文摘

重力恢复与气候实验(恩)卫星陆地水文学研究提供了一种新方法,可用于改善的空间和时间变化的监测结果在大规模快速水循环。介绍回顾一下最近的恩典在陆地水文监测数据的应用程序。首先,介绍了科学数据集优雅。最近GRACE数据的主要应用在大型陆地水文监测,包括地面蓄水变化评价、地下水的水文组件和蒸散(ET)检索,干旱分析,和冰川的响应全球变化,描述。优势和然后优雅数据应用的局限性进行了讨论。建议进一步研究基于优雅的陆地水监测数据也提出了。

1。介绍

加剧了人类活动和全球变化的影响不可避免地导致水循环的变化,包括时空分布和水资源的总量(1,2]。陆地水文、全球变化的重要指标,影响全球气候系统在能源、水、和生物地球化学3]。传统的陆地水文监测主要取决于站点测量或模型模拟,这是昂贵和费时的。此外,观察点的规模效应转换的大区域,额外的错误将带进空间连续数据统计得到的插值方法。插值结果的准确性可能显著减少地区远离观测站点。水文模型和地表模型解决陆地水文模拟的问题在某种程度上在飞机上规模。然而,缺乏系统性的全球精细水文数据增加了模型不确定性和降低了仿真精度。这限制了水文模型和地表模型的实际应用在陆地水文监测。随着遥感技术的迅速发展,遥感区域水文研究拥有巨大的潜力。通过提供一个有用的和具有成本效益的方法快速监测陆地水文参数,遥感技术已广泛应用于水文。最近,结合遥感技术的模型,观察网络,在陆地水文和水文模型被普遍研究。 However, imaging satellite techniques and satellite altimetry can only be used in the monitoring of surface water that represents just one component of total water storage. They can be hardly applied in the monitoring of other components of terrestrial water such as soil water and groundwater, which impeded further applications of these technologies in terrestrial hydrology.

成立于2002年3月,重力恢复与气候实验(恩)可以提供一个操作产品的全球重力领域每~ 30天(4]。后发布了重力的影响(例如,大气质量变化和海洋潮汐),精确的观测时间序列的全球重力场变化使水储存的空间监测变化等大型盆地。通过十年的发展,GRACE卫星数据处理和相应的TWS检索算法不断改进。他们能够检测TWS 1.5厘米的精度内的变化在一个广泛的空间尺度和季节性时间尺度(5]。图像遥感方法相比,他们提供替代技术方法估计的冰川,表面雪,土壤水、地表水、地下水、蒸发,和陆地水文系统中的其他组件。它提供了一种新技术的大规模监测陆地水循环。本文的目的是提供一个概览的恩典在陆地水文监测数据应用,包括优雅数据处理方法和TWS改变检索和陆地水文及相关领域的应用。

2。优雅的数据

GRACE重力卫星计划联合开发了国家航空和宇宙航行局(NASA)的美国和德国航空航天中心(DLR)的目标提供地球重力场的时空变化。GRACE卫星计划也可以用来探测大气、电离层环境。美国喷气推进实验室(JPL)负责GRACE重力卫星计划的项目管理。每月重力场计算解决方案在德克萨斯大学奥斯汀分校空间研究中心(CSR),德国地球科学研究中心波茨坦(德国),喷气推进实验室,Groupe de矫揉造作的de Geodesie空间(GRGS),代尔夫特理工学院的地球观测和空间系统(托)以及代尔夫特理工大学,等等(4,6- - - - - -8]。恩典利用最先进的技术来跟踪时空重力场增加敏感性通过跟踪micrometer-precise星际范围和数据观测两共面,低海拔(300 ~ 500公里)卫星和之间的距离约220公里。精确测量两颗卫星之间的距离变化在微米计精度水平,K波段范围(KBR)系统基于载波相位测量中K (26 GHz)和Ka (32 GHz)频率。此外,四个关键设备的GPS接收器(space-proofed多通道、双频),电容式加速度计、激光反光镜(远程雷达),和星相机在船上装备每个优雅的卫星(4,7]。

