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应用gps数据和Slepian基函数反演川云渝地区陆地水储量变化

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地球物理学报 2021年第4期64卷 1167-1180页

作者：成帅袁林果姜中山刘中冠张迪徐小凤西南交通大学地球科学与环境工程学院成都611756

局部Slepian函数是将局部区域内的地球物理信号转化为空间谱的一种方法,其可以保证在球面上局部范围内获得最优谱平滑解,非常适用于局部范围地球物理信号的研究.本文利用中国陆态网西南地区72个测站的连续gps观测资料分析川云渝地区陆... 详细信息

局部Slepian函数是将局部区域内的地球物理信号转化为空间谱的一种方法,其可以保证在球面上局部范围内获得最优谱平滑解,非常适用于局部范围地球物理信号的研究.本文利用中国陆态网西南地区72个测站的连续gps观测资料分析川云渝地区陆地水负荷形变特征,并基于Slepian函数方法解算60阶的空间谱基函数,结合弹性质量负荷理论研究了川云渝地区2011年至2015年陆地水储量变化的时空分布模式.针对Slepian函数的边界效应问题,本文使用GLDAS格网数据计算得到站点处垂直负荷位移时间序列,然后利用该位移数据来进行水储量变化恢复实验,结果表明当边界扩充为3°时能较好地恢复GLDAS模型输出的陆地水储量变化.通过对比区域内gps、GRACE、GLDAS得到的等效水高以及降雨数据,发现季节性降水是陆地水变化的一个重要驱动因子,gps反演结果与GRACE和GLDAS数据具有较强的空间一致性.云南地区周年变化要强于川渝地区,其中云南西部的山区陆地水变化最大,约为30 cm,最小为川北以及重庆地区仅为7 cm.相较于gps反演结果,GRACE与GLDAS明显低估了陆地水储量的季节性变化,分别达到24%和47%.比较分析地区内平均等效水高时间序列的相位发现,gps得到的陆地水变化与降雨数据一致性较好,而GRACE与GLDAS存在一到两个月左右的时延.同时gps能较好的探测出2015年1月左右南方地区大范围的强降水,而GRACE与GLDAS并没有体现出该现象,说明gps能更为灵敏地探测到局部地区陆地水的变化.在站点等效水高时间序列上,gps与GRACE的相关性总体上要优于gps与GLDAS,陆地水周年变化较大的云南和四川西部地区站点三种数据间相关性较好,而其他季节性信号不明显的地区则相关性较差.本文的研究表明运用gps-Slepian方法能够独立地监测高时空分辨率的陆地水储量变化,是作为当前补充GRACE观测资料空缺期的有益尝试.

关键词： Slepian基函数 GPS垂向位移陆地水储量变化负荷形变

利用gps和水文负载模型研究云南地区垂向季节性波动变化和构造变形

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地球物理学报 2021年第8期64卷 2613-2630页

作者：胡顺强王坦管雅慧杨振宇首都师范大学资源环境与旅游学院北京100048 中国地震台网中心北京100045

去除GPS垂向位移中水文负载引起的非构造形变是获取云南地区地壳构造运动垂向成分的必要过程.本文利用云南地区在2011年1月—2020年9月间观测的27个gps连续站数据和0.5°×0.5°的格网全球地表流量模型(Land Surface Discharge Model,LS... 详细信息

去除GPS垂向位移中水文负载引起的非构造形变是获取云南地区地壳构造运动垂向成分的必要过程.本文利用云南地区在2011年1月—2020年9月间观测的27个gps连续站数据和0.5°×0.5°的格网全球地表流量模型(Land Surface Discharge Model,LSDM)得到的水文负载形变数据,详细分析了GPS垂向位移与LSDM形变的定量关系和变化特点,并使用小波分析来研究两者在时频空间下的周期特性,研究结果表明:27个连续站的GPS垂向位移和LSDM形变的平均相关系数为0.59,若从GPS垂向位移中去除LSDM形变,可使均方根(Root Mean Squares,RMS)减少量平均为17.13%.小波分析结果表明,大部分连续站的GPS垂向位移与LSDM形变的年周期变化是物理相关的,水文负载形变是引起gps年周期变化的主要原因,部分连续站(YNWS,KMIN,YNMZ,YNHZ,YNML,YNTH,YNDC和YNJP)的gps年周期变化是其他因素(如其他地球物理因素、LSDM模型误差)和水文负载形变共同作用导致的.对于异常的YNGM连续站,地下水的变化、LSDM和gps解算的系统误差可能是造成GPS垂向位移与LSDM形变相关性和一致性较差的主要原因.使用水文负载模型和共模误差对GPS垂向位移中非构造形变改正后,2011—2020年云南地区垂向速度场显示滇西南块体主要以0.01~1.9 mm·a^(-1)的速率沉降,川滇块体南部主要以0.13~2 mm·a^(-1)速率抬升.

