利用GRACE分析阿拉斯加地區(qū)質(zhì)量變化

胡超倫

( 61287部隊(duì) 云南 昆明 650101 )

利用GRACE分析阿拉斯加地區(qū)質(zhì)量變化

胡超倫

( 61287部隊(duì) 云南 昆明 650101 )

利用GRACE RL05重力場數(shù)據(jù)反演2003-2012年阿拉斯加地區(qū)質(zhì)量及水儲量變化，構(gòu)建去相關(guān)濾波和300km扇形濾波的組合濾波方式。結(jié)果顯示，在研究期間內(nèi)，阿拉斯加地區(qū)質(zhì)量以-30.5 Gt/yr的速度減小，其加速度為10.1 Gt/yr2，對海平面上升的貢獻(xiàn)率為0.08mm/yr。地表質(zhì)量減小主要在2003-2005年，約為-91.7Gt/yr，2010年5月后呈現(xiàn)上升的趨勢，其速度約為20.1 Gt/yr。陸地水儲量變化趨勢與總質(zhì)量變化一致，十年間，陸地水的變化速度由2003-2005年的-66.7Gt/yr到2010.5-2012年的26.9Gt/yr，2006-2010.4間趨于穩(wěn)定，研究期間內(nèi)，陸地水儲量的變化速度及加速度分別為-7.5Gt/yr，9.8Gt/yr2，對海平面上升的貢獻(xiàn)率為0.02mm/yr。阿拉斯加地區(qū)總質(zhì)量和水儲量變化受周年變化影響較強(qiáng)，其周年振幅分別為43.6mm、29.7mm，并且在每年的3月和2月周年振幅分別達(dá)到最大值。

GRACE 地表質(zhì)量 地表水 年際 季節(jié)性

1 引言

地球內(nèi)部質(zhì)量的重新分布會導(dǎo)致地球重力場發(fā)生變化，引起地球重力場變化的主要因素包含了大氣、海底壓力，水儲量變化，冰川融化等等[1]。水作為人類賴以生存的重要物質(zhì)，也是人類生產(chǎn)和生活不可缺少的物質(zhì)。隨著全球氣候變化，兩極地區(qū)和高山上的冰川正在加速融化，對全球海平面上升有著重要的影響，因此，研究地球內(nèi)部的質(zhì)量變化，特別是水儲量變化和冰川融化有著重要的意義。

GRACE(Gravity Recovery And Climate Experiment)重力衛(wèi)星計(jì)劃是由美國宇航局和德國空間飛行中心聯(lián)合開展的重力衛(wèi)星計(jì)劃[2]，自2002年發(fā)射升空，至今已在軌運(yùn)行12年。該衛(wèi)星的主要任務(wù)是測量地球重力場及其變化，通過測量兩顆衛(wèi)星間的間距變化求解月時變地球重力場模型，可推算地球質(zhì)量變化。目前GRACE數(shù)據(jù)主要由GFZ(GeoForschungsZentrum)、CSR(Centre for Space Research)、JPL(Jet propulsion Laboratory)三個機(jī)構(gòu)公布，，已提供了全球重力場變化12年左右的連續(xù)觀測數(shù)據(jù)，其數(shù)據(jù)間隔為1個月，為分析和預(yù)測全球質(zhì)量的長期變化提供了可能。

GRACE時變重力場模型在研究全球質(zhì)量變化研究中的應(yīng)用不斷擴(kuò)大，其已廣泛應(yīng)用于水文、地震等方面研究，研究人員基于此數(shù)據(jù)對陸地質(zhì)量變化、水儲量變化、冰川融化做了大量的研究。Tiwari等利用GRACE估算印度東北地區(qū)地下水在2002.4～2008.6以54 ± 9 km3/yr速度下降；Baur等分析了2002-2011年陸地質(zhì)量變化及對海平面的影響；羅志才等[3]利用GRACE得到黑河流域地下水以2.5cm/a的速度減少。Williams等采用CSR RL05數(shù)據(jù)計(jì)算得到2003.3～2012.7間西南極和東南極的冰蓋融化速度分別為-159±9 Gt/yr、97±13Gt/yr；Shuang Yi等利用10年的CSR RL05數(shù)據(jù)估算得到亞洲高山地區(qū)的冰雪融化速率；羅志才等[4]利用GRACE RL04 2002 年至2010 年數(shù)據(jù)得到整個南極融化速率為-80Gt/yr，對海平面上升的貢獻(xiàn)為0.22mm/a。

