改进的GRACE约束正演法及其在尼皮贡湖陆地水储量变化估计中的应用.pdf
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1、第6 6 卷第7 期2023年7 月简光煜,许闯,邹芳等2 0 2 3.改进的GRACE约束正演法及其在尼皮贡湖陆地水储量变化估计中的应用地球物理学报,6 6(7):2713-2725,doi:10.6038/cjg2022Q0385.Jian G Y,Xu C,Zou F,et al.2023.Improved GRACE constrained forward modeling and its application to the estimation ofterrestrial water storage change in the Lake Nipigon.Chinese J.Geop
2、hys.(in Chinese),66(7):2713-2725,doi:10.6038/cjg2022Q0385.地球物理学报CHINESE JOURNAL OF GEOPHYSICSVol.66,No.7Jul.,2023改进的GRACE约束正演法及其在尼皮贡湖陆地水储量变化估计中的应用简光煜,许闯1.2*,邹芳1,黎晋博1,余杭涛3.4.51广东工业大学测绘工程系,广州510 0 0 62中国科学院精密测量科学与技术创新研究院大地测量与地球动力学国家重点实验室,武汉430 0 7 73广州海洋地质调查局,广州5114584中国地质调查局广州海洋地质调查局自然资源部海底矿产资源重点实验室,
3、广州5114585天然气水合物勘查开发国家工程研究中心,广州511458摘要准确估计北美尼皮贡湖的陆地水储量(Terrestrial WaterStorage,TWS)变化对该区域水资源调控具有重要意义.GRACE和GRACE-FO时变重力场被广泛用于定量估计TWS变化,然而截断与滤波处理会削弱信号幅度,造成信号泄漏.对于小区域尺度的研究,该现象尤为显著.约束正演法能减小泄漏误差,但是面对多质量块,传统迭代策略的收敛性能受初值影响大.为此,本文采用多个质量块分批迭代的策略,改进约束正演法在尼皮贡湖的收敛性能.模拟实验结果表明,在无偏差空间约束下,本文方法与逐格网点同时迭代和多个质量块同时迭代的
4、策略相比,在尼皮贡湖区域绝对偏差的均方根分别降低了2.2 7 mma-1和1.7 7 mma-1.进一步,利用改进方法估计尼皮贡湖TWS变化,并与卫星测高数据进行对比.研究结果表明,本文方法显著降低了尼皮贡湖TWS的信号泄漏影响,恢复后的TWS信号幅度约为逐格网点同时选代和多个质量块同时送代策略的1.2 倍.经泄漏改正后,GRACE/GRACE-FO反演的尼皮贡湖TWS与卫星测高水位变化时间序列的长期趋势相吻合.本文可为研究其他小尺度区域TWS提供一定参考.关键词正演法;陆地水储量;GRACE;尼皮贡湖doi:10.6038/cig2022Q0385Improved GRACE constra
5、ined forward modeling and its application to the estimationJIAN GuangYu,XU Chuangl-2*,ZOU Fang,LI JinBo,YU HangTao4.51 Department of Surveying Engineering,Guangdong University of Technology,Guangzhou 510006,China2 State Key Laboratory of Geodesy and Earths Dynamics,Innovation Academy for Precision M
6、easurement Science and Technology,Chinese Academy of Sciences,Wuhan 430077,China3 Guangzhou Marine Geological Survey,China Geological Survey,Guangzhou 511458,China4 Key Laboratory of Marine Mineral Resoures,Ministry of Natural Resources,Guangzhou Marine Geological Survey,China Geological Survey,Guan
7、gzhou 511458,China5 National Engineering Research Center for Gas Hydrate Exploration and Development,Guangzhou 511458,ChinaAbstract It is of great significance for water resource regulation to accurately estimate the Terrestrial基金项目国家自然科学基金(419 7 40 14,42 2 7 40 0 4),广东省自然科学基金(2 0 2 2 A1515010396)和中
8、国科学院精密测量科学与技术创新研究院大地测量与地球动力学国家重点实验室开放基金项目(SKLGED2021-1-2)资助.第一作者简介简光煜,男,19 9 8 年生,硕士生,主要从事卫星大地测量学方面研究.E-mail:8 2 6 6 6 2 6 7 5 q q.c o m*通讯作者许闯,男,19 8 6 年生,博士,副教授,主要从事重力反演理论、方法及应用研究。E-mail:c h u a n g x u g d u t.e d u.c n中图分类号号P228of terrestrial water storage change in the Lake Nipigon收稿日期2 0 2 2-0
