GRACE衛(wèi)星數(shù)據(jù)在國(guó)內(nèi)陸地水儲(chǔ)量反演中的應(yīng)用綜述

曹 陽(yáng)，楊明祥，雷曉輝，張 靜

(1. 城市環(huán)境過程與數(shù)字模擬國(guó)家實(shí)驗(yàn)室基地，首都師范大學(xué)，北京 100048；2. 三維信息獲取與應(yīng)用教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，首都師范大學(xué)，北京100048；3. 中國(guó)水利水電科學(xué)研究院水資源研究所，北京 100038)

0 引 言

水是國(guó)民經(jīng)濟(jì)的命脈，是人類賴以生存和發(fā)展的基礎(chǔ)，充足的水資源對(duì)于維持我國(guó)經(jīng)濟(jì)長(zhǎng)期健康穩(wěn)定發(fā)展尤為重要，因此探究我國(guó)不同地區(qū)水資源現(xiàn)狀和變化趨勢(shì)，有利于水資源的優(yōu)化利用，對(duì)于緩解我國(guó)水資源緊缺現(xiàn)狀、提高生態(tài)環(huán)境質(zhì)量、促進(jìn)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的繁榮，具有非常重要的戰(zhàn)略意義。研究陸地水儲(chǔ)量的傳統(tǒng)方法主要有：①通過遙感衛(wèi)星進(jìn)行反演：這種方法局限于只能獲取地表十余厘米深度土壤含水量的變化信息；②地面站點(diǎn)觀測(cè)：該方法缺點(diǎn)在于人力、物力投入大且觀測(cè)范圍小，在地形復(fù)雜區(qū)域難以進(jìn)行工作；③水文建模模擬：由于模型自身的不確定性以及有些地區(qū)觀測(cè)數(shù)據(jù)缺失等因素，會(huì)致使模型模擬結(jié)果的精度存在較大的偏差。由此可見傳統(tǒng)水資源監(jiān)測(cè)方法對(duì)區(qū)域陸地水儲(chǔ)量研究的弊端越來越突出。通過重力衛(wèi)星則可以提取區(qū)域水儲(chǔ)量變化信息，該法不僅有效避免了傳統(tǒng)方法的缺點(diǎn)，也為對(duì)全球范圍內(nèi)的陸地水儲(chǔ)量的研究提供了嶄新的思路。

GRACE重力位模型通過扣除潮汐(海洋潮汐、固體潮汐和地球自轉(zhuǎn)帶來的極潮)和非潮汐(大氣和海洋)變化造成的影響，剩余的信號(hào)則主要表示地球表面非大氣、非海洋的變化信息，在陸地地區(qū)則主要表示陸地水儲(chǔ)量的變化情況[1]。因此，自2004年GRACE衛(wèi)星時(shí)變重力場(chǎng)數(shù)據(jù)公布以來，可利用其對(duì)區(qū)域陸地水儲(chǔ)量變化和水循環(huán)變化規(guī)律在月尺度上進(jìn)行研究分析，這促進(jìn)了地球物質(zhì)遷移和水文領(lǐng)域研究的蓬勃發(fā)展，同時(shí)也開辟了陸地水儲(chǔ)量變化研究的新思路。本文綜述了GRACE衛(wèi)星在國(guó)內(nèi)陸地水儲(chǔ)量的應(yīng)用現(xiàn)狀和展望，為GRACE衛(wèi)星在國(guó)內(nèi)水文領(lǐng)域的研究提供參考。

1 GRACE重力衛(wèi)星

從Baker[2]在1960年首先提出可以利用衛(wèi)星與衛(wèi)星間的跟蹤模式來觀測(cè)地球重力場(chǎng)變化的設(shè)想以來，大量學(xué)者和研究團(tuán)體在重力衛(wèi)星探測(cè)地球重力場(chǎng)變化的研究中獲得了重要進(jìn)展(如表1所示)。

表1 衛(wèi)星重力測(cè)量理論研究和技術(shù)發(fā)展進(jìn)程[6]Tab.1 Process of theory study and technology developmentof satellite gravity measurement[6]

