GRACE重力衛星在洪水預測中的應用

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GRACE重力衛星在洪水預測中的應用

摘要：GRACE重力衛星可提前幾個月提供重要的潛在洪水的數據，增強了現有全球洪水預測的能力。簡要介紹了重力的時空變化特征、GRACE重力衛星及其在洪水預測中的應用，指出GRACE重力衛星未來的應用情景十分廣闊，同時也指出了其水文應用中存在的主要問題。

關鍵詞：洪水預測;GRACE重力衛星;應用研究

洪水造成的損失是巨大的，僅美國的內陸洪水平均每年會造成133人死亡以及40億美元的財產損失。為了更好地預測洪水，充分了解包括土壤含水量、地下水位和雪水當量的流域全方位的水文情勢相當重要，但是在大尺度范圍內使用傳統方法難以獲取這些觀測數據。因此，許多洪水預測方法只關注極端降雨事件，把洪水定量預測能力限制在時間尺度的雨量預測上(即通常在3~10 d的范圍內)。這些短歷時預測對水資源管理提出了挑戰。

在最近的研究中,美國宇航局(NASA)的重力反演與氣候實驗(GRACE)重力衛星已經能夠觀測區域重力的變化，這種方法比傳統的洪水預報方法更有優勢。在某些情況下，重力的變化與地表水、地下水的變化成正比，可以提前幾個月預警地下水飽和以及即將可能發生的潛在洪水事件。

1重力的時空變化

作為宇宙中5個基本作用力之一，重力是兩個基本量(質量和距離)的函數。任何兩個物體之間的引力與它們質量的乘積成正比，與它們之間距離的平方成反比。這種關系可用來調節整個地球表面重力，而且這些影響因子非常容易測量。

例如，由于地球的扁率(想象一個美式足球的形狀)，一個在北極重90.7 kg的人在赤道上的實際重量只有90 kg,這表明改變與地球質心的距離能引起重力的變化。同樣的關系適用于山脈、峽谷、沙漠和海洋，即如果改變兩物體質心之間的距離，那么它們的重力將受到影響。

也有來自重力的當地影響因子。例如在一個山區，其周圍的大量巖石和致密的地殼會產生一個比沉積區、薄地殼海洋盆地更大的引力。如果山上有積雪，當地水的質量也會增加當地的重力。隨著冰雪消融，當地的重力會減弱，所以重力不僅可以隨著位置改變，還可以在同一個位置上隨著時間而改變。

這個隨時空演變的地球重力場是大地測量學測量和建模的對象。隨著全球高精度大地測量的出現，使得利用重力觀測數據進行大尺度的水文研究成為了可能。

2GRACE重力衛星

2002年3月，NASA與德國航天局合作發射了一顆衛星，根據探測計劃命名為GRACE重力衛星。GRACE重力衛星實際上由兩個串聯飛行的衛星組成，每顆衛星約有一輛大眾汽車那么長，兩顆衛星海拔約450 km，相距約220 km。每顆衛星使用微波測距儀監測另一顆衛星由于地球重力場變化而引起的軌道變化，兩顆衛星之間距離的測量精度為納米級(即小于單個人類DNA鏈)。衛星觀測范圍映射到地球的重力場計算機模型中，偏離預期軌道的差值都被記錄下來。基于這些殘差，可以推算出導致每個位置下衛星軌道變化所需的水量。

GRACE重力衛星的陸地水儲量異常(TWSA)觀測數據為全球月度數據組，其分辨率約為3°(經度和緯度)。衛星可以監測該地區約1.5 cm高的當量水儲量變化(假設水被均勻地分布)。這些數據是按照測量誤差和處理誤差估算的。

對于很多應用程序來說，這可能是一個相當粗糙的分辨率。2012年，蘭德雷爾(Landerer)和斯文森(Swenson)在其一篇論文中介紹了一組1°修正(“比例因素”)，可以根據已知的全球水文信號的空間格局放大GRACE信號。這些調整幫助很多應用程序更具可行性。

