基于GRACE衛(wèi)星的陸地水儲量時空分布特征研究

錢海明，王春林，孫金彥，黃祚繼

(安徽省·水利部淮委水利科學(xué)研究院，安徽合肥 230088)

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基于GRACE衛(wèi)星的陸地水儲量時空分布特征研究

錢海明，王春林，孫金彥，黃祚繼

(安徽省·水利部淮委水利科學(xué)研究院，安徽合肥 230088)

基于GRACE重力衛(wèi)星的時變地球重力資料，反演了全球及我國西南地區(qū)的陸地水儲量變化，通過最小二乘線性擬合出陸地水儲量的線性變化趨勢及其變化速率。結(jié)果表明：全球陸地水儲量變化總體呈逐漸增加的趨勢，等效水高變化速率為0.142±0.002 8 cm/年，具有顯著的季節(jié)性變化，水儲量周年變化明顯；2009年9月～2010年4月我國西南地區(qū)特大干旱也得到了較好的反映。

GRACE；時變重力場；西南地區(qū)；陸地水儲量

我國西南地區(qū)地貌復(fù)雜，河流湖泊眾多，包含了多種氣候類型，適宜發(fā)展林牧業(yè)、農(nóng)業(yè)、旅游等產(chǎn)業(yè)，是生產(chǎn)橡膠、甘蔗、茶葉等熱帶經(jīng)濟作物的寶貴地區(qū)。2009年9月～2010年5月，西南地區(qū)遭遇特大旱災(zāi)。目前，受限于監(jiān)測資料匱乏，具有時空分布特征的GRACE重力衛(wèi)星時變地球重力資料，為反演全球及局部區(qū)域的大尺度陸地水儲量變化的監(jiān)測與研究提供了新方法[1]。

自GRACE月重力場模型公布以來，亞馬遜和長江等各大水系流域、格陵蘭島和南極等極地地區(qū)的陸地水儲量變化一直是研究的熱點[2-8]。筆者選取全球及我國西南地區(qū)(99.5°～110.5° E，21.5°～32.5° N)為研究范圍，采用CSR提供的RL04版重力場位模型數(shù)據(jù)，通過2002年4月～2011年8月共108個月的重力場位模型60階的球諧系數(shù)，反演陸地水儲量變化，研究全球及局部區(qū)域的陸地水儲量的變化趨勢，為未來的水資源管理提供參考數(shù)據(jù)。

1 水儲量反演原理

利用地球引力位和正常引力位可以推算出大地水準(zhǔn)面起伏和重力異常[9]。大地水準(zhǔn)面在空間和時間上逐漸變化，其球諧系數(shù)表達式為：

(1)

式(1)中，λ表示地心經(jīng)度；θ表示地心余維；t表示時間；R表示地球赤道半徑；n、m表示為地球重力場的階數(shù)和系數(shù)；Pnm(cosθ)表示為歸一化Legendre函數(shù)；Snm和Cnm表示地球重力場系數(shù)。

利用時變重力場模型位系數(shù)可推導(dǎo)出地球表面密度變化的表達式：

(2)

式中，Δσ(θ,φ)表示為地球表面密度變化；ρ0表示地球平均密度；kn表示負(fù)荷勒夫數(shù)；ΔCnm和ΔSnm表示球諧系數(shù)變化量，由GRACE重力衛(wèi)星觀測數(shù)據(jù)提供。

鑒于重力場模型系數(shù)誤差隨著地球重力場的階數(shù)增加而增大，為了降低估算物質(zhì)質(zhì)量分布變化時的誤差，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變化的表達式：

(3)

GRACE衛(wèi)星提供的RL04版重力場位模型數(shù)據(jù)，在處理過程中剔除了大氣潮、海潮、固體潮、極潮等潮汐及非潮汐影響，因而GRACE時變重力場主要體現(xiàn)了非大氣和海洋的質(zhì)量變化，即陸地水儲量的變化。利用RL04版重力場位模型數(shù)據(jù)可計算地球時變重力場球諧系數(shù)，代入公式(2)計算得到主要由陸地水儲量變化引起的地球表面密度變化。為了更加直接地反映陸地水儲量變化，將地球表面密度變化轉(zhuǎn)變?yōu)榈刃咦兓?/p>

(4)