本文主要是在以往基礎(chǔ)上，采用2003-2012共10年的CSR RL05數(shù)據(jù)分析阿拉斯加地區(qū)總質(zhì)量及其水儲量變化，分析其長期變化以及周期性變化。

2 數(shù)據(jù)處理及方法

文中選取2003-2012年球諧系數(shù)的平均值作為基準(zhǔn)重力場模型，利用每月時變重力場模型與基準(zhǔn)重力場模型差值求解每月相對于基準(zhǔn)的質(zhì)量變化值，通過時變重力場模型求解質(zhì)量值的計(jì)算模型可表示為[5]：

(1)

由于GRACE球諧系數(shù)中隨著階次的增加，系數(shù)包含的誤差增加，而且在球諧系數(shù)之間存在相關(guān)誤差，不經(jīng)過濾波處理得到的結(jié)果包含南北條帶噪聲以及高頻誤差的影響[4]，因此在計(jì)算質(zhì)量前需要對其作濾波處理?，F(xiàn)有的濾波方式主要有高斯濾波、扇形濾波[6]、去相關(guān)濾波等方式，本文中，采用P3M8去相關(guān)濾波和400km扇形濾波的組合濾波方式進(jìn)行處理，得到以等效水高形式表示的計(jì)算模型為：

(2)

3 計(jì)算結(jié)果及分析

3.1 GRACE反演阿拉斯加質(zhì)量年際變化

本文采用2003-2012年共10年數(shù)據(jù)計(jì)算得到阿拉斯加地區(qū)1°×1°格網(wǎng)的等效水高值，分別采用一次多項(xiàng)式及二次多項(xiàng)式擬合時間序列得到該地區(qū)總質(zhì)量變化的速度及加速度，在整個研究期間內(nèi)，阿拉斯加州的東南部地區(qū)總質(zhì)量呈現(xiàn)明顯的下降趨勢，其最大減少速度約為35mm/yr，但是該地區(qū)總質(zhì)量的變化速度在逐漸減小，加速度表現(xiàn)為正值。引起該地區(qū)質(zhì)量變化主要包括陸地水儲量的變化以及高山冰川融化。

圖1為等效水高時間序列圖，圖中結(jié)果顯示，阿拉斯加地區(qū)的總質(zhì)量變化明顯可分為三個時間段，在2003.1-2005.12間該地區(qū)的總質(zhì)量呈現(xiàn)明顯的下降趨勢，其減小速率為91.7Gt/yr，如圖1中紅線所示；而在2006.1-2010.4間，該地區(qū)的質(zhì)量變化速度相對前一時間段明顯減緩，自2010年以后該地區(qū)的總質(zhì)量呈現(xiàn)增加的趨勢，其增加趨勢為20.1 Gt/yr，由此可見，阿拉斯加地區(qū)陸地質(zhì)量變化并非是持續(xù)性減小，其減小主要是在2010年之前，在此之后，該地區(qū)總質(zhì)量變化逐漸呈現(xiàn)一段穩(wěn)定時期后持續(xù)增加。在整個研究期間內(nèi)，該地區(qū)質(zhì)量變化速率為-30.5 Gt/yr，其對海平面上升的貢獻(xiàn)率為-0.08mm/yr，其質(zhì)量變化的加速度為10.1 Gt/yr2。

