基于GRACE卫星的陆地水储量时空分布特征研究

钱海明，王春林，孙金彦，黄祚继

(安徽省·水利部淮委水利科学研究院，安徽合肥 230088)



基于GRACE卫星的陆地水储量时空分布特征研究

钱海明，王春林，孙金彦，黄祚继

(安徽省·水利部淮委水利科学研究院，安徽合肥 230088)

基于GRACE重力卫星的时变地球重力资料，反演了全球及我国西南地区的陆地水储量变化，通过最小二乘线性拟合出陆地水储量的线性变化趋势及其变化速率。结果表明：全球陆地水储量变化总体呈逐渐增加的趋势，等效水高变化速率为0.142±0.002 8 cm/年，具有显著的季节性变化，水储量周年变化明显；2009年9月～2010年4月我国西南地区特大干旱也得到了较好的反映。

GRACE；时变重力场；西南地区；陆地水储量

我国西南地区地貌复杂，河流湖泊众多，包含了多种气候类型，适宜发展林牧业、农业、旅游等产业，是生产橡胶、甘蔗、茶叶等热带经济作物的宝贵地区。2009年9月～2010年5月，西南地区遭遇特大旱灾。目前，受限于监测资料匮乏，具有时空分布特征的GRACE重力卫星时变地球重力资料，为反演全球及局部区域的大尺度陆地水储量变化的监测与研究提供了新方法[1]。

自GRACE月重力场模型公布以来，亚马逊和长江等各大水系流域、格陵兰岛和南极等极地地区的陆地水储量变化一直是研究的热点[2-8]。笔者选取全球及我国西南地区(99.5°～110.5° E，21.5°～32.5° N)为研究范围，采用CSR提供的RL04版重力场位模型数据，通过2002年4月～2011年8月共108个月的重力场位模型60阶的球谐系数，反演陆地水储量变化，研究全球及局部区域的陆地水储量的变化趋势，为未来的水资源管理提供参考数据。

1 水储量反演原理

利用地球引力位和正常引力位可以推算出大地水准面起伏和重力异常[9]。大地水准面在空间和时间上逐渐变化，其球谐系数表达式为：

(1)

式(1)中，λ表示地心经度；θ表示地心余维；t表示时间；R表示地球赤道半径；n、m表示为地球重力场的阶数和系数；Pnm(cosθ)表示为归一化Legendre函数；Snm和Cnm表示地球重力场系数。

利用时变重力场模型位系数可推导出地球表面密度变化的表达式：

(2)

式中，Δσ(θ,φ)表示为地球表面密度变化；ρ0表示地球平均密度；kn表示负荷勒夫数；ΔCnm和ΔSnm表示球谐系数变化量，由GRACE重力卫星观测数据提供。

鉴于重力场模型系数误差随着地球重力场的阶数增加而增大，为了降低估算物质质量分布变化时的误差，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变化的表达式：

(3)

GRACE卫星提供的RL04版重力场位模型数据，在处理过程中剔除了大气潮、海潮、固体潮、极潮等潮汐及非潮汐影响，因而GRACE时变重力场主要体现了非大气和海洋的质量变化，即陆地水储量的变化。利用RL04版重力场位模型数据可计算地球时变重力场球谐系数，代入公式(2)计算得到主要由陆地水储量变化引起的地球表面密度变化。为了更加直接地反映陆地水储量变化，将地球表面密度变化转变为等效水高变化：

(4)

式中，T(θ,λ)表示等效水高；ρwater表示为液态水密度。

2 结果与分析

2.1 全球陆地水储量的变化趋势

利用GRACE卫星时变重力场资料反演全球陆地水储量变化，结果见图1。

图1显示了全球陆地水储量变化总体呈现出平稳趋势，南北半球陆地水储量分布差异明显。北半球纬度小于40°的区域陆地水储量变化幅度比较小，大于40°的区域陆地水储量随着纬度的增加而减少，尤其在高纬度地区陆地水储量明显偏少。以俄罗斯(黑色矩形框区域)为例，2002～2004年其陆地水储量呈逐步减少趋势，2005～2011年其陆地水储量开始逐步增加，且2010年陆地水储量变化非常明显，2011年达到近10年陆地水储量顶峰。南半球的陆地水储量变化幅度比较平稳。以阿根廷及周边地区(绿色矩形框区域)为例，2002～2004年其陆地水储量逐步减少。但是2005年其陆地水储量陡然增加。2006～2011年其陆地水储量呈现下降趋势，且在2009年8月开始出现了旱情，在接下来的2年里部分地区旱情加重，2011年其陆地水储量达到了最低点，与实际气象资料吻合。

