，這可能是一個相當粗糙的分辨率。2012年，蘭德雷爾(Landerer)和斯文森(Swenson)在其一篇論文中介紹了一組1°修正(“比例因素”)，可以根據(jù)已知的全球水文信號的空間格局放大GRACE信號。這些調(diào)整幫助很多應用程序更具可行性。

基于GRACE估算陸地水儲量為水文學領(lǐng)域帶來了多方面的啟示：估算大型流域河流流量；揭示大尺度范圍內(nèi)地下水枯竭情況；量化全球冰川消退情況。先前的研究已經(jīng)提出一個陸地水儲量容納能力極限的概念，該極限與區(qū)域洪水密切相關(guān)。

3利用GRACE重力衛(wèi)星預測洪水

為了研究利用GRACE TWSA觀測數(shù)據(jù)預測洪水的有效性，重現(xiàn)案例研究是非常有用的。2011年春末，密蘇里河流域遭受了500 a一遇的洪水，澇漬地和創(chuàng)紀錄的積雪場在連續(xù)數(shù)月中受到兩場大暴雨襲擊。當洪水漫至密蘇里州，為了保護像開羅、伊利諾伊這樣的城鎮(zhèn)，犧牲了很多堤壩，損失了很多房屋。像這樣的洪災，如果有更多的準備時間是否會有幫助？提前得知地球重力場變化的信息能否為到來的洪水發(fā)出預警？

陸地水儲存異常信號包含一個對衛(wèi)星覆蓋區(qū)域內(nèi)的所有水文變化的垂直整合方法，這是因為研究區(qū)存在積雪儲量、土壤儲量、地表水和地下水儲量的變化。為了研究洪水，首先必須建立流域TWSA與流域河口流量之間的觀測關(guān)系。

建立了伊利諾伊州圣約瑟夫(USGS站編號06818000)水文站流量曲線，并分析了2003~2012年間密蘇里河每年夏季流域平均陸地水儲量異常的GRACE數(shù)據(jù)。可用一條較低的包絡(luò)回歸線來建立正常的“基流”狀態(tài)曲線，并得到當?shù)貜搅魇录汀傲髁糠逯怠痹诨貧w線y軸的差值。高流量對應高存儲條件(點接近回歸線)表明區(qū)域流量飽和。

分析表明冬季積雪導致TWSA增加，但積雪儲量增加與徑流增加并不對應。1月和2月的積雪最終轉(zhuǎn)化為流量或基流釋放出來。這與2011年文獻報道的特大洪水的原因一致，即大量的融雪、凍土和高水位。

根據(jù)2014年里杰(Reager)等人的研究，這種分析建立在統(tǒng)計模型構(gòu)建的基礎(chǔ)之上。分析表明，GRACE的TWSA觀測數(shù)據(jù)在洪水發(fā)生前5個月就提供了重要的預測性信息。這超出了單從河道水位、雪水當量或土壤水分數(shù)據(jù)可以提供的信息。GRACE觀測的總儲水量與流域內(nèi)的地下水位有著較好的相關(guān)性。

4討論

水文學中，使用“水桶”模型預測流域徑流有著悠久的歷史。因為GRACE在眾所周知的“桶”中測量了所有水量(看見和看不見的)，當桶“滿了”，就是一個很好的警示。在世界上許多地方，并沒有取得時空上一致的水文觀測數(shù)據(jù)，要么是沒有報道或者未與公眾共享數(shù)據(jù)。GRACE平臺提供了時空一致的月數(shù)據(jù)，以用來增強現(xiàn)有的全球洪水預報能力。但以下幾個問題需要注意。

(1)GRACE只能用于預測受大范圍積雪或液態(tài)水儲量影響的洪水。例如，2010年印度河洪水是由季風季節(jié)的暴雨引起的，24 h的降雨量為3 048 mm。GRACE無法預測類似事件。

(2)GRACE的TWSA數(shù)據(jù)具有一定的時間滯后。整個地球每月的新重力場結(jié)果需要超級計算機進行幾小時甚至幾天的計算。數(shù)據(jù)通常滯后3個月左右。目前為止，只有2002年4月至2014年11月的完整數(shù)據(jù)記錄?，F(xiàn)已推出了一個10 d更新GRACE數(shù)據(jù)的解決方案。

(3) GRACE衛(wèi)星5 a的設(shè)計壽命將至。另一顆被稱為GRACE Follow-on的衛(wèi)星定于2017年發(fā)射。在這之前，工程師們希望GRACE衛(wèi)星繼續(xù)充分發(fā)揮作用，但電池的問題已經(jīng)開始限制數(shù)據(jù)的獲取。任何情況下，這項用來預測最嚴重洪水的技術(shù)其未來的應用前景十分廣闊。

邰肇悅柯學莎譯

(編輯：朱曉紅)

中圖法分類號：P338.9

文獻標志碼：A

文章編號：1006-0081(2016)02-0040-02

收稿日期：2015-09-25