3.2 阿拉斯加水儲量年際變化

由于GRACE反演得到的地區(qū)質(zhì)量變化包含該地區(qū)的總質(zhì)量變化，無法單獨(dú)分離出冰川融化、水文信號等影響，為此，需要采用特定的水文模型分離出該地區(qū)水儲量的變化，本文采用GLDAS (Global Land Data Assimilation System)水文模型估算阿拉斯加地區(qū)的水儲量變化。GLDAS 采用了NASA 新一代的地面和空間觀測系統(tǒng)得到的數(shù)據(jù)來約束地表面的狀態(tài)，其目的是通過近實(shí)時的地面和空間數(shù)據(jù)約束其模型, 進(jìn)而獲得陸地表面變化的近實(shí)時信息[2]。選擇時間間隔為一個月，空間間隔為1°×1°的格網(wǎng)數(shù)據(jù)，轉(zhuǎn)換成與GRACE RL05數(shù)據(jù)相同階次的球諧系數(shù)，并做相同的濾波處理得到其等效水高值，擬合得到水儲量變化示意圖，如圖2所示。

圖2顯示，阿拉斯加水儲量變化較明顯的地區(qū)位于其西北部，總質(zhì)量變化較明顯的為東南部，在該地區(qū)內(nèi)包含有Gulkana和Wolverine等冰川，該地區(qū)的水儲量變化不明顯，由此可推斷，在東南部總質(zhì)量減小主要是由于該地區(qū)的高山冰川融化。圖3為采用GLDAS水文模型得到的以等效水高形式表示的阿拉斯加地區(qū)水儲量時間序列變化曲線，對比圖1和圖3可以發(fā)現(xiàn)，兩者具有較強(qiáng)的對應(yīng)關(guān)系，在2003-2005年內(nèi)，二者減少速度均最快，但在2006-2010年間，水儲量變化不明顯，保持較為穩(wěn)定的狀態(tài)；在2010年以后水儲量均保持增長。在整個研究時間內(nèi)，水儲量下降速度為-7.5Gt/yr，變化加速度為9.8Gt/yr，對海平面貢獻(xiàn)率為0.02mm/yr，其整個變化過程為由2003-2005年的-66.7Gt/yr減小至2006-2010.4的-2.1Gt/yr再到2010.5-2012.12間以26.9Gt/yr的速度增加。

3.3 阿拉斯加地區(qū)質(zhì)量季節(jié)性變化

文中利用10年GRACE數(shù)據(jù)計(jì)算了阿拉斯加周邊地區(qū)的等效水高時間序列圖，采用包含周年變化、半周年變化項(xiàng)的多項(xiàng)式擬合該序列得到其周年振幅值，如圖4所示，其中圖(a)為GRACE反演總質(zhì)量變化周年振幅，圖(b)為GLDAS反演得到水儲量變化周年振幅。

圖中顯示，總質(zhì)量和水儲量變化的周年振幅在空間分布具有較強(qiáng)對應(yīng)關(guān)系，在阿拉斯加?xùn)|南部和加拿大西部沿海地區(qū)的振幅值較大，受周年變化的影響較強(qiáng)，兩者最大振幅值約為120mm和60mm。在整個研究區(qū)域內(nèi)(A區(qū))，二者的振幅值分別為43.6mm、29.7mm，相位值分別為105d和60d，可以發(fā)現(xiàn)，水儲量周年變化振幅相比較要小，而且達(dá)到最大振幅值的時間比總質(zhì)量周年變化早45d，由此可見，該地區(qū)的質(zhì)量變化除受水儲量變化影響之外，還受其他因素的影響，包括地區(qū)的高山冰川融化。

