GRACE时变重力位系数扇形滤波算法分析

卫星重力探测技术为监测全球陆地水储量变化提供了新的技术手段。采用Level-2 Release-05版本GRACE时变重力场模型数据计算了2010年全球陆地水储量的月变化;着重研究了扇形滤波对反演结果的影响;并结合GLDAS水文模型数据对反演结果进行了验证分析。实验结果表明:GRACE反演结果 GLDAS水文模型结果在时空分布上符合较好;扇形滤波能够削弱GRACE时变重力场模型的高阶项误差影响,有效去除反演结果中的条带状噪声。     

GRACE重力卫星在陆地水储量变化监测中的应用

介绍了GRACE重力卫星,并对GRACE重力卫星数据在陆地水储量变化中的应用现状进行分析,总结了GRACE重力卫星数据在陆地水储量变化检测中的数据获取、计算方法和精度分析,以及Grace数据在不同区域尺度陆地水储量变化估算中的应用情况,最后,指出GRACE在水储量应用中的不足和未来的研究方向。     

基于GRACE/GRACE-FO反演华北平原2002—2021年水储量变化

针对华北平原水资源分布不均的问题，该文利用2002年4月—2021年12月共237个月的重力恢复和气候实验(GRACE)卫星、GRACE-FO卫星重力数据对华北平原的水储量变化情况进行了研究，采用奇异谱插值填补GRACE与GRACE-FO间的空白期数据，并联合3家Mascon产品、全球陆面同化系统水文模型与全球降水气候中心降水数据进行综合性比较和分析，实现了对华北地区水储量时空变化情况的探究。结果表明，华北地区陆地水储量整体呈下降趋势，亏损速率为-0.927 6 cm/a,且具有明显的季节特征，与降水量的变化情况一致，经过相关性分析，GRACE、GRACE-FO与3个Mascon产品反演的水储量变化存在较高的相关性，相关系数均在0.89以上。     

利用三维加速度点质量模型法解算华北地区陆地水储量变化

三维加速度点质量模型法为反演陆地水储量变化提供了新的途径,采用三维加速度点质量模型法计算了中国华北地区2003—2014年的水储量变化。为了检验反演结果,采用球谐系数法以及德克萨斯大学空间研究中心(Center for Space Research,University of Texas at Austin,CSR)发布的RL06 Mascon模型进行对比分析。研究结果表明,两种方法反演结果均反映出华北地区陆地水储量长期处于亏损趋势,但不同方法计算的亏损速度有一定的差别,三维加速度点质量模型法采用CSR提供的RL06数据反演的华北地区陆地水储量亏损速度为-3.09$\mathrm{c}\mathrm{m}/\mathrm{a}$,而球谐系数法反演结果为-2.60$\mathrm{c}\mathrm{m}/\mathrm{a}$;三维加速度点质量模型法特征点的反演结果与Mascon法相关系数更高,而球谐系数法与三维加速度点质量模型法结果之间的差异主要是由条带噪声约束平滑策略不一致导致的。     

采用点质量模型方法反演中国大陆及周边地区陆地水储量变化

研究了反演区域陆地水储量变化的点质量模型方法,采用Tikhonov正则化方法解决了反演过程中参数估计病态问题。利用GRACE（gravity recovery and climate experiment）时变重力场模型数据,用点质量模型方法反演了中国大陆及其周边地区陆地水储量变化,将点质量模型反演结果与球谐系数法反演结果、GLDAS（global land data assimilation）水文模型数据进行了验证分析,并选取了4个特征点计算了陆地水储量变化时间序列。实验结果表明,由于点质量模型方法将研究区域内不同网格质量变化对地球重力场的影响分离开来,所得区域陆地水储量变化局部信号更明显,并且点质量模型方法反演结果与GLDAS水文模型数据相关性更强。     