GRACE是由美國(guó)和德國(guó)共同研制并于2002年發(fā)射升空的重力衛(wèi)星，其設(shè)計(jì)目的主要是通過得到高精度的地球時(shí)變重力場(chǎng)，為研究地球質(zhì)量變化提供有效觀測(cè)數(shù)據(jù)[3,4]。該計(jì)劃最初的構(gòu)想是在大地測(cè)量學(xué)方向得到廣泛運(yùn)用，但在不斷的探索中，學(xué)者發(fā)現(xiàn)GRACE數(shù)據(jù)在氣候?qū)W和水文學(xué)等領(lǐng)域也能得到很好的運(yùn)用。目前GRACE應(yīng)用領(lǐng)域包括地球物理學(xué)、海洋學(xué)、冰川學(xué)和水文學(xué)等相關(guān)領(lǐng)域，并在水文學(xué)領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)了初次使用空間探測(cè)來研究區(qū)域范圍內(nèi)的陸地水儲(chǔ)量(Terrestrial Water Storage, TWS)的突破[5]。

GRACE由兩顆近極圓軌道運(yùn)行的低空衛(wèi)星(GRACE A和GRACE B)組成，兩顆衛(wèi)星之間的距離保持在170～270 km之間。由于地球系統(tǒng)物質(zhì)在不斷的遷移，導(dǎo)致其質(zhì)量也在不斷的重新分配，這使得地球平均重力場(chǎng)處在變化之中，主要因素則來自于水的質(zhì)量轉(zhuǎn)移。因此，地球重力場(chǎng)的局部變動(dòng)會(huì)導(dǎo)致GRACE兩顆子衛(wèi)星二次過境時(shí)的飛行姿態(tài)發(fā)生變化，導(dǎo)致兩顆子衛(wèi)星之間的相對(duì)位置發(fā)生變動(dòng)。這一微小的距離變化會(huì)被重力衛(wèi)星上的K波段測(cè)距系統(tǒng)所測(cè)得并將這種變化表現(xiàn)在它的數(shù)據(jù)序列中。得到的數(shù)據(jù)序列既包含了地球重力場(chǎng)成分，也包含了其他非保守力作用信息。后者則需要通過GPS記錄和非保守力加速度儀數(shù)據(jù)計(jì)算扣除，剩余部分可被用作估測(cè)地球重力場(chǎng)的變動(dòng)。

2 GRACE重力衛(wèi)星反演陸地水儲(chǔ)量原理

利用解算好的GRACE月重力場(chǎng)模型數(shù)據(jù)求解，其數(shù)學(xué)公式如下：

(1)

由于GRACE重力場(chǎng)系數(shù)的誤差隨l的增大而增大，因此計(jì)算過程中還得考慮高階項(xiàng)造成的誤差。為降低高階項(xiàng)誤差對(duì)計(jì)算結(jié)果造成的影響，Jekeli[7]提出了一種利用平滑核函數(shù)計(jì)算表面區(qū)域平均變化的新方法，在公式(2)中引入高斯(Gaussian)平滑核函數(shù)W(a),即：

Wt[ΔCmlcos(mφ)+ΔSmlsin(mφ)]

(2)

3 GRACE在國(guó)內(nèi)陸地水儲(chǔ)量中的研究現(xiàn)狀

GRACE通過獲取區(qū)域水儲(chǔ)量的變化信息為系統(tǒng)評(píng)價(jià)水資源變化提供重要科學(xué)依據(jù)。Zhao等[8]利用GRACE衛(wèi)星2003-2013年數(shù)據(jù)對(duì)我國(guó)陸地水儲(chǔ)總量的變化情況做了研究總結(jié)，并將我國(guó)水儲(chǔ)量變化較大的區(qū)域劃分成5個(gè)區(qū)(A-E)。山西省和新疆天山地區(qū)水儲(chǔ)量有明顯的下降趨勢(shì)，其原因主要是因?yàn)槿祟惢顒?dòng)導(dǎo)致了該地區(qū)的水儲(chǔ)量的減少。相比之下，新疆、西藏和青海省的交界地區(qū)由于生態(tài)環(huán)境的提高和缺少人類活動(dòng)的影響，水儲(chǔ)量則表現(xiàn)出增長(zhǎng)的趨勢(shì)。同時(shí)，重慶、貴州、湖南三省交界區(qū)域和江西、浙江、福建三省交界區(qū)域的陸地水儲(chǔ)量也出現(xiàn)增加態(tài)勢(shì)，具體原因是由于這些地區(qū)年降水量豐富，而且沒有明顯的地下水資源量消耗。GRACE重力衛(wèi)星受其空間分辨率(20 萬km2)的限制，其數(shù)據(jù)多應(yīng)用于大尺度的區(qū)域研究。下文通過敘述GRACE在我國(guó)河流流域、湖泊流域和高原平原地區(qū)等區(qū)域水儲(chǔ)量的研究來說明GRACE的應(yīng)用領(lǐng)域和研究現(xiàn)狀。