9、 5-30,2 0 2 3-0 5-2 2 收修定稿2714Water Storage(TWS)change in the Lake Nipigon.The GRACE and GRACE-FO temporal gravityfields are widely applied to quantitatively estimate TWS change.However,truncation and filtering canweaken signal amplitude and cause signal leakage,especially for the study of small-sca
10、le regions.Theconstrained forward modeling can reduce the leakage error,but the convergence performance ofthe traditional iteration strategy is greatly affected by the initial value under multiple massblocks.In this paper,the convergence performance of constrained forward modeling in the LakeNipigon
11、 is improved by using the strategy of batched iteration of multiple mass blocks.Simulationexperiments show that without spatial deviation,the root-mean-square of absolute deviation inthe Lake Nipigon for our method is 2.27 mm a-l and 1.77 mm a-i lower than the strategy ofsynchronized iteration of ea
12、ch grid point and multiple mass blocks,respectively.Furthermore,the improved method is adopted to estimate the TWS change of the Lake Nipigon,which iscompared with satellite altimetry data.The results show that our method can significantly correctthe signal leakage of the TWS in the Nipigon Lake,and
13、 the amplitude of the restored TWS signalis about 1.2 times of that from simultaneous iteration of each grid point and multiple massblocks.After leakage correction,the TWS of the Lake Nipigon derived from the GRACE/GRACE-FO is in good agreement with the long-term trend of the time series of water le
14、vel changemeasured by satellite altimetry.This paper can provide a certain reference for the study of TWSin other small-scale regions.Keywords Forward modeling;Terrestrial Water Storage;GRACE;Lake Nipigon0引言北美五大湖流域最北部的尼皮贡湖(LakeNipigon)长约130 km、宽约8 0 km,面积约为4,8 43km.尼皮贡湖的湖水沿着尼皮贡河排人苏必利尔湖(Lake Superior
15、)的尼皮贡湾(Likens,2 0 0 9).为了满足周边地区用电需求,人们沿着尼皮贡河建造了卡梅伦瀑布大坝、亚历山大大坝与松波蒂奇大坝(https:/ 0 14).同时,湖泊极低的水位会影响湖泊周边的生态系统.例如,降低水位会引起湿地减少甚至消失,削弱湿地起到的降低侵蚀、过滤污染物、吸收多余雨水并提供动物栖息地的作用(ClitesandQuinn,2 0 0 3).因此,估计尼皮贡湖的陆地水储量(Terrestrial Water Storage,T W S)变化对当地的矿业开采、生态环境管控、水资源管理等均具有重要意义.近年来,GRACE(Gravity Recovery and Clim
16、ateExperiment)和 GRACE-FO(GRACE Follow-On)时变重力场已经被广泛应用于定量估计TWS变化,取得了众多研究成果(Chen et al.,2 0 10;L a n d e r e r a n dSwenson,2012;Feng et al.,2013;Long et al.,2014;地球物理学报(Chinese J.Geophys.)66卷Thomas et al.,2014;Rodell et al.,2018;Zhou et al.,2021).部分学者利用GRACE/GRACE-FO数据深人研究了五大湖流域的TWS变化.Huang等(2 0 12)采
