GNSS与GRACE联合的陆地水储量变化监测及其负荷形变研究

李婉秋

1. 山东建筑大学测绘地理信息学院, 山东 济南 250101; 2. 中国测绘科学研究院, 北京 100830

准确测定陆地水变化及其负荷形变，对揭示陆地水循环、维持高精度地球参考框架具有重要科学意义。结合GNSS非线性高程时序与环境负荷，可利用残余变化研究陆地水负荷。依据陆地水负荷运移与地球重力场之间物理机制，基于时变重力场对陆地水储量及其负荷形变定量监测。论文研究融合GNSS和GRACE数据监测陆地水负荷形变的理论与方法，结合地球物理模型和实测资料分析陆地水储量变化及其负荷形变时空特性，论文主要工作和研究成果如下：

(1) 验证了GRACE泄漏误差改正方法并进行应用分析。完整推导了基于大尺度流域泄漏误差改正的三次滤波核函数法理论公式，并验证其可靠性；结果表明该方法相比偏差修正法、乘法修正法、尺度因子法，精度RMS分别提高了15%、37%和35%。采用尺度因子法定量反演小尺度区域水储量变化，以关中地区为例，改正后GRACE泄漏误差减小了8%，与实测地下水位具有很好的一致性。采用正向建模方法定量估算中长空间尺度水储量变化，以青藏高原为例，恢复泄漏信号后的模拟信号精度提高了近30%。

(2) 系统研究了基于奇异谱分析的GNSS时序处理优化方案，包括数据插值、信噪分离、信号提取。结果表明：相比传统插值方法，SSA迭代插值法的插值精度最高，高程方向均优于5 mm；相比小波变换与FFT，SSA滤波法信噪分离效果最优；相比最小二乘拟合法，GNSS序列周期信号提取更为准确。基于多通道的奇异谱分析算法重构的时序精度普遍高于FFT多周期重构法，研究区92%测站经MSSA方法重构后精度均有改善，精度提升了2.01%～16.89%。

(3) 验证了GNSS高程方向位移监测区域水储量变化方法的可靠性。按附有约束条件法解决反演模型秩亏的问题，依托地壳负荷弹性形变理论，获取GLDAS模型模拟结果，以此评估GNSS多次迭代反演算法稳定性，结果表明GNSS反演方法稳定性与基准站点的密集程度有关；相比直接解算法，多次迭代反演结果与模拟信号局部特征比较一致；揭示了GNSS反演的区域陆地水储量及其垂直负荷形变特征，并从定性角度探讨了与GRACE监测结果时空共性。

(4) 研究了融合GNSS与GRACE数据监测区域陆地水负荷形变的方法。联合反演结果显示了区域陆地水负荷垂直形变具有明显的季节性特征，位移形变量约为-12 mm～12 mm。相比单一监测手段，联合反演后在远离CORS站覆盖区的边界处出现了相对理想的物理信号，弥补了GNSS反演在积分远场的不足；地表垂直位移变化较大的区域集中在CORS站覆盖范围，主要反映了GNSS信号特征，空间分布相比GRACE结果具有更高空间分辨率，与Mascon形变解也比较吻合。

(5) 利用GRACE-FO重力数据揭示了近10个月我国陆地水储量变化特征；利用改进的Hard与PREM模型分析区域地球结构差异对GRACE-FO反演我国陆地水负荷垂直形变的影响。结果表明：60阶径向勒夫数相对差异接近4.27%，前60阶最大形变差异位于澜沧江流域，幅值约0.7 mm/a。构建了补偿两代重力卫星衔接期水储量变化的SSA迭代算法。在我国6个试验区精度大多高于ARMA模型，预测趋势与Mascon解、GLDAS模型及GRACE-FO结果整体相一致。