联合时变重力数据与测高数据反演全球海平面变化及其分量贡献

理解全球海平面变化具有十分重要的意义,它间接反映了地球系统中气候性相关因素的变化。本文基于一组海平面指纹和比容经验正交函数,联合时变重力数据和卫星测高数据反演了2002年4月至2020年2月的全球海平面变化,将全球海平面变化分解成南极冰盖融化、格陵兰冰盖融化、陆地冰川融化、陆地水储量变化、冰川均衡调整和海水比容效应这6个分量的贡献。联合反演结果显示,全球平均比容海平面变化为1.08±0.05 mm/a,与相关文献的结果相吻合。研究发现,联合测高数据和时变重力数据的反演方法能够一定程度上减弱GRACE Follow-On卫星时期海水质量变化被低估的现象。本文利用联合反演的结果研究了区域海平面变化,在大部分近海区域反演效果较好,这表明该方法可用于区域海平面变化的研究。     

新一代探测地球重力场的卫星编队

探讨4类卫星编队构形(串联编队、钟摆编队、车轮编队、串联-钟摆编队)测定全球重力场的特点和能力。基于C-W(Clohessy-Wiltshire)方程分析各类编队卫星的相对运动状态,通过仿真试验,探讨各种卫星编队探测重力场的精度和分辨率。结果表明,与GRACE-type编队相比,包含多方向重力信号观测量的卫星编队能够为重力场解算提供更好的条件,对重力场解算精度提高可达9%~65%;径向观测量是重力场反演中的主要信息来源,其中南北径向的车轮编队最适合于高阶重力场的解算;另外,编队卫星间的沿轨方向观测量对扇谐系数反演能力最差,法向观测量对低次项系数的反演不敏感,径向和多方向观测量联合反演能得到接近各向同性的重力场系数。这可为新一代重力卫星任务的设计提供参考依据。     

CHAMP重力卫星结果在中国海及邻近海域的初步分析

利用世界上第一个采用高低卫_卫跟踪技术的CHAMP重力卫星计划导出的全新的高精度全球长波重力场模型EIGEN_1S结果 ,根据二维高斯滤波原理 ,基于相同空域尺度对卫星重力结果和由卫星测高解算的几种版本的海洋重力异常数据进行了长波部分的分析研究。结果表明 ,在中国海及其邻近海域卫星重力数据与卫星测高解算的海洋重力异常数据之间存在明显的偏差。     

GRACE与GRACE Follow-On重力卫星数据揭示出的黄河流域2002—2020年干旱特征

研究黄河流域干旱时空变化特征,对认知黄河流域水资源演化规律具有重要意义。本文充分利用GRACE(gravity recovery and climate experiment)与GRACE-FO(GRACE Follow-On)重力卫星在大尺度范围下监测水文信息变化中的优势,基于2002年4月至2020年7月GRACE和GRACE-FO RL06 Mascon数据,计算了黄河流域陆地水储量异常(terrestrial water storage anomaly, TWSA)及对应的水储量亏损赤字(water storage deficit index, WSDI),据此分析了黄河流域上游、中下游干旱事件及其严重性、干旱持续时间、平均与最大水储量赤字等干旱特征,并与其他4种常用干旱指数,标准降水蒸散发指数(standardized precipitation evaporation index, SPEI)、自矫正帕尔默干旱指数(self correct-Palmer drought severity index, sc-PDSI)、标准化降水指数(standardized precip...     

高度计测距精度对沿轨迹重力异常反演的影响

应用求解沿轨迹重力异常的垂线偏差法以及求解空间分辨率的交叉谱分析法,建立了高度计测距精度与沿轨迹重力异常反演精度以及空间分辨率的关联性模型。首先依据卫星测高原理,给出了沿轨迹重力异常的误差传播公式,然后以此为基础通过推导交叉谱分析中一致性系数与信噪比的数学表达式,建立了高度计测距精度与空间分辨率的解析关系。数值仿真结果表明:雷达高度计测距精度与沿轨迹重力异常反演精度成正比关系,与空间分辨率成幂函数关系,即高度计测距精度提高m倍,沿轨迹重力异常反演精度提高m倍,全球海域平均空间分辨率提高m0.464 4倍。将数值仿真结果与相关文献中对实际测高数据的处理结果进行比较,验证了理论分析及模型的正确性。     