3.1 GRACE在河流流域尺度的研究應(yīng)用

相對(duì)于區(qū)域水儲(chǔ)量的研究，流域水儲(chǔ)量涉及多種水量交換而更復(fù)雜。目前GRACE衛(wèi)星進(jìn)行國(guó)內(nèi)河流流域的水儲(chǔ)量的研究還主要集中在長(zhǎng)江、黃河、海河和黑河等大江大河上，由于GRACE衛(wèi)星估測(cè)水儲(chǔ)量存在一定的誤差，因此很多學(xué)者將GRACE衛(wèi)星數(shù)據(jù)和水文模型數(shù)據(jù)結(jié)合作對(duì)比分析。許民等[9]通過高斯平滑濾波對(duì)GRACE觀測(cè)到的時(shí)變重力場(chǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行反演后得出長(zhǎng)江流域的陸地水儲(chǔ)量變化情況。結(jié)果表明長(zhǎng)江流域的水儲(chǔ)量在年際上表現(xiàn)出上升態(tài)勢(shì)，并出現(xiàn)顯著的季節(jié)性變化特征。同時(shí)對(duì)比GRACE反演結(jié)果與GLDAS(Global Land Data Assimilation System)模型結(jié)果，兩者的吻合度較高。Luo等[10]結(jié)合GRACE數(shù)據(jù)估算了珠江流域的水儲(chǔ)量變化，并與WGHM(WaterGAP Global Hydrology Model)和GLDAS水文模型計(jì)算結(jié)果比較，最后表明兩個(gè)水文模型模擬的珠江水儲(chǔ)量變化證實(shí)GRACE反演的珠江流域水儲(chǔ)量的季節(jié)和年際變化特征的準(zhǔn)確性。Moiwo等[11]利用GRACE時(shí)變重力場(chǎng)數(shù)據(jù)研究了海河流域的水儲(chǔ)量變動(dòng)情況，并將估算結(jié)果與實(shí)測(cè)水文數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析。兩者模擬的海河流域水儲(chǔ)量變化時(shí)間序列具有很好的一致性，證實(shí)了實(shí)測(cè)水文測(cè)量的土壤水分和地下水資料能有效地反映半干旱地區(qū)河流流域的水儲(chǔ)量變化。尼勝楠等[12]對(duì)CSR數(shù)據(jù)中心公布的GRACE level-2數(shù)據(jù)進(jìn)行了高斯平滑濾波處理，并對(duì)水文模型數(shù)據(jù)作球諧系數(shù)展開和高斯平滑，探討了多年長(zhǎng)江和黃河流域的水儲(chǔ)量在季節(jié)上和年際上的變化特征，同時(shí)通過監(jiān)測(cè)黃河流域2002年到2003年的干旱現(xiàn)象，證明了GRACE衛(wèi)星在監(jiān)測(cè)干旱事件上的能力。但由于GRACE衛(wèi)星空間分辨率較小，因此限制了其在較小流域尺度中的應(yīng)用。

