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利用GRACE重力卫星反演2003~2013年新疆天山地区陆地水储量时空变化

李武东 郭金运 常晓涛 朱广彬 孔巧丽

李武东, 郭金运, 常晓涛, 朱广彬, 孔巧丽. 利用GRACE重力卫星反演2003~2013年新疆天山地区陆地水储量时空变化[J]. 武汉大学学报 ● 信息科学版, 2017, 42(7): 1021-1026. doi: 10.13203/j.whugis20150079
引用本文: 李武东, 郭金运, 常晓涛, 朱广彬, 孔巧丽. 利用GRACE重力卫星反演2003~2013年新疆天山地区陆地水储量时空变化[J]. 武汉大学学报 ● 信息科学版, 2017, 42(7): 1021-1026. doi: 10.13203/j.whugis20150079
LI Wudong, GUO Jinyun, CHANG Xiaotao, ZHU Guangbin, KONG Qiaoli. Terrestrial Water Storage Changes in the Tianshan Mountains of Xinjiang Measured by GRACE During 2003~2013[J]. Geomatics and Information Science of Wuhan University, 2017, 42(7): 1021-1026. doi: 10.13203/j.whugis20150079
Citation: LI Wudong, GUO Jinyun, CHANG Xiaotao, ZHU Guangbin, KONG Qiaoli. Terrestrial Water Storage Changes in the Tianshan Mountains of Xinjiang Measured by GRACE During 2003~2013[J]. Geomatics and Information Science of Wuhan University, 2017, 42(7): 1021-1026. doi: 10.13203/j.whugis20150079

利用GRACE重力卫星反演2003~2013年新疆天山地区陆地水储量时空变化

doi: 10.13203/j.whugis20150079
基金项目: 

国家重点基础研究发展计划 2013CB733302

国家自然科学基金 41204007

国家自然科学基金 41374009

公益性行业科研专项 201412001

公益性行业科研专项 201512012

山东省自然科学基金 ZR2013DM009

山东科技大学科研创新团队支持计划 2014TDJH01

详细信息
    作者简介:

    李武东, 硕士生, 主要从事地球时变重力场研究。liwud@foxmail.com

    通讯作者: 郭金运, 博士, 教授。jinyunguo1@126.com
  • 中图分类号: P223;P228.41

Terrestrial Water Storage Changes in the Tianshan Mountains of Xinjiang Measured by GRACE During 2003~2013

Funds: 

The National Basic Research Program of China 2013CB733302

the National Natural Science Foundation of China 41204007

the National Natural Science Foundation of China 41374009

the Special Scientific Research of Public Welfare 201412001

the Special Scientific Research of Public Welfare 201512012

the Natural Science Foundation of Shandong Province ZR2013DM009

the Shandong University of Science and Technology Research Innovation Team Support Program 2014TDJH01

More Information
    Author Bio:

    LI Wudong, postgraduate, specializes in the earth time-variable gravity.E-mail: liwud@foxmail.com

    Corresponding author: GUO Jinyun, PhD, professor. E-mail:jinyunguo1@126.com
图(5)
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出版历程
  • 收稿日期:  2015-11-03
  • 刊出日期:  2017-07-05

利用GRACE重力卫星反演2003~2013年新疆天山地区陆地水储量时空变化

doi: 10.13203/j.whugis20150079
    基金项目:

    国家重点基础研究发展计划 2013CB733302

    国家自然科学基金 41204007

    国家自然科学基金 41374009

    公益性行业科研专项 201412001

    公益性行业科研专项 201512012

    山东省自然科学基金 ZR2013DM009

    山东科技大学科研创新团队支持计划 2014TDJH01

    作者简介:

    李武东, 硕士生, 主要从事地球时变重力场研究。liwud@foxmail.com

    通讯作者: 郭金运, 博士, 教授。jinyunguo1@126.com
  • 中图分类号: P223;P228.41

摘要: 利用2003-1~2013-12的GRACE月重力场数据来计算新疆天山地区陆地水储量的变化,采用去相关滤波和300 km高斯滤波相结合的方法来滤除GRACE数据中的噪声,同时采用尺度因子的方法来减小GRACE后处理误差的影响,并利用Paulson模型结果来扣除由冰川均衡调整(GIA)对水储量反演结果的影响,把得到的最终结果与同期GLDAS、CPC水文模型进行了验证分析。结果表明,GRACE反演结果与两个水文模型的模拟结果变化趋势基本一致,在2003~2013年间,研究区域的水储量整体上呈现下降趋势,速率为-0.54±0.27 mm/a左右,但期间水储量变化波动较大,在2008年10月份左右,该区域水储量较同期呈现明显减小,这与该时段的干旱事件相一致。