关键词： GPS垂向位移 LSDM 非构造形变年周期变化小波分析

利用gps与环境负荷形变数据研究台风引起的垂向地表位移

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地球物理学报 2020年第8期63卷 2870-2881页

作者：姚朝龙刘立龙林旭王长委张瑞王建芳陈镕琪华南农业大学资源环境学院广州510642 桂林理工大学测绘地理信息学院桂林541004 广西空间信息与测绘重点实验室桂林541004 成都理工大学地球科学学院成都610059

台风造成的强降雨、低气压、海面高度变化均会引起地表的形变.本文利用中国大陆构造环境监测网(陆态网)7个gps台站每日的垂向位移和环境负荷形变模型分析2018年9月10—26日台风“山竹”期间不同负荷引起的区域垂向地表形变.结果表明,台... 详细信息

台风造成的强降雨、低气压、海面高度变化均会引起地表的形变.本文利用中国大陆构造环境监测网(陆态网)7个gps台站每日的垂向位移和环境负荷形变模型分析2018年9月10—26日台风“山竹”期间不同负荷引起的区域垂向地表形变.结果表明,台风期间大气负荷和非潮汐海洋负荷垂向形变最大分别达到5.1 mm和-9.2 mm.模型能较好地反映河流区域地表水文负荷变化造成的垂向形变,但不同模型之间存在系统偏差.由于缺少地下水等信息,模型反映负荷长期形变效应的效果不佳,且形变的量级明显小于gps观测的结果.迅速增加的水文负荷使北海gps站从开始下沉到最低点(-15.6 mm)5天的下沉量达到25.7 mm;珠海、广州gps站均观测到河流汇水作用造成地表的二次下沉,且珠海站一周后才抬升到正常位置;湛江和北海gps站能较好地反映河流水位变化,相关系数分别为-0.66和-0.50.研究结果表明,相比于形变模型,gps能更有效地监测台风短期水文负荷形变,可为台风洪水等灾害监测与预报提供有用的信息.

关键词： GPS垂向位移地表形变负荷台风暴雨

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利用GPS垂向位移监测西南地区干旱事件

测绘学报 2019年第5期48卷 547-554页

作者：姚朝龙罗志才胡月明王长委张瑞李金明华南农业大学资源环境学院广东广州510642 华中科技大学物理学院地球物理研究所湖北武汉430074 国土资源部建设用地再开发重点实验室广东广州510642 广东省土地利用与整治重点实验室广东广州510642 广东省土地信息工程技术研究中心广东广州510642

GPS垂向位移包含了陆地水储量变化引起的地球弹性形变信息。本文利用中国大陆构造环境监测网(陆态网)31个gps台站2010年8月—2016年12月的垂向位移数据,分析我国西南地区的干旱事件。结果表明,GPS垂向位移的季节性变化与降雨、GRACE反... 详细信息

GPS垂向位移包含了陆地水储量变化引起的地球弹性形变信息。本文利用中国大陆构造环境监测网(陆态网)31个gps台站2010年8月—2016年12月的垂向位移数据,分析我国西南地区的干旱事件。结果表明,GPS垂向位移的季节性变化与降雨、GRACE反演的水储量、河流水位变化具有较强的负相关关系,其异常变化(非季节性变化)与我国使用的综合气象干旱指数(CI)、GRACE干旱强度指数(GRACE-DSI)相关性较强(相关系数约为-0.70),而与标准化降水蒸散指数(SPEI)的相关性较弱。相比于CI干旱指数,GPS垂向位移能更好地探测短期降雨急剧减少引起的干旱事件。数据缺失影响了GRACE-DSI探测干旱的准确性,而SPEI的波动较大,且存在高估某些短期降雨严重性的情况。研究结果展示了gps在干旱监测方面的可靠性和优势。