3.2 GRACE在湖泊、水庫(kù)流域尺度的研究應(yīng)用

由于湖泊、水庫(kù)具有調(diào)蓄水量的作用，水儲(chǔ)量變化明顯，目前GRACE相關(guān)研究中國(guó)內(nèi)涉及的湖泊、水庫(kù)流域主要包括洞庭湖、鄱陽(yáng)湖和三峽水庫(kù)等幾個(gè)大尺度流域。國(guó)內(nèi)外研究水儲(chǔ)量變化大多數(shù)采用的是解算好的GRACE衛(wèi)星月尺度數(shù)據(jù)。如廖夢(mèng)思等[13]選用了最新解算的GRACE RL05 2003-2012年的數(shù)據(jù)與30個(gè)水文氣象站點(diǎn)的降水量數(shù)據(jù)相結(jié)合，通過空間插值和線性趨勢(shì)法反演出洞庭湖流域水儲(chǔ)量變化特征。汪漢勝等[14]結(jié)合2002年-2004年的22個(gè)月GRACE時(shí)變重力場(chǎng)數(shù)據(jù)通過高斯平滑法估算了三峽水庫(kù)流域的水儲(chǔ)量變化情況，并將反演結(jié)果與CPC(Climate Prediction Center)水文模型結(jié)果作對(duì)比分析，兩者均反映了三峽水庫(kù)流域水儲(chǔ)量變化特征。王富[15]在鄱陽(yáng)湖的水儲(chǔ)量變化研究中通過15個(gè)月的平均值和高斯平滑半徑1 000 km來降低數(shù)據(jù)處理誤差，并在反演結(jié)果與VIC模型和CLM模型數(shù)據(jù)比較的基礎(chǔ)上進(jìn)行了最小二乘法和樣條插值法擬合處理。對(duì)比發(fā)現(xiàn)最小二乘法估算結(jié)果更優(yōu)，模型表現(xiàn)出的鄱陽(yáng)湖水儲(chǔ)量的季節(jié)和年際變化與GRACE反演結(jié)果吻合度良好。雖然目前GRACE反演的水儲(chǔ)量變化與水文模型模擬結(jié)果大致趨勢(shì)一致，但仍然存在一定的差異，主要原因一個(gè)是由于GRACE衛(wèi)星獲取數(shù)據(jù)及數(shù)據(jù)處理分析時(shí)產(chǎn)生的誤差，另一個(gè)原因是目前的水文模型本身的不完善導(dǎo)致了差異性明顯。但可以肯定的是，GRACE衛(wèi)星數(shù)據(jù)能反映出流域水儲(chǔ)量變化特征的總體趨勢(shì)。

3.3 GRACE在我國(guó)西部和華北等區(qū)域尺度的研究應(yīng)用

由于水資源是限制我國(guó)西部和華北地區(qū)社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要因素，因此探明這些地區(qū)水儲(chǔ)量變得尤為重要。當(dāng)前GRACE反演國(guó)內(nèi)區(qū)域水儲(chǔ)量的研究大多數(shù)集中在我國(guó)的西部和華北等區(qū)域，采用的數(shù)據(jù)包括GRACE衛(wèi)星數(shù)據(jù)和水文模型數(shù)據(jù)，其中GRACE數(shù)據(jù)可從CSR、GFZ、JPL三個(gè)機(jī)構(gòu)公開的不同數(shù)據(jù)產(chǎn)品中選擇，水文模型數(shù)據(jù)包括全球陸地資料同化系統(tǒng)、美國(guó)氣候預(yù)報(bào)模式和全球水資源分析和預(yù)測(cè)水文模型公布的水文模擬數(shù)據(jù)。Su等[16]運(yùn)用CSR公布的GRACE衛(wèi)星八年(2002-2010年)的時(shí)變重力場(chǎng)資料評(píng)價(jià)了華北平原地區(qū)水儲(chǔ)量變化趨勢(shì)，研究發(fā)現(xiàn)在這段時(shí)間內(nèi)華北地區(qū)的水儲(chǔ)量時(shí)序特征表現(xiàn)為以平均每年-11 mm下降，并將反演的水儲(chǔ)量同CPC水文模型和GLDAS數(shù)據(jù)作了比對(duì)探討，對(duì)比結(jié)果表明GRACE反演的華北平原的水儲(chǔ)量變化與它們均體現(xiàn)出較好一致性，最后分析了過度的地下水開采是導(dǎo)致華北平原水儲(chǔ)量減少的重要原因。蘇子校[17]采用CSR機(jī)構(gòu)發(fā)布的GRACE level-2數(shù)據(jù)對(duì)柴達(dá)木盆地2003-2011年水儲(chǔ)量進(jìn)行計(jì)算，研究表明該區(qū)域水儲(chǔ)量逐年增加，平均增速約為0.27 mm/月，總增長(zhǎng)量約為29.46 mm，其中西南部地區(qū)增長(zhǎng)最多。同時(shí)水儲(chǔ)量的季節(jié)性變化與降水量的季節(jié)性變化趨勢(shì)相同。Yao等[18]運(yùn)用GRACE衛(wèi)星數(shù)據(jù)對(duì)四川盆地2001年1月-2015年2月的水儲(chǔ)量變化趨勢(shì)進(jìn)行了評(píng)價(jià)。研究發(fā)現(xiàn)這段時(shí)期內(nèi)該區(qū)域的陸地水儲(chǔ)量大致表現(xiàn)出上升態(tài)勢(shì)，并且2003年和2006年的干旱事件也在水儲(chǔ)量變化趨勢(shì)中有所體現(xiàn)。另外，孫倩[19]和許民[20]分別探討了新疆和祁連山的陸地水儲(chǔ)量變化情況。