English Abstract

李武东, 郭金运, 常晓涛, 朱广彬, 孔巧丽. 利用GRACE重力卫星反演2003~2013年新疆天山地区陆地水储量时空变化[J]. 武汉大学学报 ● 信息科学版, 2017, 42(7): 1021-1026. doi: 10.13203/j.whugis20150079
引用本文: 李武东, 郭金运, 常晓涛, 朱广彬, 孔巧丽. 利用GRACE重力卫星反演2003~2013年新疆天山地区陆地水储量时空变化[J]. 武汉大学学报 ● 信息科学版, 2017, 42(7): 1021-1026. doi: 10.13203/j.whugis20150079
LI Wudong, GUO Jinyun, CHANG Xiaotao, ZHU Guangbin, KONG Qiaoli. Terrestrial Water Storage Changes in the Tianshan Mountains of Xinjiang Measured by GRACE During 2003~2013[J]. Geomatics and Information Science of Wuhan University, 2017, 42(7): 1021-1026. doi: 10.13203/j.whugis20150079
Citation: LI Wudong, GUO Jinyun, CHANG Xiaotao, ZHU Guangbin, KONG Qiaoli. Terrestrial Water Storage Changes in the Tianshan Mountains of Xinjiang Measured by GRACE During 2003~2013[J]. Geomatics and Information Science of Wuhan University, 2017, 42(7): 1021-1026. doi: 10.13203/j.whugis20150079
  • 随着社会的发展,水资源越来越成为影响我国经济和社会发展的关键因素之一,新疆地处我国西北内陆干旱地区,水资源十分匮乏。我国新疆境内的天山位于北纬39°~46°,东经73°~96°,西起中国与吉尔吉斯坦边界,东至哈密市以东的星星峡戈壁,全长约1 700 km。天山孕育着丰富的现代冰川和永久性积雪,为天山南北提供着丰富的水资源,新疆65%的河流源于天山山区[1]。因此, 对新疆天山区域的水储量变化进行研究,有助于了解该地区的水循环系统,并为该地区的水资源的可持续发展提供基础资料。陆地水储量变化(terrestrial water storage changes, TWSC)是包含降雨、蒸发(包括蒸腾)、径流和地下水等一系列活动在内的综合反映,利用传统的地面观测或遥感观测手段,很难获取到高精度的陆地水储量变化。

    2002-03发射的GRACE重力卫星通过监测地球重力场的变化,来获取陆地水储量的变化,由于它具有全球观测分布均匀、观测尺度统一的优点,在全球和区域的陆地水储量变化监测中得到了广泛的应用。Crowley等[2]利用2002-03~2006-12的GRACE数据对刚果盆地的水储量进行了研究,结果显示刚果盆地内有30±6 mm等效水高的减小。Rodell等[3]利用GRACE数据与水文模式数据相结合,发现印度北部地区水储量出现了明显下降。李琼等[4]利用2003~2010年的GRACE月重力场模型反演了中国西南区域陆地水储量变化,计算结果与西南干旱事件对应的时段和区域十分吻合。许民等[5]利用2003-01~2010-12的GRACE数据计算了新疆天山山区水储量时空变化,结果表明天山山区水储量变化呈逐年下降趋势。

    本文特别考虑了GRACE后处理误差的影响,通过尺度因子的方法降低其影响,并采用去相关滤波和高斯滤波相结合的滤波组合方法,同时扣除了冰川均衡调整的影响,得到了2003-01~2013-12新疆天山地区的水储量变化时间序列,并结合同时期的GLDAS、CPC水文模型,重点分析该地区水储量变化的趋势和季节性、年际变化的特征。

    • 本文采用美国德克萨斯大学空间研究中心(CSR)发布的2003~2013年共123个月(其中2003年6月,2011年1、6月,2012年5、10月,2013年3、8、9月的数据缺失)GRACE RL05数据,它的最大阶数为60,并已扣除包括大气、海洋和潮汐在内的影响,因此, GRACE时变重力场主要反映了冰川冰盖、陆地水储量、冰川均衡调整等的变化[6]