基于GRACE估算陸地水儲量為水文學領域帶來了多方面的啟示：估算大型流域河流流量；揭示大尺度范圍內地下水枯竭情況；量化全球冰川消退情況。先前的研究已經提出一個陸地水儲量容納能力極限的概念，該極限與區域洪水密切相關。

3利用GRACE重力衛星預測洪水

為了研究利用GRACE TWSA觀測數據預測洪水的有效性，重現案例研究是非常有用的。2011年春末，密蘇里河流域遭受了500 a一遇的洪水，澇漬地和創紀錄的積雪場在連續數月中受到兩場大暴雨襲擊。當洪水漫至密蘇里州，為了保護像開羅、伊利諾伊這樣的城鎮，犧牲了很多堤壩，損失了很多房屋。像這樣的洪災，如果有更多的準備時間是否會有幫助？提前得知地球重力場變化的信息能否為到來的洪水發出預警？

陸地水儲存異常信號包含一個對衛星覆蓋區域內的所有水文變化的垂直整合方法，這是因為研究區存在積雪儲量、土壤儲量、地表水和地下水儲量的變化。為了研究洪水，首先必須建立流域TWSA與流域河口流量之間的觀測關系。

建立了伊利諾伊州圣約瑟夫(USGS站編號06818000)水文站流量曲線，并分析了2003~2012年間密蘇里河每年夏季流域平均陸地水儲量異常的GRACE數據?？捎靡粭l較低的包絡回歸線來建立正常的“基流”狀態曲線，并得到當地徑流事件和“流量峰值”在回歸線y軸的差值。高流量對應高存儲條件(點接近回歸線)表明區域流量飽和。

分析表明冬季積雪導致TWSA增加，但積雪儲量增加與徑流增加并不對應。1月和2月的積雪最終轉化為流量或基流釋放出來。這與2011年文獻報道的特大洪水的原因一致，即大量的融雪、凍土和高水位。

根據2014年里杰(Reager)等人的研究，這種分析建立在統計模型構建的基礎之上。分析表明，GRACE的TWSA觀測數據在洪水發生前5個月就提供了重要的預測性信息。這超出了單從河道水位、雪水當量或土壤水分數據可以提供的信息。GRACE觀測的總儲水量與流域內的地下水位有著較好的相關性。

4討論

水文學中，使用“水桶”模型預測流域徑流有著悠久的歷史。因為GRACE在眾所周知的“桶”中測量了所有水量(看見和看不見的)，當桶“滿了”，就是一個很好的警示。在世界上許多地方，并沒有取得時空上一致的水文觀測數據，要么是沒有報道或者未與公眾共享數據。GRACE平臺提供了時空一致的月數據，以用來增強現有的全球洪水預報能力。但以下幾個問題需要注意。

(1)GRACE只能用于預測受大范圍積雪或液態水儲量影響的洪水。例如，2010年印度河洪水是由季風季節的暴雨引起的，24 h的降雨量為3 048 mm。GRACE無法預測類似事件。

(2)GRACE的TWSA數據具有一定的時間滯后。整個地球每月的新重力場結果需要超級計算機進行幾小時甚至幾天的計算。數據通常滯后3個月左右。目前為止，只有2002年4月至2014年11月的完整數據記錄。現已推出了一個10 d更新GRACE數據的解決方案。

(3) GRACE衛星5 a的設計壽命將至。另一顆被稱為GRACE Follow-on的衛星定于2017年發射。在這之前，工程師們希望GRACE衛星繼續充分發揮作用，但電池的問題已經開始限制數據的獲取。任何情況下，這項用來預測最嚴重洪水的技術其未來的應用前景十分廣闊。

邰肇悅柯學莎譯

(編輯：朱曉紅)

中圖法分類號：P338.9

文獻標志碼：A

文章編號：1006-0081(2016)02-0040-02

收稿日期：2015-09-25