通过分析GRACE卫星的轨道和军队之间的关系,地球的重力场变化估计基于卫星运动的动力学方程。它可以监视长波重力场的时变特征在15 ~ 30天或更长时间尺度。大规模重新分配(质量分布随时间变化)的地球系统反映了各种形式的物质之间的相互作用在地球的内部系统(大气、海洋和固体地壳、地幔粘滞液体外核,和固体内核),是地球科学的重要学科。相比平均地球重力场时变重力场的数量很小,但它包含重要的地球物理信息。它揭示了运动、分布和变化的物质地球大气系统,反映了之间的交互,陆地水、海洋和地球固体(6]。

全球重力场时间变化引起的固体地球的影响(包括内核和外核)主要是体现在十年或更长的时间尺度。然而,时间引起的重力变化主要是再分配的影响大气,海洋,和水存储在地球表面的流体季节性或年际时间尺度(9,10]。重力潮汐的影响(固体地球、海洋和大气)和nontidal(大气和海洋)减少数据处理的恩典重力场模型。因此,通过排除重力场模型和大气和海洋中的错误模型,GRACE时变重力场反映了nonatmospheric和nonocean质量变化由于水质量变化在大陆地区。季节性或更短的时间尺度上,它提供了信息的改变陆地水储存在大型流域(11]。

3所示。水文应用程序

3.1。TWS变化监测

TWS恩典获得的是最直接的水文参数监测。GRACE卫星的主要目的是监视地球的重力场变化,早期研究集中在TWS检索的数据的可行性和准确性。瓦尔分析等。11)指出,GRACE-based TWS检索所需考虑的影响短波噪音和泄漏错误,和TWS检索结果是大型流域有效。罗代尔和费明力提进一步的研究表明,TWS精度可以改善通过增加监视时间间隔和空间分辨率的监控区域(12,13]。为地区超过200000公里²TWS变化与间隔月和较长的时间尺度可以监测,精度可以达到1.5厘米以上。

GRACE-based TWS变化数据的应用主要是基于水文模型和地表模型的结合。GRACE-based TWS检索结果提供空间和时间分布的垂直整合蓄水(地表水、土壤、地下水和积雪)在大的江河流域。所以错误由于使用流量、降水等间接指标在某些水文模型可以减少。在初步研究,GRACE-based TWS仅作为参考水文模型的模拟结果(如GDLAS和共产党),不涉及的不确定性水文模型的模拟过程。胡锦涛et al。(10)提出,蓄水变化长江可能达到3.4厘米级等效水高度,与最大值发生在春天和初秋。在中国使用5年GRACE-based TWS变化数据,钟等。14)指出,中国的中北部地区的水储存的年率下降2.4厘米水当量高度。通过结合恩典和GPS观测数据网络,王等。15)实现精确检索TWS改变在北欧地区和北美。他们的研究表明,在过去的十年里,出现了急剧增加的水存储在北美和斯堪的纳维亚和恢复过程正在进行中。

进一步研究中,优雅的数据现在被认为是作为一个重要的参数来评估和改善水文模型模拟。斯文森和米莉16)和赛义德·et al。17]GRACE数据用于验证和改善TWS五个气候模型模拟和全球土地数据同化系统(GLDAS),分别。妞妞和杨18)和非政府组织duc et al。19]GRACE数据用于常见的地表模型的验证结果(CLM) NCAR和ORCHIDEE纠正CLM运用GRACE-based TWS变化数据。

各种水文模型之间的定量分析和GRACE-based TWS表明,大面积的两个模拟结果一致性良好在季节性或长时间范围内(16,20.,21]。时间序列分析南、北美、东南亚、恒河流域,非洲,欧亚大陆和其他大型区域所有显示GRACE-based TWS反映出明显的季节性变化。然而,鉴于GRACE数据的空间分辨率的限制,水文模型的一致性和恩典数据较小的地区不是令人满意的22]。排除错误的GRACE-based TWS改变检索,不一致性主要是由于从水文模型模拟各种TWS组件的错误。例如,广义偏差估计的重要元素如地下水、地表水、土壤水储存利用水文模型导致了TWS较小震级的变化。错误的模拟降雨,收敛,和其他水文过程产生相位偏差TWS变化时间序列(17,23,24]。此外,通过结合测量数据的降雨,充电,土壤水和地下水,GRACE-based TWS用于蓄水盆地的年际变化,年度,季节性,每月的时间尺度25,26]。