4 國(guó)內(nèi)陸地水儲(chǔ)量變化的因子分析

4.1 氣候因子

蘇曉莉等[21]通過GRACE數(shù)據(jù)反演了全球陸地水儲(chǔ)量的季節(jié)性變化趨勢(shì)。研究結(jié)果顯示只有我國(guó)和其他少數(shù)國(guó)家的流域水儲(chǔ)量季節(jié)性變化表現(xiàn)明顯，尤其是我國(guó)的長(zhǎng)江流域，2005年1-7月份，其水儲(chǔ)量呈現(xiàn)減少態(tài)勢(shì)，并在4-6月份下降了10 cm左右，直到7-9月份水儲(chǔ)量才出現(xiàn)上升狀態(tài)，但在12月份和2016年的1-2月份水儲(chǔ)量又表現(xiàn)減少趨勢(shì)。我國(guó)氣候類型豐富，因此利用GRACE探測(cè)的地球重力場(chǎng)研究我國(guó)陸地水儲(chǔ)量變化時(shí)，降水量成為影響我國(guó)陸地水儲(chǔ)量變化的一個(gè)很重要的因素。我國(guó)氣候類型主要包括熱帶季風(fēng)氣候、亞熱帶季風(fēng)氣候、溫帶季風(fēng)氣候、溫帶大陸性氣候和高原山地氣候，除西北和青藏高原地區(qū)受大陸性氣候和高原氣候控制外，我國(guó)大部分地區(qū)均受季風(fēng)氣候影響，具體表現(xiàn)為夏季炎熱多雨，冬季低溫少雨。因此在探討國(guó)內(nèi)陸地水儲(chǔ)量變化與降水量的關(guān)系時(shí)，氣候類型因素不可忽略。

王杰等[22]將估算到的2002年8月-2010年6月期間的云南省水儲(chǔ)量變幅情況與相應(yīng)的月降水資料對(duì)比，并采用了趨勢(shì)分析法分析了云南省水儲(chǔ)量的變化特征，結(jié)果表明水儲(chǔ)量變化與降水變化基本保持一致。李瓊等[23]通過GRACE反演的云貴川三省的水儲(chǔ)量變化結(jié)果與該地區(qū)的TRMM月降雨量數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，同時(shí)分析研究區(qū)陸地水儲(chǔ)量變化與月降雨量的時(shí)間序列變化特征。顯示該地區(qū)的水儲(chǔ)量變化與降雨量變化具有強(qiáng)相關(guān)聯(lián)系。結(jié)果也證明了降雨量的變化是導(dǎo)致我國(guó)陸地水儲(chǔ)量變化的首要因素。許民等[24]進(jìn)行天山地區(qū)的水儲(chǔ)量變化研究時(shí)，采用了Wang等[25]的趨勢(shì)計(jì)算方法，計(jì)算出該地區(qū)的水儲(chǔ)量和降水量的月變化趨勢(shì)。研究表明每年的5-9月是天山地區(qū)降水主要集中的月份，在這期間該地區(qū)水儲(chǔ)量也比其他月份多，是一年當(dāng)中水儲(chǔ)量最多的幾個(gè)月份。而從12月到次年的3月，降水量和水儲(chǔ)量則表現(xiàn)出相對(duì)匱乏狀態(tài)。結(jié)果表明該地區(qū)水儲(chǔ)量變化對(duì)降水量變化比較敏感。