4 結(jié)論

文中采用P3M8和300km扇形濾波的組合濾波方式計(jì)算得到阿拉斯加地區(qū)2003-2012年共十年的等效水高時間序列，采用包含周年變化、半周年變化項(xiàng)多項(xiàng)式擬合得到阿拉斯加地區(qū)總質(zhì)量及水儲量的長期變化趨勢和季節(jié)性變化。研究結(jié)果顯示，在整個研究期間內(nèi)，阿拉斯加地區(qū)總質(zhì)量以30.5 Gt/yr的速度在減小，對海平面上升貢獻(xiàn)率為0.08mm/yr，在其東南部等地區(qū)變化最明顯，這是由于在該地區(qū)同時包含了大部分的高山冰川，受冰川融化的影響。阿拉斯加地區(qū)質(zhì)量變化呈現(xiàn)減緩的趨勢，且并非持續(xù)減少，其變化加速度為10.1 Gt/yr2，2003-2005年是該地區(qū)質(zhì)量減少最快的時間段，其后速度有所減緩，并且在2010年以后總體質(zhì)量變現(xiàn)為增加。由GLDAS水文模型計(jì)算得到的該地區(qū)水儲量變化與總質(zhì)量變化表現(xiàn)出較好的時間吻合，在2003-2005年是該地區(qū)水儲量變化最快的時間，其下降速度為-66.7Gt/yr，而在2006-2010年間，水儲量變化不明顯，在2010年以后，水儲量以26.9Gt/yr的速度增加，十年間，阿拉斯加地區(qū)是水儲量以-7.5Gt/yr減少，對海平面貢獻(xiàn)率為0.02mm/yr。

阿拉斯加表現(xiàn)出較強(qiáng)的季節(jié)性變化，在東南部和加拿大交界位置，其周年振幅最大值約為120mm，水儲量變化表現(xiàn)出的周年振幅最大值約為60mm。研究區(qū)域內(nèi)，周年振幅分別為43.6mm、29.7mm，受高山冰川融化等因素的影響，二者達(dá)到振幅最大值時間相差約45d。

[1] 胡小工等. 利用GRACE空間重力測量監(jiān)測長江流域水儲量的季節(jié)性變化[ J ].中國科學(xué)D輯，地球科學(xué)， 2006，36 (3)：225-232.

[2] 蘇曉莉，平勁松，葉其欣. GRACE衛(wèi)星重力觀測揭示華北地區(qū)陸地水量變化[J]. 中國科學(xué)，地球科學(xué)，2012，42(6)：917-922.

[3] 羅志才，李瓊，鐘波. 利用 GRACE 時變重力場反演黑河流域水儲量變化[J]. 測繪學(xué)報(bào)， 2012，41(5): 676-681.

[4] 羅志才, 李瓊, 張坤, 等. 利用 GRACE 時變重力場反演南極冰蓋的質(zhì)量變化趨勢[J]. 中國科學(xué): 地球科學(xué), 2012, 42(10): 1590-1596.

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[6] Zhang Z Z, Chao B F, Lu Y, et al. An effective filtering for GRACE time-variable gravity: Fan filter[J]. Geophysical Research Letters, 2009, 36(17)：1397-1413.

Analysis of Mass Change in Alaska Based on GRACE

HU Chao-lun

(61287 Forces Kunming City,Kunming Yunnan 650101，China)

GRACE RL05 gravity field datas are used to inversion 2003—2012 quality and water storage changes in Alaska.A combined algorithm of the de-correlated filter and 300km Fan filter was used. The results show that within the study period, Alaska quality to -30.5 Gt / yr of speed decrease with An acceleration of 10.1 Gt/yr2, the contribution rate of sea level rise 0.08mm / yr. Surface quality decreases about -91.7Gt / yr mainly in 2003-2005, upward trend after May 2010, the rate of about 20.1 Gt / yr. Terrestrial water storage trends consistent with the total mass change,over the past ten years, changes in terrestrial water storage speed and acceleration were -7.5Gt/yr，9.8Gt/yr2, the contribution rate of sea level rise 0.02mm / yr. The total mass and water storage changes by a strong annual change impacts in Alaska, its annual amplitudes were 43.6mm、29.7mm, and in March and February, respectively, the annual anniversary of the maximum amplitude.

GRACE; surface quality; surface water; interannual; seasonal

2016-04-27

P208

B

1007-3000(2016)06-4