3.2。水文评估组件

与GRACE-based TWS变化精度的提高,优雅的数据进一步用于水文和水资源研究。为特定地区,TWS变化可以表示为(10] 在哪里代表TWS变化,相应的等效水高度可以得到恩典。代表降水,代表蒸散,代表地表径流。通过结合GRACE-based TWS变化、水文模型和实测数据,蓄水组件包括地下水、土壤水,等分别可以估计。

地下水估计很难在水文遥感应用。光学遥感方法只能把测量数据和光谱数据构建实证模型估算地下水的变化,地下水的检索精度很差。考虑地下水变化的贡献TWS变异,地下水遥感使用恩典结合辅助测量是可行的地表水和土壤水分。罗代尔和费明力提27首先使用GRACE-based TWS变化数据,土壤水分和其他辅助数据分析监控地下水变化的可能性。斯文森et al。25]研究了地下水和土壤水分的测量值之间的关系GRACE-based TWS变化,提出了地下水的可能性和来源错误估计基于GRACE数据在多个时间尺度。Strassberg et al。28GRACE-based TWS)比较了时空相关性变化和水文模型模拟和现场监测数据的不确定性,提出地下水GRACE-based检索。上述研究表明,含水层超过450000公里²,GRACE-based地下水的精度可以达到8.7毫米。罗代尔等人恩典数据应用于地下水沉降监测在印度,发现过度灌溉和人类活动造成了地下水在印度西北部省份的年率下降3.0厘米~ 4.0厘米(29日]。

土壤水分蒸发蒸腾损失总量是一个重要的过程参数的水文研究,这是难以衡量在一个地区或大陆规模。尽管等可以使用遥感数据间接估计基于经验模型,能量平衡模型,或物理模型(例如,Penman-Monteith方程),最近遥感等估计远非令人满意(30.]。等是一个复杂的过程,涉及许多变量,其基于遥感数据估算的不确定性带来了错误等检索结果。基于陆地水平衡在流域尺度,区域等的变化可以通过结合TWS估计从恩典与观察到的降水变化()和径流数据()。罗代尔et al。31日)第一次使用测量降水和径流数据来验证GRACE-based等检索的可行性。然而,过度依赖于测量数据限制了该方法的适用性。因此,Ramillien et al。32)改进该算法通过模拟径流水文数据模型。时间序列分析表明,该等估计和WGHM模拟一致性良好。然而,GRACE-based等估算的不确定性增加为其过度依赖径流等水文模型模拟精度变量。此外,斯文森和瓦尔分析(33)结合GRACE-based TWS变化与实测径流数据来估计降水和蒸散的区别()。通过比较和地表模型的结果(GLDAS-Noah),他们发现GLDAS-Noah估计的错误主要是由于降水模型力参数。

3.3。干旱分析

基于时间序列分析的GRACE-based TWS改变高时间分辨率,极端水文灾害可以监控和警告。干旱地区和时间序列储水赤字最严重的自然灾害,可能导致农作物损失和经济在许多地区造成严重破坏。干旱可以被视为地面蓄水(TWS)变化综合大量相关变量,分析依赖子组件(例如,降水)或代理(例如,归一化植被指数和CWSI)的TWS是不够的。因此,另一个水文恩典是严重的干旱分析中的应用。结合测量和水文模型模拟,勒布朗et al。34澳大利亚东南部]GRACE数据检测干旱在2001和2008之间。基于时间序列分析的TWS萨默斯的变化从2002年到2007年,在亚马逊河流域2005年极端干旱事件检测(35],它被认为是最严重的一个多世纪。GRACE数据比data-assimilating更敏感的干旱气候和地表模型如NECEP GLDAS,展示了优雅的独特的潜力在监控大规模严重干旱事件。验证了两个独立的水文估计GLDAS ECMWF和直接从超导重力仪观测重力,2003年的陆地水储存过剩损耗是观察从优雅,可与破纪录的热浪,2003年发生在欧洲中部36]。它表明,格蕾丝数据可用于热浪灾害监测和评价,其本质是热浪造成干旱分析。结合图像遥感方法,Frappart恩典和威尔逊等人应用数据洪水监测等洪水区湄公河流域和亚马逊河盆地37,38]。然而,相比,干旱、蓄水变化基于优雅极端洪水不响应的数据,这将带来更多的不确定性GRACE-based洪水分析(39]。

