利用GRACE分析阿拉斯加地區質量變化

胡超倫

( 61287部隊 云南 昆明 650101 )

利用GRACE分析阿拉斯加地區質量變化

胡超倫

( 61287部隊 云南 昆明 650101 )

利用GRACE RL05重力場數據反演2003-2012年阿拉斯加地區質量及水儲量變化，構建去相關濾波和300km扇形濾波的組合濾波方式。結果顯示，在研究期間內，阿拉斯加地區質量以-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率為0.08mm/yr。地表質量減小主要在2003-2005年，約為-91.7Gt/yr，2010年5月后呈現上升的趨勢，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間趨于穩定，研究期間內，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率為0.02mm/yr。阿拉斯加地區總質量和水儲量變化受周年變化影響較強，其周年振幅分別為43.6mm、29.7mm，并且在每年的3月和2月周年振幅分別達到最大值。

GRACE 地表質量 地表水 年際 季節性

1 引言

地球內部質量的重新分布會導致地球重力場發生變化，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，也是人類生產和生活不可缺少的物質。隨著全球氣候變化，兩極地區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，研究地球內部的質量變化，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)重力衛星計劃是由美國宇航局和德國空間飛行中心聯合開展的重力衛星計劃[2]，自2002年發射升空，至今已在軌運行12年。該衛星的主要任務是測量地球重力場及其變化，通過測量兩顆衛星間的間距變化求解月時變地球重力場模型，可推算地球質量變化。目前GRACE數據主要由GFZ(GeoForschungsZentrum)、CSR(Centre for Space Research)、JPL(Jet propulsion Laboratory)三個機構公布，，已提供了全球重力場變化12年左右的連續觀測數據，其數據間隔為1個月，為分析和預測全球質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量變化研究中的應用不斷擴大，其已廣泛應用于水文、地震等方面研究，研究人員基于此數據對陸地質量變化、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數據計算得到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數據估算得到亞洲高山地區的冰雪融化速率；羅志才等[4]利用GRACE RL04 2002 年至2010 年數據得到整個南極融化速率為-80Gt/yr，對海平面上升的貢獻為0.22mm/a。

本文主要是在以往基礎上，采用2003-2012共10年的CSR RL05數據分析阿拉斯加地區總質量及其水儲量變化，分析其長期變化以及周期性變化。

2 數據處理及方法

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

(1)

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

(2)

3 計算結果及分析

3.1 GRACE反演阿拉斯加質量年際變化

本文采用2003-2012年共10年數據計算得到阿拉斯加地區1°×1°格網的等效水高值，分別采用一次多項式及二次多項式擬合時間序列得到該地區總質量變化的速度及加速度，在整個研究期間內，阿拉斯加州的東南部地區總質量呈現明顯的下降趨勢，其最大減少速度約為35mm/yr，但是該地區總質量的變化速度在逐漸減小，加速度表現為正值。引起該地區質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，圖中結果顯示，阿拉斯加地區的總質量變化明顯可分為三個時間段，在2003.1-2005.12間該地區的總質量呈現明顯的下降趨勢，其減小速率為91.7Gt/yr，如圖1中紅線所示；而在2006.1-2010.4間，該地區的質量變化速度相對前一時間段明顯減緩，自2010年以后該地區的總質量呈現增加的趨勢，其增加趨勢為20.1 Gt/yr，由此可見，阿拉斯加地區陸地質量變化并非是持續性減小，其減小主要是在2010年之前，在此之后，該地區總質量變化逐漸呈現一段穩定時期后持續增加。在整個研究期間內，該地區質量變化速率為-30.5 Gt/yr，其對海平面上升的貢獻率為-0.08mm/yr，其質量變化的加速度為10.1 Gt/yr2。

3.2 阿拉斯加水儲量年際變化

由于GRACE反演得到的地區質量變化包含該地區的總質量變化，無法單獨分離出冰川融化、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的水儲量變化。GLDAS 采用了NASA 新一代的地面和空間觀測系統得到的數據來約束地表面的狀態，其目的是通過近實時的地面和空間數據約束其模型, 進而獲得陸地表面變化的近實時信息[2]。選擇時間間隔為一個月，空間間隔為1°×1°的格網數據，轉換成與GRACE RL05數據相同階次的球諧系數，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位于其西北部，總質量變化較明顯的為東南部，在該地區內包含有Gulkana和Wolverine等冰川，該地區的水儲量變化不明顯，由此可推斷，在東南部總質量減小主要是由于該地區的高山冰川融化。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水儲量時間序列變化曲線，對比圖1和圖3可以發現，兩者具有較強的對應關系，在2003-2005年內，二者減少速度均最快，但在2006-2010年間，水儲量變化不明顯，保持較為穩定的狀態；在2010年以后水儲量均保持增長。在整個研究時間內，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 阿拉斯加地區質量季節性變化

文中利用10年GRACE數據計算了阿拉斯加周邊地區的等效水高時間序列圖，采用包含周年變化、半周年變化項的多項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，總質量和水儲量變化的周年振幅在空間分布具有較強對應關系，在阿拉斯加東南部和加拿大西部沿海地區的振幅值較大，受周年變化的影響較強，兩者最大振幅值約為120mm和60mm。在整個研究區域內(A區)，二者的振幅值分別為43.6mm、29.7mm，相位值分別為105d和60d，可以發現，水儲量周年變化振幅相比較要小，而且達到最大振幅值的時間比總質量周年變化早45d，由此可見，該地區的質量變化除受水儲量變化影響之外，還受其他因素的影響，包括地區的高山冰川融化。

4 結論

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

阿拉斯加表現出較強的季節性變化，在東南部和加拿大交界位置，其周年振幅最大值約為120mm，水儲量變化表現出的周年振幅最大值約為60mm。研究區域內，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空間重力測量監測長江流域水儲量的季節性變化[ J ].中國科學D輯，地球科學， 2006，36 (3)：225-232.

[2] 蘇曉莉，平勁松，葉其欣. GRACE衛星重力觀測揭示華北地區陸地水量變化[J]. 中國科學，地球科學，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]. 測繪學報， 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量變化趨勢[J]. 中國科學: 地球科學, 2012, 42(10): 1590-1596.

[5] Wahr J, Molenaar M. Time variability of the Earth's gravity field: Hydrological and oceanic effects and their possible detection using GRACE[J]. Journal of Geophysical Research, 1998, 103(B12):30205-30229.

[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