      利用GRACE提供的时变重力场位系数反演地球表面质量变化的模型[7]为:

      $$ \begin{array}{l} \Delta \bar \sigma \left( {\theta, \varphi } \right) = \frac{{a{\rho _{{\rm{ave}}}}}}{3}\sum\limits_{l = 0}^\infty {\sum\limits_{m = 0}^l {{{\bar p}_{lm}}} \left( {\cos \theta } \right)} \frac{{2l + 1}}{{1 + {k_l}}} \times \\ \;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\left( {\Delta {C_{lm}}\cos m\varphi + \Delta {S_{lm}}\sin m\varphi } \right) \end{array} $$ (1)

      式中,a为地球平均半径;ρave为地球平均密度;lm分别为重力场的阶数和次数;θφ分别为地心余纬和地心经度;kll阶的勒夫数;Plm(cosθ)为完全规格化Legendre缔合函数;ΔClm、ΔSlm是GRACE提供的完全规格化球谐系数的变化量,本文中是相对于2003~2013年的平均重力场的变化量。

      由于受卫星轨道误差、地球重力场球谐系数相关误差等的影响,GRACE重力场模型中含有较多的噪声,直接利用式(1) 计算的地表质量变化存在明显的南北条带噪声和高频噪声,通常使用平滑核函数[8]和去相关滤波[9]等方法来滤除噪声,基于独立成分分析[10]、主成分分析[11]和奇异谱分析[12]方法也被广泛用于GRACE噪声的消除。由于单一滤波有其局限性,本文采用去相关滤波与高斯滤波相结合的滤波方式,在式(1) 中引入高斯平滑核函数,从而得到反演地球表面质量变化的公式为:

      $$ \begin{array}{l} \Delta \bar \sigma \left( {\theta, \varphi } \right) = \frac{{2a{\rho _{{\rm{ave}}}}\pi }}{3}\sum\limits_{l = 0}^\infty {\sum\limits_{m = 0}^l {{{\bar p}_{lm}}} \left( {\cos \theta } \right)} \frac{{2l + 1}}{{1 + {k_l}}} \times \\ \;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;{W_l}\left( {\Delta {{\bar C}_{lm}}\cos {\rm{m}}\varphi + \Delta {{\bar S}_{lm}}\sin m\varphi } \right) \end{array} $$ (2)

      式中, ΔClm和ΔSlm分别是ΔClm和ΔSlm去相关滤波后的球谐系数变化量; Wl为与阶相关的高斯平滑核函数,即$ {W_0} = \frac{1}{{2{\rm{\pi }}}} $,$ {W_1} = \frac{1}{{2\pi }}\left[ {\frac{{1 + {{\rm{e}}^{ - 2b}}}}{{1 - {{\rm{e}}^{ - 2b}}}} - \frac{1}{b}} \right] $,${W_{l + 1}} =-\frac{{2l + 1}}{b}{W_l} + {W_{l-1}} $,$ b = \frac{{{\rm{ln}}\left( 2 \right)}}{{(1-{\rm{cos}}\left( {r/a} \right))}} $; r为滤波半径。

      在数据处理过程中,本文利用卫星激光测距(SLR)获得的C20替换掉GRACE数据中的C20[13],并利用Swenson等[14]的结果对地球质心变化项(1阶)予以改正。采用滑动窗口方法分别去除同一奇数阶和偶数阶球谐系数的相关性,及300 km高斯平滑半径对GRACE时变重力场数据进行处理,并把计算的结果转换成1°×1°的等效水柱高的形式,即Δhσ/ρw,其中ρw=1 000 kg/m3

      由于在数据处理过程中采用有限阶次的球谐系数,引入空间滤波等,这都会引起信号“泄漏”误差,一方面周边区域的陆地水信号会泄漏到研究区域内,形成内泄漏误差;另一方面研究区域内的陆地水信号也会衰减或泄漏到区域外,造成外泄漏误差[15]。本文通过GLDAS水文模型估算的单一尺度因子来解决研究区域内水文信号幅值变化的问题,尺度因子的计算公式为[16]:

      $$ \lambda = \sum\limits_{i = 1}^n {{{\left( {s-c \times s'} \right)}^2}} $$ (3)

      式中,s为GLDAS未滤波得到的水储量变化,s′为经过滤波后的结果,使λ取得最小值的c即为所求的尺度因子。计算得到的尺度因子为0.94,然后对GRACE得到的结果乘以该因子,再扣除由冰川均衡调整(glacial isostatic adjustment,GIA)对水储量反演结果的影响[17],最终得到新疆天山区域1°×1°的水储量变化,然后按纬度的余弦值作为各格网值的权重,对格网数据进行加权平均可得该区域的平均水储量变化。