3.4。冰川质量平衡检测

受全球变化和人口的压力,加速冰川融化和海平面上升的一个严重的全球生态问题。GRACE时变重力场启用直接测量的质量损失率的高山冰川和极地冰川系统。伍特斯等人提出的优雅的解决方案可用于允许区域趋势估计,尽管评估质量损失是由夏季事件(而不是一个线性趋势40]。GRACE-based冰川大量融化南极和格陵兰岛的体积和速度估计表明,加速极地冰川融化有助于当前海面升降海平面上升(41- - - - - -43]。加德纳等人也发现了一个迅速增长的质量损失在加拿大北极群岛(CAA) 2004 - 200944]。冰川的冰损失率估计亚洲,阿拉斯加,基于恩典数据和其他全球山脉也同意的全球趋势加速冰川的损失。加速全球高山冰川的融化会导致全球海平面上升毫米/年(45,46]。此外,GRACE-based TWS变化可用于研究不同气候变化的影响(47,48]然而,冰河期回弹效应和独特的优雅的使命提供重力数据,冰盖质量变化估计包括大不确定性(49]。质量变化速率估计通过不同的优雅的解决方案可能不同的两个或两个以上的一个因素。所以冰川质量平衡检测需要大量处理收益率可用质量变化数据49]。

4所示。讨论和结论

通过十年的发展,GRACE数据已经广泛应用于陆地水文监测。重力卫星提供了新的数据集水文研究基于遥感技术。与其他类型的水文计划相比,优雅可以提供现实的时空变化的垂直整合测量水储存(地下水、土壤水分、表面水、雪水、植被水,等等)在数十毫米的精度相当于水在大规模的高度。然而,基于优雅的水文监测数据需要进一步的研究,例如,检索精度改进,更多的定量分析,而不是定性分析,等等。未来发展的重点包括以下方面。

(1)提高重力卫星测量的准确性。因为恩典卫星传感器的局限性在轨道高度、垂直重力梯度测量,高频信号混叠,时变重力信号的精确测量,精度和空间分辨率的地球重力场时变信号在恩典中、长波长较低,减少TWS改变检索精度。因此,重力卫星传感器关键技术的发展来提高精度和空间分辨率的卫星监测重力场是一个更广泛的基础在陆地水文监测中的应用。

(2)水储存检索模型的研究。最近,GRACE-based TWS变化适当的空间分辨率是400公里,和数据精度通常是1.5厘米。GRACE卫星最近受到约束,改进检索模型是空间分辨率和精度的唯一方法检索TWS增加。例如,它是可行的提高TWS精度的大气和海洋模型数据预处理改善,减少了重力场变化造成的噪音因素无关的陆地水如大气和海洋的潮汐和循环。此外,通过应用不同的滤波方法,如各向异性高斯滤波和球面径向基函数滤波,小波分析在不同的研究领域还可以提高空间分辨率,TWS检索的准确性。水储存检索技术涉及各个方面(例如,数据预处理,重力场检索和TWS估计变化)恩典重力场数据转换的TWS变化,TWS检索所有重要的改进。

(3)优雅的进一步结合相关数据与水文模型。GRACE-based TWS改变检索不涉及水文机制,有必要补充GRACE-based TWS水文模型的进一步发展在陆地水文监测中的应用。进一步结合优雅与水文模型需要解决一致性的空间,时间,和组件。空间一致性可以通过调整解决水文模型的计算单位,以反映空间变异性(如分布式水文模型)。时间一致性需要升级GRACE数据的分析和降尺度水文模型模拟。组件可以通过一致性GRACE-based TWS信号细分或修改参数TWS的水文模型。在空间、时间和组件一致性改进,重力场数据和测量数据在一起可以成为基本数据集力量在未来水文模型。