2.2 西南地区陆地水储量变化趋势

利用GRACE卫星时变重力场资料反演我国西南地区陆地水储量变化，旨在验证2009～2010年西南地区的重大干旱问题。结果见图2和图3(大图为中国水储量变化，小图为西南地区陆地水储量变化)。

从图2和图3可知，2009年9月～2009年12月，我国陆地水储量变化趋势是逐步减少。到2010年春季开始，我国陆地水量逐步回升，存在一定的季节特征。自2009年9月开始，西南地区的陆地水储量整体偏少；11月部分地区的陆地水储量显著减少；12月西南地区开始出现不同程度的旱情；2010年1月，云南省大部分地区发生严重以上干旱并最先进入严重干旱期。随着时间的推移，旱情由西南方向向东北方向逐步推进，并在3月份发展到最严重阶段，到4月旱情才开始缓解，反演结果与我国气象资料结果较一致。

2.3 全球及西南地区陆地水储量变化时序分析

利用最小二乘线性拟合方法解算全球及我国西南地区共10年的陆地水储量的线性变化趋势及其变化速率。重点对我国西南地区发生干旱的时间段(2009年9月到2010年4月)进行线性拟合，结果见图4。

从图4可以看出，全球陆地水储量在过去10年里以0.142±0.002 8 cm/年的速率微弱增长，具有明显季节特征，水量周年变化明显；我国西南地区陆地水量在过去的10年里以0.100±0.003 7 cm/年的速率微弱增长。其中，2009年9月～2010年4月其陆地水储量以3.892±2.531 cm/年的速率在急剧下降，进而可以得知在这段时间里该地区处于干旱阶段。

3 结论

该研究分析了GRACE卫星反演陆地水储量的时空分布特征，重点对全球及我国西南地区陆地水储量变化进行了分析，并得出以下结论：

(1)全球陆地水储量变化总体呈逐渐增加的趋势，变化速率为0.142±0.002 8 cm/年，水储量周年变化明显。北半球陆地水储量的变化量大于南半球，随着维度的增加，陆地水储量的变化明显减少。

(2)我国西南地区的水储量变化具有明显的季节特征，周年变化明显，总体呈上升趋势。

[1] 刘任莉，李建成，褚永海.利用GRACE地球重力场模型研究中国西南区域水储量变化[J].大地测量与地球动力学，2012，32(2)：39-43.

[2] 鄂栋臣，杨元德，晁定波．基于 GRACE 资料研究南极冰盖消减对海平面的影响[J].地球物理学报，2009，52(9)：2222-2228.

[3] 魏浩翰，何秀凤，郑加柱.联合重力卫星数据及气候水文模型监测西南地区陆地水储量变化[J].河海大学学报(自然科学版)，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] 李军海，刘焕玲，文汉江，等.基于GRACE时变重力场反演南极冰盖质量变化[J].大地测量与地球动力学，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，FAMIGLIETTI J S.Satellite based estimates of groundwater depletion in India[J].Nature，2009，460(7258)：999-1002.

[8] 叶叔华，苏晓莉，平劲松，等.基于GRACE卫星测量得到的中国及其周边地区陆地水量变化[J].吉林大学学报(地球科学版)，2011，41(5)：1580-1586.

[9] 朱广彬，李建成，文汉江，等.利用GRACE时变重力位模型研究全球陆地水储量变化[J].大地测量与地球动力学，2008，28(5)：39-44.

[10] 翟宁，王泽民，伍岳，等.利用GRACE反演长江流域水储量变化[J].武汉大学学报(信息科学版)，2009，34(4)：437-439.

[11] 杨元德，鄂栋臣，晁定波，等.GRACE估算陆地水储量季节和年际变化[J]．地球物理学报，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] 罗志才，李琼，张坤，等． 利用GRACE时变重力场反演南极冰盖的质量变化趋势[J].中国科学D辑：地球科学，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

钱海明(1989- )，男，江苏沭阳人，硕士，从事水资源管理、大地测量研究。

2015-11-20

S 127；P 228.9

A

0517-6611(2015)35-347-04