    • 1) GLDAS水文模型。本文选取基于NOAH陆地地面模型的GLDAS水文模式, 数据的时间跨度为2003~2013年,时间分辨率为1月,空间分辨率为1°×1°,该模型是由美国宇航局戈达德空间飞行中心和美国国家环境预报中心联合建立的全球水文模型[18]。本文利用GLDAS水文模型计算得到的土壤湿度变化(4层, 0~0.1 m、0.1~0.4 m、0.4~1 m和1~2 m)、雪水当量变化和冠层水变化数据来计算水储量变化,得到的水储量变化中不包括地下水的变化。

      2) CPC水文模型。CPC水文模型[19]数据来自于美国国家海洋和大气管理局(NOAA)气象预报中心(Climate Prediction Center)。数据的时间跨度为2003~2013年,时间分辨率为1月,空间分辨率为0.5°×0.5°,该模型提供的土壤湿度(深度0~1.6 m)数据包括了各种引起水平衡变化的因素,如地表积雪的变化等。本文利用该数据计算了天山区域的水储量变化。

      3) 水文模型数据处理。由于GRACE数据经过滤波后得到的水储量变化信号幅度会减弱,空间分辨率也会降低,因此, 需要对GLDAS、CPC计算得到的水储量变化进行与GRACE类似的滤波处理。

    • GRACE反演的新疆天山区域的平均水储量变化以及GLDAS、CPC水文模型得到的相应的水储量变化时间序列见图 1。由图 1可知,GRACE反演得到的新疆天山区域水储量变化与GLDAS、CPC水文模型反演结果均表现出明显的季节性,分别在夏季和冬季达到了最大值和最小值。但GRACE反演结果的振幅明显大于GLDAS和CPC水文模型的结果,这主要是因为GRACE的结果是综合各种因素后的水储量变化, 而GLDAS和CPC水文模型只是表层土壤水和地表积雪的变化,不包括深层土壤水、冰川、地下水、地表河流及胡泊的水储量变化。在2003~2013年间,GRACE结果显示该区域水储量变化幅度在-58~50 mm之间,最大值出现在2010年5月份,最小值则出现在2008年10月份。

      图  1  GRACE、GLDAS、CPC得到的天山地区水储量变化

      Figure 1.  Terrestrial Water Storage Changes in Tianshan Area from GRACE、GLDAS and CPC

      为了更好地研究该区域水储量的年际变化特征,本文采用13点滑动平均(13 points moving average, 13PMA)的方法来消除季节性波动,见图 2。对图 2得到的时间序列进行相关性分析,GRACE&GLDAS的相关系数为0.82;GRACE&CPC为0.85;GLDAS&CPC为0.83。GRACE与两个水文模型之间的相关系数较大(超过95%的置信水平)。结合图 1图 2,可以得到以下结论。

      图  2  采用13点滑动平均方法得到的水储量年际变化趋势

      Figure 2.  Comparison of TWSC Interannual Trends from GRACE、WGHM、GLDAS by 13 Points Moving Average Method

      1) GRACE、GLDAS和CPC解算的天山水储量变化趋势总体上基本相同,但在个别地方有差异,GLDAS解算结果的峰值较GRACE有所提前,它们的相位差25 d左右,CPC解算结果则与GRACE结果的谷峰值在时间段上符合较好,这可能是由于两种水文模型采用的输入数据和计算模型不同及该区域气候条件复杂导致的模型的不确定性较大造成的,GRACE与水文模型的观测误差以及后数据处理过程中产生的误差造成的。

      2) 在2003~2005年,GRACE结果与GLDAS和CPC结果有所不同,都表现为先上升后下降再上升的趋势变化,但GRACE的计算结果最终表现为水储量的上升,而GLDAS和CPC水文模型则都表现为下降,且CPC结果下降的更加明显。这可能是因为GRACE的结果是综合各种因素后的水储量变化,它们综合呈现上升趋势,而GLDAS及CPC的结果只是代表表层土壤水和地表积雪的变化,它们整体则表现为下降趋势。