附录

答:水存储改变检索

地面蓄水导致大规模重新分配的变化在地球的系统中,造成重力场的变化。为一个固定的大陆地区,水储存的变化(包括土壤水和表面雪)来自降水,土壤水分蒸发蒸腾损失总量,河交通和地下深处渗透。降雨引起除了增加蓄水,剩下的三个流程都减少(10]。使用FG5绝对重力仪,Zhang et al。50)测量了近10的重力变化⁻⁷米年代⁻²武汉大学网站之前和之后的暴雨,这清楚地显示了陆地水变化对重力的影响。地球的重力场可以表示为大地水准面: 在哪里和谐波程度和重力场的顺序,分别;是地球的赤道半径(约6371公里);和余纬度(90°和纬度)的区别和经度;和球面谐波系数(无量纲);勒让德函数相关的规范化。最大值订单的理想的重力场应该是无限的(),而实际的球面谐波系数得到的重力卫星有限值()和重力场数据的空间分辨率估计大约(51]。大地水准面高变化运动造成的地球表面上的物质可以表示为 在哪里和的变化度阶球谐系数的大地水准面,可以表示为5,52] 在哪里是地球的平均密度(5517公斤/米³),体积密度的变化是在一个特定的位置。在重力场反演,因为地球上的物质的高度变化的表面地球的平均半径相比是相对小的吗在重力场检索(),重力场的变化直接引起的表面质量可以表示为 在哪里表面密度变化。此外,表面质量负载的变化将导致变形固体地球,这反过来又可以间接地引起重力场变化。这可以表示为5,52] 在哪里是爱负载系数,和具体的价值可以在相关文献中找到(11]。因此,地球重力场的变化引起的质量变化在地球表面是由

如果执行球面谐波扩展表面密度变化,然后 在哪里水的密度和吗可以被视为质量变化在地球表面表达的水当量高度。瓦尔分析等。5)提出,

表面密度变化可以使用以下公式计算:

海洋和大气质量变化中基于并行海洋项目(流行)模型,上述方程的基本方程是检索的表面质量变化基于重力场时空变化。地球的表面密度的变化可以从重力场的变化系数得到恩典卫星。

b .评估错误

目前,最新的RL05 GRACE数据集产品可用。CSR和地球科学提供的数据的准确性优于由喷气推进实验室提供。优雅的评估错误从卫星仪器测量,检索模型,和其他因素如下。(1)重力场测量的数据通过卫星GRACE卫星可能被污染的测量误差对卫星轨道的影响,卫星k波段测距,加速度计测量(20.]。卫星测量误差还包括可怜的甜由于精度不敏感的轨道几何重力场的低重力变化程度(5,20.]。通常甜的消除变异(发布10]或取代它通过卫星激光测距(SLR)替换[20.]。此外,一级球面谐波系数的缺失也会给格蕾丝带来误差。它通常可以解决用价值计算的季节性变化的地球质量中心(53,54)或忽视的影响(55]。(2)理论上,检索重力场变化需要使用球面谐波系数的度从0到无穷大。然而,重力卫星只能提供明确的订单数据。因此,表面密度变化在检索模型是由球面谐波扩张治疗确切的订单。高阶项的影响地球表面的密度变化不容忽视,它导致截断误差在重力场检索。RL05蓄水CSR使用检索模型估计的数据截断60度(8]。朱镕基et al。(2008)相比,全球水存储检索结果使用模型截断到15度,20度,35度,60度(56]。他们发现尽管TWS变化可能缺少某些信息的检索结果截断程度较低的TWS变化更加明显。一般来说,水储存检索截断订购60是广泛采用17]。(3)陆地水监测关注特定区域的质量变化(例如,流域),它需要积分过程密度变化。区域特征的功能等于1的特定区域内,外面为零。错误将不连续的域的集成。此外,对于快速增长的影响恩典重力场模型的误差系数与球面谐波系数的增加程度,信号泄漏误差,分段污染(23),过滤方法提出了光滑优雅数据噪音降低,这将导致过滤检索结果的错误。提出筛选方法包括空间平均对称高斯滤波,优化解相关过滤、时间序列方法,全球水文模型修正方法,kernel-independent成分分析和最优平滑内核方法(53,57- - - - - -62年]。使用过滤表面密度的积分治疗可以有效地去除条带化在一定程度上的变化。然而,获得表面平均密度是至关重要的,它能减少地球物理信号的有用的能量并导致过滤错误。此外,现有的过滤方法需要先验知识的支持(如过滤半径和截断程度)。因此,在实际检索过程中,滤波器的选择和参数标定需要了解特定的区域特征(60,63年]。(4)TWS检索基于重力场时空变化的变化仍然相当大的不确定性,包括错误产生的潮汐运动的大规模移民,因为大气和海洋环流(11),以及水文模型中的错误用于其他陆地水参数的估计6]。

利益冲突

作者宣称没有利益冲突有关的出版。

确认

这个项目是由中国国家自然科学基金(批准号51309210)和中国科学院(批准号KZZD-EW-08)。