关键词： GPS垂向位移陆地水储量变化 GRACE 干旱

基于Slepian函数的gps陆地水储量反演方法研究

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基于Slepian函数的GPS陆地水储量反演方法研究

作者：成帅西南交通大学

学位级别：硕士

水是所有生物生存所需要的重要资源,是生态环境循环变化的重要控制因素。运用各种手段监测和量化陆地水的变化对当地政府以及国家进行干旱与洪涝的预防、水资源管理政策的制定以及气候变化分析等都有重大意义。局部Slepian函数是将局部... 详细信息

水是所有生物生存所需要的重要资源,是生态环境循环变化的重要控制因素。运用各种手段监测和量化陆地水的变化对当地政府以及国家进行干旱与洪涝的预防、水资源管理政策的制定以及气候变化分析等都有重大意义。局部Slepian函数是将局部区域内的地球物理信号转化为空间谱的一种方法,该方法可以保证在球面上局部范围内获得最优谱平滑解,非常适用于局部范围地球物理信号的研究。本文目标是应用Slepian函数方法解算60阶基函数,结合中国陆态网西南地区72个测站的连续gps观测资料分析川云渝地区陆地水负荷形变特征,并研究川云渝地区2011年至2015年陆地水储量变化的时空分布模式。反演计算之前,为了保证每个时刻内都有足够的gps站参与反演,本文选择克里金-卡尔曼滤波模型来恢复了时间序列中的缺失数据。然后针对Slepian函数的边界效应问题,文中也进行了水储量变化恢复实验。实验使用GLDAS格网数据计算得到站点处垂直负荷位移时间序列,然后利用该位移数据来恢复陆地水变化,结果表明当边界扩充为3°时能较好地恢复GLDAS模型输出的水储量变化。本文使用了最大阶数为60阶,γ＞0.1的前31项Slepian基函数,将离散的gps站点垂向位移时间序列转换为Slepian位移空间谱,转换后得到的位移时间序列的振幅要略小于原始时间序列的振幅,且转换后的时间序列更加平滑,两者之间差异的均方根值都在5mm以内。将转换后位移时间序列与GRACE、GLDAS预测的负荷位移进行比较,发现三者都有相似的季节变化与年际变化特征,表明Slepian位移时间序列较好地反映了季节性水文负荷变化。结果显示Slepian位移空间谱较好地保留了原始数据的信号特征,可以用来进行陆地水储量的反演。接下来本文计算了区域内2011-2015年间每一年的陆地水变化周年振幅,发现5年来川云渝地区陆地水变化特征大致相同,2012年整体变化较大,区域振幅平均值为206mm,2015年最小,区域平均值仅为164mm。通过对比区域内gps、GRACE、GLDAS反演得到的等效水高以及降雨数据,发现季节性降水是陆地水变化的一个重要驱动因子。gps反演结果与GRACE和GLDAS数据具有较强的空间一致性。云南地区周年变化要强于川渝地区,其中云南西南部分的山区陆地水变化最大,约为30cm,川北以及重庆地区较小,仅为7 cm。相较于gps反演结果,GRACE与GLDAS明显低估了陆地水储量的季节性变化,分别达到24%和47%。比较分析区域内相位发现,云南地区相位普遍较大,四川西部地区相位较小,最早到达峰值的是降雨数据,相位为180-220天,gps结果相比降雨数据要晚一个月左右,相位值在220-270天之间,GRACE与GLDAS结果最晚,相位分别为220-300天和200-320天。比较地区内平均等效水高时间序列也可以发现,gps得到的陆地水变化与降雨数据一致性较好,而GRACE与GLDAS存在一到两个月左右的时延。同时gps能较好的探测出2015年1月左右南方地区大范围的强降水,而GRACE与GLDAS并没有体现出该现象,说明gps能更为灵敏地探测到局部地区陆地水的变化。文中利用反演得到的陆地水储量结果和降雨数据,分别计算了云南地区的gps-DSI、GRACE-DSI、GLDAS-DSI以及PRECI-DSI这四种干旱指数,并结合现有的两个气象干旱指数SPEI和CI共同分析了云南地区干旱特征。结果表明,相比于主要由降水数据驱动的气象干旱指数,gps-DSI反映水文要素更多元,能体现较为真实的地表干旱特征。本文的研究表明运用gps-Slepian方法能够独立地监测高时空分辨率的陆地水储量变化,是作为当前补充GRACE观测资料空缺期的有益尝试。

关键词： Slepian基函数 GPS垂向位移陆地水储量变化负荷形变