4.2 人口社會(huì)經(jīng)濟(jì)因子

我國(guó)人口數(shù)量眾多，第一產(chǎn)業(yè)和第二產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速，人口社會(huì)經(jīng)濟(jì)因子在人口密度大或工農(nóng)業(yè)較為發(fā)達(dá)的地區(qū)，是影響該地區(qū)陸地水儲(chǔ)量變化的一個(gè)重要因素。因此在進(jìn)行國(guó)內(nèi)陸地水儲(chǔ)量變化研究時(shí)，尤其是在農(nóng)業(yè)、工業(yè)相對(duì)發(fā)達(dá)地區(qū)，研究分析人口經(jīng)濟(jì)因子對(duì)水儲(chǔ)量的變化變得尤為重要。張銳[26]在對(duì)華北平原水儲(chǔ)量變化成因探討中，綜合考慮到華北平原是我國(guó)重要的糧食產(chǎn)地，農(nóng)業(yè)用地面積廣闊，用水量大。因此將人口密度、第一產(chǎn)業(yè)生產(chǎn)總值和第二產(chǎn)業(yè)生產(chǎn)總值數(shù)據(jù)與估算到的華北平原地區(qū)的水儲(chǔ)量變化研究結(jié)果進(jìn)行關(guān)聯(lián)度分析。研究結(jié)果顯示“第一產(chǎn)業(yè)生產(chǎn)總值”與該地區(qū)水儲(chǔ)量變化的灰色綜合關(guān)聯(lián)度達(dá)到了0.681，“第二產(chǎn)業(yè)生產(chǎn)總值”為0.601，均說明華北平原地區(qū)水儲(chǔ)量變化與人口經(jīng)濟(jì)因子聯(lián)系密切。另外，“第一產(chǎn)業(yè)生產(chǎn)總值”與華北平原地表水變化的灰色綜合關(guān)聯(lián)度是0.602。在華北平原地下水變化方面，“第一產(chǎn)業(yè)生產(chǎn)總值”的灰色綜合關(guān)聯(lián)度達(dá)到0.641，在眾多影響因子中關(guān)聯(lián)性最大，甚至高于降水的影響。說明了農(nóng)業(yè)用水對(duì)華北平原地區(qū)地下水變化影響最大。

5 GRACE在國(guó)內(nèi)水儲(chǔ)量研究的主要瓶頸

5.1 空間分辨率低，只能研究大尺度的陸地水儲(chǔ)量

GRACE在進(jìn)行陸地水儲(chǔ)量的研究時(shí)，雖然在探測(cè)國(guó)內(nèi)幾個(gè)大的流域和區(qū)域的水儲(chǔ)量中得到很好的運(yùn)用，但為了減少中高階位系數(shù)對(duì)研究結(jié)果的誤差影響，而只截取低階的重力場(chǎng)模型，與此同時(shí)也失去了中高階位帶來的重力場(chǎng)信息，這種方法的缺點(diǎn)是空間分辨率低，只能研究大尺度(350 km以上)的陸地水儲(chǔ)量[27]。如果它的測(cè)量面積越小，重力數(shù)據(jù)就越少，計(jì)算出水儲(chǔ)量信息就很困難。在廣大研究者不斷地探索下，倪葦[28]將GRACE和GOCE模型進(jìn)行譜組合計(jì)算，表明了GRACE和GOCE模型可以進(jìn)行互補(bǔ)，彌補(bǔ)了GRACE模型只對(duì)中低階重力場(chǎng)信息敏感的不足，也將GRACE在水儲(chǔ)量的應(yīng)用領(lǐng)域推向更廣提供了可能。在更小尺度區(qū)域水儲(chǔ)量的研究上也取得進(jìn)展，汪漢勝等[14]通過CPC模型與GRACE重力反演結(jié)果比較，證明了GRACE數(shù)據(jù)在監(jiān)測(cè)三峽庫(kù)區(qū)水儲(chǔ)量中的合理性。另外，解決GRACE衛(wèi)星空間分辨率低還有另一個(gè)方法，在區(qū)域地下水研究的基礎(chǔ)上，基于GRACE衛(wèi)星反演數(shù)據(jù)研究細(xì)化GRACE衛(wèi)星空間數(shù)據(jù)(降尺度)的研究方法，即在GRACE衛(wèi)星反演的區(qū)域地下水儲(chǔ)量動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，結(jié)合區(qū)域水文地質(zhì)參數(shù)的分布來研究降尺度的方法。