一种提高CCD成像卫星空间分辨率的方法研究

从卫星硬件设计与地面软件处理相结合的角度出发，建立了一套提高卫星图像空间分辨率的方法。对模拟靶标图像、一航景物图像、遥感图像分别进行了不同分辨率成像效果的计算机模拟。结果表明，所建立的卫星图像空间分辨率提高理论是正确的，使卫星图像空间分辨率提高2倍甚至更多在理论上是可行的。这一研究成果的实际应用，将会提高卫星的空间分辨率，也可以在保持卫星分辨率的条件下，缩小光学仪器的焦距，使卫星相机小型化，减小其体积和重量。     

Localized spectral analysis of global satellite gravity fields for recovering time-variable mass redistributions

A spatiospectral localization method is discussed for processing the global geopotential coefficients from satellite mission data to investigate time-variable gravity. The time-variable mass variation signal usually appears associated with a particular geographical area yielding inherently regional structure, while the dependence of the satellite gravity errors on a geographical region is not so evident. The proposed localization amplifies the signal-to-noise ratio of the (non-stationary) time-variable signals in the geopotential coefficient estimates by localizing the global coefficients to the area where the signal is expected to be largest. The results based on localization of the global satellite gravity coefficients such as Gravity Recovery And Climate Experiment (GRACE) and Gravity and Ocean Circulation Explorer (GOCE) indicate that the coseismic deformation caused by great earthquakes such as the 2004 Sumatra–Andaman earthquake can be detected by the low-low tracking and the gradiometer data within the bandwidths of spherical degrees 15–30 and 25–100, respectively. However, the detection of terrestrial water storage variation by GOCE gradiometer is equivocal even after localization.     

联合GRACE/GOCE重力场模型和GPS/水准数据确定我国85高程基准重力位

GRACE、GOCE卫星重力计划的实施,对确定高精度重力场模型具有重要贡献。联合GRACE、GOCE卫星数据建立的重力场模型和我国均匀分布的649个GPS/水准数据可以确定我国高程基准重力位,但我国高程基准对应的参考面为似大地水准面,是非等位面,将似大地水准面转化为大地水准面后确定的大地水准面重力位为62 636 854.395 3m~2s~(-2),为提高高阶项对确定大地水准面的贡献,利用高分辨率重力场模型EGM2008扩展GRACE/GOCE模型至2190阶,同时将重力场模型和GPS/水准数据统一到同一参考框架和潮汐系统,最后利用扩展后的模型确定的我国大地水准面重力位为62 636 852.751 8m~2s~(-2)。其中组合模型TIM_R4+EGM2008确定的我国85高程基准重力位值62 636 852.704 5m~2s~(-2)精度最高。重力场模型截断误差对确定我国大地水准面的影响约16cm,潮汐系统影响约4~6cm。     

低阶地球引力场长期变化的确定

利用约11年的Lageos人卫激光测距（SLR）资料,反演了地球引力场系数J2和J3变化的时间序列,分析得到每年的2＝(-2.6±0.4)×10-11,3＝(-1.2±0.4)×10-11及18.6年固体潮Love数k2=0.3154±0.0070,相位滞后ε=3.1°±2.0°.由此可以对地幔滞弹和地球各圈层的动力学变化及相互作用提供高精度的天文观测约束。为了提供高精度的J2和J3变化的时间序列,可能的误差源必须考虑,如自转速率变化引起的极潮,引力场系数Jn的低阶和高阶项之间的弱的耦合等。     

近实时中高空间分辨率森林火灾监测系统展望

森林火灾是最为常见的灾害之一,严重危及人类生命安全。及时准确监测森林火灾的发生及火场状况,对应对火灾及减少损失至关重要。当前,森林火灾卫星遥感监测主要以低空间分辨率的卫星遥感为主,空间分辨率过低导致无法探测规模较小火灾及掌握详细火场态势。针对这一问题,结合近些年中高空间分辨率卫星观测、共享及处理能力的发展,本文从森林火灾卫星遥感监测的基本原理、当前可用中高空间分辨率卫星数据及其特点、中高分辨率森林着火区监测算法,以及数据共享与云端存储与计算等4个技术环节,对森林火灾中高分辨率卫星遥感监测当前研究现状与存在问题进行了总结,阐述了近实时中高空间分辨率森林火灾监测系统的可行性。近实时中高空间分辨率森林火灾监测系统可对已有低空间分辨率森林火灾监测体系形成重要补充,依托其空间分辨率的优势有助于及早、准确发现小规模火情,进而为森林火灾的防治与管理提供更好支撑。     