式中，T(θ,λ)表示等效水高；ρwater表示為液態(tài)水密度。

2 結(jié)果與分析

2.1 全球陸地水儲量的變化趨勢

利用GRACE衛(wèi)星時變重力場資料反演全球陸地水儲量變化，結(jié)果見圖1。

圖1顯示了全球陸地水儲量變化總體呈現(xiàn)出平穩(wěn)趨勢，南北半球陸地水儲量分布差異明顯。北半球緯度小于40°的區(qū)域陸地水儲量變化幅度比較小，大于40°的區(qū)域陸地水儲量隨著緯度的增加而減少，尤其在高緯度地區(qū)陸地水儲量明顯偏少。以俄羅斯(黑色矩形框區(qū)域)為例，2002～2004年其陸地水儲量呈逐步減少趨勢，2005～2011年其陸地水儲量開始逐步增加，且2010年陸地水儲量變化非常明顯，2011年達到近10年陸地水儲量頂峰。南半球的陸地水儲量變化幅度比較平穩(wěn)。以阿根廷及周邊地區(qū)(綠色矩形框區(qū)域)為例，2002～2004年其陸地水儲量逐步減少。但是2005年其陸地水儲量陡然增加。2006～2011年其陸地水儲量呈現(xiàn)下降趨勢，且在2009年8月開始出現(xiàn)了旱情，在接下來的2年里部分地區(qū)旱情加重，2011年其陸地水儲量達到了最低點，與實際氣象資料吻合。

2.2 西南地區(qū)陸地水儲量變化趨勢

利用GRACE衛(wèi)星時變重力場資料反演我國西南地區(qū)陸地水儲量變化，旨在驗證2009～2010年西南地區(qū)的重大干旱問題。結(jié)果見圖2和圖3(大圖為中國水儲量變化，小圖為西南地區(qū)陸地水儲量變化)。

從圖2和圖3可知，2009年9月～2009年12月，我國陸地水儲量變化趨勢是逐步減少。到2010年春季開始，我國陸地水量逐步回升，存在一定的季節(jié)特征。自2009年9月開始，西南地區(qū)的陸地水儲量整體偏少；11月部分地區(qū)的陸地水儲量顯著減少；12月西南地區(qū)開始出現(xiàn)不同程度的旱情；2010年1月，云南省大部分地區(qū)發(fā)生嚴(yán)重以上干旱并最先進入嚴(yán)重干旱期。隨著時間的推移，旱情由西南方向向東北方向逐步推進，并在3月份發(fā)展到最嚴(yán)重階段，到4月旱情才開始緩解，反演結(jié)果與我國氣象資料結(jié)果較一致。

2.3 全球及西南地區(qū)陸地水儲量變化時序分析

利用最小二乘線性擬合方法解算全球及我國西南地區(qū)共10年的陸地水儲量的線性變化趨勢及其變化速率。重點對我國西南地區(qū)發(fā)生干旱的時間段(2009年9月到2010年4月)進行線性擬合，結(jié)果見圖4。

從圖4可以看出，全球陸地水儲量在過去10年里以0.142±0.002 8 cm/年的速率微弱增長，具有明顯季節(jié)特征，水量周年變化明顯；我國西南地區(qū)陸地水量在過去的10年里以0.100±0.003 7 cm/年的速率微弱增長。其中，2009年9月～2010年4月其陸地水儲量以3.892±2.531 cm/年的速率在急劇下降，進而可以得知在這段時間里該地區(qū)處于干旱階段。

3 結(jié)論

該研究分析了GRACE衛(wèi)星反演陸地水儲量的時空分布特征，重點對全球及我國西南地區(qū)陸地水儲量變化進行了分析，并得出以下結(jié)論：

(1)全球陸地水儲量變化總體呈逐漸增加的趨勢，變化速率為0.142±0.002 8 cm/年，水儲量周年變化明顯。北半球陸地水儲量的變化量大于南半球，隨著維度的增加，陸地水儲量的變化明顯減少。

(2)我國西南地區(qū)的水儲量變化具有明顯的季節(jié)特征，周年變化明顯，總體呈上升趨勢。

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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

錢海明(1989- )，男，江蘇沭陽人，碩士，從事水資源管理、大地測量研究。

2015-11-20

S 127；P 228.9

A

0517-6611(2015)35-347-04