5.2 GRACE在水儲(chǔ)量研究應(yīng)用中的誤差

自重力衛(wèi)星GRACE為國(guó)內(nèi)水儲(chǔ)量的研究提供了可靠的觀測(cè)數(shù)據(jù)，但由于數(shù)據(jù)本身和應(yīng)用中的誤差使水儲(chǔ)量研究結(jié)果出現(xiàn)一定的偏差。水儲(chǔ)量誤差中主要有信號(hào)泄露、球諧系數(shù)導(dǎo)致的誤差[29]。

5.2.1 信號(hào)泄露誤差

信號(hào)泄露誤差是指研究區(qū)域外的地球物理信號(hào)進(jìn)入了研究區(qū)域內(nèi)，或者研究區(qū)域內(nèi)的信號(hào)未考慮完全，尤其在小尺度區(qū)域的研究中誤差表現(xiàn)更為突出[30]，一般情況下，誤差大小與區(qū)域或流域的尺度大小和緯度高低具有較強(qiáng)的相關(guān)性[31]。均值函數(shù)[32,33]、最佳平滑核[34]和高斯濾波[35]等濾波處理方法可以通過選取最優(yōu)平滑核能一定程度上降低信號(hào)泄露誤差帶來的影響。Guo等[36]結(jié)合各向異性高斯濾波器證實(shí)了此方法可以顯著地降低信號(hào)泄露誤差。其核心是產(chǎn)品的兩個(gè)高斯函數(shù)具有明顯的橫向和縱向平滑半徑，當(dāng)表示地球表面數(shù)公里區(qū)域時(shí)，縱向平滑半徑定義為一個(gè)固定的經(jīng)度間隔，這個(gè)間隔在赤道較長(zhǎng)，在較高的緯度較短。這主要是根據(jù)GRACE數(shù)據(jù)的分辨率，以及在沒有過度平滑的緯向下產(chǎn)生均勻平滑結(jié)果。這種泄漏減少方法也可以通過去除一個(gè)模型來研究一個(gè)區(qū)域內(nèi)的信號(hào)是遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于周圍的區(qū)域，或者周圍區(qū)域的信號(hào)可以被減少到非常低的幅度的區(qū)域。

5.2.2 儀器誤差

衛(wèi)星間距離變化率的系統(tǒng)噪聲誤差、超穩(wěn)定振蕩器誤差、加速度誤差以及衛(wèi)星軌道誤差即是儀器誤差。GRACE重力衛(wèi)星研究國(guó)內(nèi)水儲(chǔ)量情況的精確度某種程度上是由GRACE本身的誤差決定的。重力場(chǎng)球諧系數(shù)階數(shù)增大會(huì)引起誤差增大，因此在進(jìn)行GRACE反演國(guó)內(nèi)水儲(chǔ)量變化的處理中需要為降低誤差的影響而截取到最優(yōu)的階數(shù)，但在截取階數(shù)的處理中又必不可少地會(huì)出現(xiàn)相應(yīng)地截?cái)嗾`差。曹艷萍等[37]在監(jiān)測(cè)黑河流域水儲(chǔ)量變化中通過引入高斯平滑核函數(shù)W(a)，減少了來自高階項(xiàng)的誤差影響，得出了更為準(zhǔn)確的反演公式。

5.2.3 混淆誤差

混淆誤差是指重力場(chǎng)中那些次級(jí)的短周期變化混入月平均重力場(chǎng)而導(dǎo)致的誤差。而在大部分國(guó)內(nèi)水儲(chǔ)量的研究上，選用的數(shù)據(jù)都是經(jīng)過模型去掉GRACE衛(wèi)星觀測(cè)數(shù)據(jù)中的大氣和海洋潮汐等的影響。例如尼勝楠等[2]在進(jìn)行長(zhǎng)江、黃河流域的水儲(chǔ)量變化監(jiān)測(cè)中選用的是GRACE level-2數(shù)據(jù)產(chǎn)品，該產(chǎn)品是一種已經(jīng)將非潮汐大氣、高頻海洋信號(hào)和各種潮汐的影響去除的數(shù)據(jù)。這些模型在理論上是沒有偏差的，但實(shí)際上大氣-海洋去混淆模型(AOD)都避免不了相應(yīng)的誤差，這些誤差可能會(huì)導(dǎo)致更大誤差的潮汐模擬，影響在國(guó)內(nèi)反演水儲(chǔ)量的研究結(jié)果的精確度。目前混淆誤差也是制約GRACE在水儲(chǔ)量研究的一個(gè)重要因素。國(guó)內(nèi)在這方面的研究還比較缺乏，國(guó)外研究成果中，Seo等[38]通過GRACE合成數(shù)據(jù)和地球物理模型去除與球諧系數(shù)相關(guān)的混淆誤差。

