概述GRACE数据在水储量变化研究中的应用

概述GRACE数据在水储量变化研究中的应用

苏子校

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辽宁省地质环境监测总站辽宁沈阳110032

摘要：重力反演与气候试验卫星GRACE为研究地球深层结构、跟踪地表质量变化提供了便捷手段，同时也为深入理解全球水文循环、估算水储量变化提供了新的方法。近年来，GRACE数据逐步应用到地球物理、水文等多个领域。本文对GRACE数据在水储量变化研究中的应用进行概述。

关键词：GRACE数据；水储量变化

一、引言

GRACE卫星由美国宇航局和德国宇航中心联合研制，2002年发射升空，其首要科学任务是提供高精度、高分辨率的地球重力场中长波成分及全球重力场时变特征[1]。

GRACE卫星能够探测到的重力场成分包括表层及深层洋流变化、地表径流和地下径流、冰川与海洋间物质交换过程、地球内部质量变化等，为研究地球深层结构、跟踪地球表面质量变化提供更为便捷的手段，为深入理解全球水文循环、掌握全球气候和生态系统的发展变化提供了新方法。近年来，这种低成本、高效率、高精度的监测手段被逐步应用到地球物理、水文、气候与气象等诸多领域，体现出巨大的科研及实用价值。本文将对GRACE数据在水储量变化研究中的应用进行概述。

二、GRACE数据在水储量变化研究中的应用

随着GRACE数据的普及，越来越多研究者开始将重力卫星与水文研究相结合，利用GRACE数据探测全球、区域、流域等不同尺度的水储量变化逐步升温成为热点：

Tapley、Bettadpur等通过研究指出：利用GRACE数据可获取地球重力场月解，计算精度可达2～3cm；南美洲重力场变化主要由地表水及地下水水量变化引起，且大、小流域之间的重力场变化界定明显。可见，GRACE数据将有利于探索不同尺度的流域水量变化趋势及流域间的水量交换过程。

Wahr、Swenson等人对GRACE卫星取得的初步成果进行了总结：其重力场可用来反演陆地及海洋的水储量变化，平滑滤波后计算精度可达1.5cm。该研究对密西西比河等流域的水储量变化进行了计算，精度均在1.0～1.5cm之间，进一步验证了GRACE数据在水储量变化估算方面的应用潜力。

2006年Swenson、Yeh等首次将GRACE计算结果同实测水文数据进行了对比分析[2]。该研究以美国伊利诺伊州为研究对象，将GRACE计算值同实测土壤含水量及地下水位监测数据的叠加结果进行对比，二者符合程度较高，表明GRACE数据在该研究区的应用中具有很高的敏感性和精确性。

胡小工、陈剑利等通过GRACE时变重力场揭示了全球水储量变化的季节性特征，并对中国长江流域的水储量变化进行了重点分析[3]。研究结果表明：GRACE反演结果与水文模型符合教好，其在监测大流域尺度水储量变化、全球水文循环和气候变化等方面拥有巨大的应用潜力。

Strassberg、Scanlon等将美国HighPlains含水层地下水位监测数据与GRACE计算结果进行了对比分析，结果表明：实测地下水位数据和土壤水模拟数据叠加结果与GRACE计算结果相关性较好，地下水水量上也存在中等相关关系；GRACE数据对于水量的季节性变化具有较高的敏感性，可用于探测半干旱地区地下水储量的变化。

Swenson、Famiglietti等利用GRACE数据和土壤水监测数据计算美国俄克拉荷马州地下水储量变化，并将计算结果与实测水位数据进行对比，结果表明：GRACE计算结果与实测值的相位一致，二者在年内变化上表现出良好相关性。

曹艳萍、南卓铜等利用GRACE数据反演2003～2008年黑河流域的水储量变化，并对其时空分布特征进行了分析[4]。结果表明：黑河流域水储量呈逐年上升趋势，且存在明显的季节性变化，水储量极值与降水极值具有明显的一致性。该研究是GRACE数据在内陆河流域的首次应用，同时也是国内首次尝试将其应用于地面实测数据贫乏的西北部地区。

2013年Joodaki、Wahr等人利用GRACE数据对2003年2月至2012年12月中东地区的总水量变化进行了计算，结果表明伊朗西部及伊拉克东部地区的水储量表现出明显的负增长趋势。

冉全、潘云等人结合GRACE数据和GLDAS数据对海河流域2004～2009年地下水储量的变化进行了计算[5]，结果表明GRACE计算结果与实测值间具有良好的相关性，进一步验证了利用GRACE数据估算地下水年开采量的可行性。

李琼、罗志才等利用GRACE重力场反演2003～2010年中国西南地区陆地水储量变化[6]，计算结果与GLDAS模型在时空分布上符合较好。

许民、张世强等人利用GRACE时变重力场反演2003～2010年祁连山山区的水储量变化，结合气象站月降水资料，采用趋势分析方法对祁连山山区水储量近8年来的时空变化特征进行了研究[7]。该研究表明GRACE数据在探测高寒山区水储量变化方面具有一定的适用性。

三、结语

GRACE数据在水文领域的应用越来越广泛，其在水储量变化研究中的应用也越来越受到研究者的关注，本文对此开展了概括论述，回顾了近年来国内外开展的有关GRACE数据在水储量变化、地下水储量变化、流域范围内水量交换过程等相关方向的应用现状及研究成果。

回顾表明，GRACE数据在估算和反演不同尺度的水储量变化方面具有独特能力，为研究全球水文循环、区域水量平衡等提供了新的方法和思路，但与此同时，GRACE数据的应用也拥有一定的局限性。

参考文献：

[1]B.D.Tapley，S.Bettadpur，M.Watkins，etal.Thegravityrecoveryandclimateexperiment：Missionoverviewandearlyresults.GeophysicalResearchLetters，2004，31（9）

[2]PatJ.-F.Yeh，S.C.Swenson，J.S.Famiglietti，etal.RemotesensingofgroundwaterstoragechangesinIllinoisusingtheGravityRecoveryandClimateExperiment（GRACE）.WaterResourcesResearch，2006，42（12）

[3]胡小工，陈剑利，周永宏，等.利用GRACE空间重力测量监测长江流域水储量的季节性变化.中国科学D辑，2006，36（3）

[4]曹艳萍，南卓铜.利用GRACE重力卫星监测黑河流域水储量变化.遥感技术与应用，2011，26（6）

[5]冉全，潘云，王一如，等.GRACE卫星数据在海河流域地下水年开采量估算中的应用.水利水电科技进展，2013，33（2）

[6]李琼，罗志才，钟波，等.利用GRACE时变重力场探测2010年中国西南干旱陆地水储量变化.地球物理学报，2013，56（6）

[7]许民，张世强，王建，等.利用GRACE重力卫星监测祁连山水储量时空变化.干旱区地理，2014，37（3）