GNSS與GRACE聯合的陸地水儲量變化監測及其負荷形變研究

李婉秋

1. 山東建筑大學測繪地理信息學院, 山東 濟南 250101; 2. 中國測繪科學研究院, 北京 100830

準確測定陸地水變化及其負荷形變，對揭示陸地水循環、維持高精度地球參考框架具有重要科學意義。結合GNSS非線性高程時序與環境負荷，可利用殘余變化研究陸地水負荷。依據陸地水負荷運移與地球重力場之間物理機制，基于時變重力場對陸地水儲量及其負荷形變定量監測。論文研究融合GNSS和GRACE數據監測陸地水負荷形變的理論與方法，結合地球物理模型和實測資料分析陸地水儲量變化及其負荷形變時空特性，論文主要工作和研究成果如下：

(1) 驗證了GRACE泄漏誤差改正方法并進行應用分析。完整推導了基于大尺度流域泄漏誤差改正的三次濾波核函數法理論公式，并驗證其可靠性；結果表明該方法相比偏差修正法、乘法修正法、尺度因子法，精度RMS分別提高了15%、37%和35%。采用尺度因子法定量反演小尺度區域水儲量變化，以關中地區為例，改正后GRACE泄漏誤差減小了8%，與實測地下水位具有很好的一致性。采用正向建模方法定量估算中長空間尺度水儲量變化，以青藏高原為例，恢復泄漏信號后的模擬信號精度提高了近30%。

(2) 系統研究了基于奇異譜分析的GNSS時序處理優化方案，包括數據插值、信噪分離、信號提取。結果表明：相比傳統插值方法，SSA迭代插值法的插值精度最高，高程方向均優于5 mm；相比小波變換與FFT，SSA濾波法信噪分離效果最優；相比最小二乘擬合法，GNSS序列周期信號提取更為準確。基于多通道的奇異譜分析算法重構的時序精度普遍高于FFT多周期重構法，研究區92%測站經MSSA方法重構后精度均有改善，精度提升了2.01%～16.89%。

(3) 驗證了GNSS高程方向位移監測區域水儲量變化方法的可靠性。按附有約束條件法解決反演模型秩虧的問題，依托地殼負荷彈性形變理論，獲取GLDAS模型模擬結果，以此評估GNSS多次迭代反演算法穩定性，結果表明GNSS反演方法穩定性與基準站點的密集程度有關；相比直接解算法，多次迭代反演結果與模擬信號局部特征比較一致；揭示了GNSS反演的區域陸地水儲量及其垂直負荷形變特征，并從定性角度探討了與GRACE監測結果時空共性。

(4) 研究了融合GNSS與GRACE數據監測區域陸地水負荷形變的方法。聯合反演結果顯示了區域陸地水負荷垂直形變具有明顯的季節性特征，位移形變量約為-12 mm～12 mm。相比單一監測手段，聯合反演后在遠離CORS站覆蓋區的邊界處出現了相對理想的物理信號，彌補了GNSS反演在積分遠場的不足；地表垂直位移變化較大的區域集中在CORS站覆蓋范圍，主要反映了GNSS信號特征，空間分布相比GRACE結果具有更高空間分辨率，與Mascon形變解也比較吻合。

(5) 利用GRACE-FO重力數據揭示了近10個月我國陸地水儲量變化特征；利用改進的Hard與PREM模型分析區域地球結構差異對GRACE-FO反演我國陸地水負荷垂直形變的影響。結果表明：60階徑向勒夫數相對差異接近4.27%，前60階最大形變差異位于瀾滄江流域，幅值約0.7 mm/a。構建了補償兩代重力衛星銜接期水儲量變化的SSA迭代算法。在我國6個試驗區精度大多高于ARMA模型，預測趨勢與Mascon解、GLDAS模型及GRACE-FO結果整體相一致。