      3) 在2006年至2009年初,GRACE、GLDAS和CPC计算结果均呈现明显的下降趋势,GRACE结果在2008年的10月份达到这11 a间的最小值,但GLDAS和CPC结果较GRACE结果则有所提前,该趋势与2008年春至2009年春持续的严重干旱相吻合[20],在图 1中GRACE反演的2008、2009年水储量变化较其他年份出现较大异常, 整体比同期结果都明显偏小,这在GLDAS和CPC水文模型中也有很明显的显示,但对于2008年水储量变化的最小值(2008-10) 和2009年水储量变化的最大值(2009-05) 这一明显异常,GLDAS和CPC水文模型则没能很好地反映出该异常值,这说明了GRACE卫星重力在反映区域水储量年际变化方面具有更好能力。

      4) 从2009年夏季到2010年冬季,该区域水储量变化又呈现急剧上升,在2010-10月份左右达到最大,这与该时期偏多的降雨、降雪有关[21]

      5) 2011~2013年,该区域的水储量变化又出现了明显的下降,并在2013年达到最小值,从图 1中可以看到,GRACE结果在2013-10出现了异常低值,且在GLDAS结果中也有明显的显示,但在CPC水文模型中却没能很好地体现。

      把扣除季节性波动后的GRACE水储量变化进行拟合,得到了2003~2013年间天山区域水储量的线性变化趋势(图 3红线)。在这11 a间,该区域的水储量整体上呈现减小趋势,减小速率为0.54±0.27 mm/a,其间天山地区水储量变化波动比较大,在2003~2005年和2009~2010年该区域水储量变化都呈现上升趋势,但2009~2010的变化率高达21.98±1.50 mm/a,这也进一步间接反映了该时间段多雨和多雪的极端灾害天气,2006~2008年和2011~2013年间天山区域的水储量则都呈现出了不同程度的下降趋势,下降速率分别达到12.38±1.03 mm/a和8.33±1.88 mm/a。

      图  3  扣除季节信号后GRACE水储量变化的线性变化趋势

      Figure 3.  Linear Trend of GRACE TWSC After Deducting the Seasongal Signal

      为了显示天山区域在2008年出现的水储量异常低值,利用GRACE数据计算了该区域每年9、10、11月份的平均等效水高,然后在计算得到2008年9、10、11月份均值相对于2003~2013年同期均值的变化量,结果如图 4所示。结果表明整个天山区域的水储量较同期减小的十分明显,最大的减少量为53 mm左右,出现在天山西南地区,只有东南的小部分地区出现了增加,最大增大量为2.3 mm左右,该区域整体呈现出自西向东水储量减小逐渐减缓的趋势。

      图  4  天山区域2008年8、9、10月水储量变化均值较2003~2013年同期均值之差

      Figure 4.  Differences of the Mean in August、September、October TWSC in the Tianshan Area in 2008 Relative to the Mean of TWSC in Period 2003~2013

      为了更好地探究2003~2013年间天山区域水储量的空间变化趋势,本文对GRACE结果用最小二乘拟合得了2003~2013年该区域水储量变化率,其空间分布如图 5。从图 5可以看出,2003~2013年天山区域水储量总体上呈现下降趋势,其中整个天山山脉的水储量都在下降,最大下降速率为-5.6±1.6 mm/a,出现在天山山脉的中部地区,由于冰川水是影响水储量变化的重要因素,天山山脉整体水储量的下降也是对冰川的加速消退[22]的间接反映;天山山脉以外则都表现出水储量下降速率逐渐减缓的趋势,且在研究区域北部一小部分和南部一部分的水储量变化率为正,最大增长速率出现在南部地区,为6.8±0.8 mm/a。

      图  5  天山区域水储量变化率

      Figure 5.  Rates of TWSC in Tianshan Area

    • 1) 天山区域水储量变化呈现出明显的季节性和周期性,GRACE结果与GLDAS和CPC水文模型结果符合的比较好,但GRACE的振幅明显大于两个水文模型,这说明了深层土壤水、冰川、地下水、地表河流及胡泊是水储量变化中重要的一部分。

      2) 在年际变化上,天山区域水储量变化呈现出较大的起伏波动,2003~2013年间该区域水储量整体呈现下降趋势,速率为-0.54±0.27 mm/a,其中2006~2008年该区域水储量呈现明显的下降趋势,并在2008年10月份左右水储量变化达到最小值,但在2009~2010年则又呈现出快速上升趋势,这也体现了GRACE在监测大范围的干旱、洪涝等极端气候方面具有很大优势。

      3) 从2003~2013年水储量空间变化趋势来看,天山山区的水储量下降速率最大,而越远离山区水储下降趋势越缓慢。

参考文献 (22)

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