Triangulated spherical splines for geopotential reconstruction

We present an alternate mathematical technique than contemporary spherical harmonics to approximate the geopotential based on triangulated spherical spline functions, which are smooth piecewise spherical harmonic polynomials over spherical triangulations. The new method is capable of multi-spatial resolution modeling and could thus enhance spatial resolutions for regional gravity field inversion using data from space gravimetry missions such as CHAMP, GRACE or GOCE. First, we propose to use the minimal energy spherical spline interpolation to find a good approximation of the geopotential at the orbital altitude of the satellite. Then we explain how to solve Laplace’s equation on the Earth’s exterior to compute a spherical spline to approximate the geopotential at the Earth’s surface. We propose a domain decomposition technique, which can compute an approximation of the minimal energy spherical spline interpolation on the orbital altitude and a multiple star technique to compute the spherical spline approximation by the collocation method. We prove that the spherical spline constructed by means of the domain decomposition technique converges to the minimal energy spline interpolation. We also prove that the modeled spline geopotential is continuous from the satellite altitude down to the Earth’s surface. We have implemented the two computational algorithms and applied them in a numerical experiment using simulated CHAMP geopotential observations computed at satellite altitude (450 km) assuming EGM96 (n _max = 90) is the truth model. We then validate our approach by comparing the computed geopotential values using the resulting spherical spline model down to the Earth’s surface, with the truth EGM96 values over several study regions. Our numerical evidence demonstrates that the algorithms produce a viable alternative of regional gravity field solution potentially exploiting the full accuracy of data from space gravimetry missions. The major advantage of our method is that it allows us to compute the geopotential over the regions of interest as well as enhancing the spatial resolution commensurable with the characteristics of satellite coverage, which could not be done using a global spherical harmonic representation. The results in this paper are based on the research supported by the National Science Foundation under the grant no. 0327577.     

利用GPS垂直位移反演云南省陆地水储量变化

地表质量的重分布会引起固体地球的弹性形变,GPS连续运行观测站能够精确测定地表负荷引起的地壳形变。本文通过模拟数据对利用云南省及其周边47个中国大陆构造环境监测网（陆态网）台站反演云南地区陆地水储量的可行性进行分析：以水文模型周年振幅为真值,计算47个台站点的负荷形变,同时加入随机误差构成模拟观测数据,最后采用模型反演陆地水储量变化;1000次的随机模拟试验表明利用当前GPS台站数据可有效地反演云南地区陆地水储量变化。基于上述结论,笔者反演了云南省2010—2014年陆地水储量变化,GPS反演结果表明：云南省陆地水变化呈现明显的地域分布特征,西南部高山地区的水储量周年变化高于东部平原地区;在时间尺度上,云南省大部分地区水储量在10月（夏季末）达到最大值,在4月（冬季末）达到最小值;云南省2010—2014年陆地水呈缓慢增长趋势,约为20 mm/a。通过GPS陆地水储量反演结果与GRACE、GLDAS以及TRMM数据综合对比分析,表明利用云南地区当前GPS台站可以作为独立观测量用于GRACE与GRACE Follow-on衔接期间的陆地水储量变化监测。     

联合使用位模型和地形信息的陆区航空重力向下延拓方法

为了规避传统逆Poisson积分向下延拓解算过程的不适定性问题,借鉴导航定位中的"差分"概念,利用超高阶位模型直接计算海域航空重力测量向下延拓改正数的方法。本文在此基础上提出联合使用重力位模型和地形高数据,计算陆部航空重力向下延拓总改正数的改进方案,以飞行高度面与地面对应点的位模型差分信息表征总改正数的中长波分量,以相对应的局部地形改正差分修正量表征总改正数的中高频成分,从而实现航空重力数据点对点向地面的全频段延拓。在地形变化不同区域,联合使用EGM2008位模型、地面实测重力和高分辨率高程数据进行了实际数值计算和精度评估,验证了该方法的有效性。