6 結(jié) 語

自重力衛(wèi)星GRACE在國(guó)內(nèi)陸地水儲(chǔ)量變化研究領(lǐng)域越來越廣泛，并且取得了一系列重要的研究成果。利用GRACE近月平均重力場(chǎng)模型系列數(shù)據(jù)研究不同流域、區(qū)域的水儲(chǔ)量情況，有助于了解我國(guó)干旱缺水區(qū)域的水儲(chǔ)量變化，為國(guó)家制定發(fā)展戰(zhàn)略，促進(jìn)地區(qū)社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和生態(tài)環(huán)境保護(hù)提供科學(xué)依據(jù)。GRACE重力衛(wèi)星在監(jiān)測(cè)陸地水儲(chǔ)量變化的同時(shí)還可以通過水量平衡方程進(jìn)一步的研究國(guó)內(nèi)地下水儲(chǔ)量的變化情況，為區(qū)域地下水管理提供新的方法。目前已有不少專家學(xué)者對(duì)我國(guó)不同區(qū)域地下水儲(chǔ)量變化情況做了研究總結(jié)[39-41]。此外，GRACE得到的陸地水儲(chǔ)量變化還可用于區(qū)域蒸散發(fā)時(shí)變量[42]、計(jì)算模擬冰雪徑流和寒區(qū)凍結(jié)地的滲透量變化等領(lǐng)域[43]。GRACE在這些領(lǐng)域的發(fā)展與應(yīng)用加深了我們對(duì)國(guó)內(nèi)陸地水儲(chǔ)量理解與認(rèn)識(shí)，也為水資源的空間調(diào)度和旱澇災(zāi)害預(yù)警提供新的技術(shù)支持。

GRACE的應(yīng)用潛力在水文界備受關(guān)注，但由于受GRACE衛(wèi)星空間分辨率的限制，目前在國(guó)內(nèi)水儲(chǔ)量變化的監(jiān)測(cè)還主要集中在長(zhǎng)江、黃河和青藏高原、華北平原等大的流域和區(qū)域尺度上，而在小流域和小區(qū)域尺度上，由于誤差較大、水文模型不完善等原因還鮮有重要的研究成果。因此GRACE的潛力還遠(yuǎn)沒有得到最大程度的發(fā)掘。后續(xù)的重力衛(wèi)星也將被陸續(xù)研制并發(fā)射，例如具有更高分辨率的GRACE Follow-on(雙星)衛(wèi)星將于2017年升空，其觀測(cè)到的地球重力場(chǎng)精度比目前的GRACE高10倍。因此具有更高的時(shí)間和空間分辨率的重力衛(wèi)星數(shù)據(jù)的應(yīng)用，無論是研究我國(guó)水儲(chǔ)量變化還是在其他相關(guān)領(lǐng)域都是值得期待的方向。此外，目前GRACE在國(guó)內(nèi)水儲(chǔ)量的研究流域和區(qū)域?qū)θ斯ひ蛩匾鸬目鐓^(qū)域調(diào)水的水儲(chǔ)量變化還少有研究，如南水北調(diào)工程，因此在這方面還有巨大潛力。通過對(duì)這類大的工程區(qū)域的水儲(chǔ)量變化研究或許可以為相關(guān)部門提供科學(xué)的數(shù)據(jù)參考和決策依據(jù)。另外，當(dāng)前GRACE在國(guó)內(nèi)水儲(chǔ)量的研究還主要集中在傳統(tǒng)的河流和區(qū)域，與國(guó)家重大政策接軌程度欠缺。隨著“一帶一路”政策的實(shí)施和落實(shí)，探究“一帶一路”地區(qū)水儲(chǔ)量的變化變得尤為重要，對(duì)新“絲綢之路”沿線地區(qū)的水儲(chǔ)量研究，有利于科學(xué)地認(rèn)識(shí)“一帶一路”地區(qū)的水儲(chǔ)量變化情況，深化我國(guó)當(dāng)前經(jīng)濟(jì)開放水平，實(shí)現(xiàn)我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的再平衡。

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