17、用CSR(Center for Space Research)的 RLO4 版本的GRACESH(SphericalHarmonic)产品反演了五大湖流域的地下水变化.Wang等(2 0 15)发现包括加拿大在内的大片地区和五大湖流域的TWS在20022014年间以7 3.8 土14.5Gt/a的速度增加.Argus 等(2 0 2 0)使用JPL(Jet Propulsion Laboratory)提供的 GRACE/GRACE-FO Mascon(Mass Concentration)产品,推断五大湖流域的TWS在2 0 0 2 2 0 12 年保持稳定(-10 km),并在2 0 132
18、 0 19 年增加2 10km.以上研究主要关注五大湖流域,但基于GRACE/GRACE-FO对该流域北部尼皮贡湖TWS变化的探讨未见报道.尼皮贡湖的大小远低于GRACE/GRACE-FO时变重力场的空间分辨率(约10 0,0 0 0 km).采用GRACE/GRACE-FO时变重力场探测尼皮贡湖TWS变化,会产生严重的信号泄漏.信号泄漏,从谱域上讲是高频信号或误差泄漏到低频部分;从空间域而言,则是研究区域的信号泄漏到研究区域外和外部信号泄漏到研究区域,从而低估或高估区域内的信号(Seoetal.,2 0 0 6).C h e n 等(2 0 15)通过实验模拟了南极区域的信号泄漏现象,表明截
19、断和滤波7期引起了53.9%的信号泄漏.Jin和Zou(2015)研究表明格陵兰岛质量信号泄漏达到了42.4%.因此,信号泄漏是GRACE/GRACE-FO反演TWS变化的主要限制因素之一,其处理方法主要包括四种:(1)尺度因子法,通过水文模型的TWS变化在滤波前后的尺度因子恢复信号(LandererandSwenson,2012).但模型导出的土壤水、雪水估计等存在较大的不确定性,改正效果取决于先验模型(Yao et al.,2016).(2)M a s c o n 方案,不需要再进行高斯滤波和去相关滤波(Saveetal.,2 0 16).但Mascon产品可能存在质量块与流域的匹配问题(
20、Chen et al.,2017).(3)空间域的约束方法,基于信号源所在位置的先验信息,通过空间约束的方法恢复真实的质量变化信号,一定程度上避免了信号外泄的问题(冯伟等,2 0 17).该方法已被应用于南极冰盖、高亚洲冰川的质量变化(Tangetal.,2 0 12;Yia n d Su n,2 0 14).但该方法研究区域质量变化时需要确定信号泄漏的范围.邱春洪等(2 0 19)研究表明过大的外扩边界将导致研究区吸收外扩区域的信号.(4)正演法,通过迭代调整建模值,直到建模值滤波后与实际观测值的差异或迭代次数满足设定的收敛条件.它能够有效改正GRACE/GRACE-FO的泄漏误差(Chen
21、 et al.,2015;T a n g d a m r o n g s u b e t a l.,2 0 16).其中,无约束正演法不对质量变化的区域进行约束,被广泛使用于多个典型区域,如南极、格陵兰岛(Zou et al.,2 0 2 0,2019).相比于无约束正演法,约束正演法可以恢复TWS信号的空间模式(Longetal.,2 0 16).约束正演法适用于已知TWS信号的空间分布或者先验地理信息约束,已被应用于里海、南美洲巴塔哥尼亚冰原、沃特湖等典型地区(Chen et al.,2 0 17;Ni e tal.,2 0 17;L i e t a l.,2 0 19 a).L o n
22、g 等(2 0 16)表明约束正演法的建模结果高度依赖于初值的空间模式.因此,在应用传统约束正演法进行泄漏改正过程中,需要考虑初值空间模式的影响.前人应用约束正演法的研究区域多是孤立的区域,这些区域可视作单一均匀变化的质量块,初值空间模式的影响较小。而本文研究的尼皮贡湖位于五大湖流域,受到多个质量块信号影响,质量块初值提供的近场信号会影响迭代过程。为此,本文提出了采用多个质量块分批选代的方法,来减弱近场初值对收敛结果的影响,并通过模拟实验证明该方法的有效性.进一步,将该方法应用于尼皮贡湖,改正GRACE/GRACE-FO的泄漏误差,重新估算尼皮贡湖TWS变化,并与卫星测高水简光煜等:改进的GR
23、ACE约束正演法及其在尼皮贡湖陆地水储量变化估计中的应用位变化时间序列进行对比验证.1数据与方法1.1采用的数据利用GRACE/GRACE-FOSH估计尼皮贡湖TWS变化所采用的月度时变重力场为ITSG(Institute of Geodesy at Graz University of Technology)提供的6 0 阶ITSG-GRACE2018模型和ITSG-GRACEop模型(Kvasetal.,2 0 19),时间范围为2002-04一2 0 2 1-0 4,共19 6 组.为降低约束正演法中先验信息的不确定性,本文选择了多个陆地水文模型进行融合:(1)全球陆地数据同化系统(Gl
24、obalLand Data Assimilation System,GLDAS)2.1 版本的 NOAH10、V I C 10、C L SM 10 模型(Rodell et al.,2004),其覆盖范围均为18 0 E180W、6 0 S9 0 N,空间分辨率均为1;(2)北美陆地数据同化系统(North American Land Data Assimilation System,NLDAS)二代产品中的VIC、NO A H(M it c h e ll e tal.,2 0 0 4),其覆盖范围均为12 5W67W、2 5N53N,空间分辨率均为0.12 5由于陆地水文模型中的冠层水量级小
25、,因此本文只采用模型中的雪水、土壤水进行研究。此外,由于陆地水文模型在五大湖湖泊区域存在数据缺失情况,因此需要选用实测水位数据进行填补.五大湖流域的部分实测水位数据是由美国国家海洋和大气管理局(National Oceanic and AtmosphericAdministration,NO A A)及加拿大渔业和海洋部(Fisheries and Oceans Canada,D FO)发布,其实测水位站分布如图1所示,主要分布在苏必利尔湖、密歇根湖(Lake Michigan)、休伦湖(Lake Huron)、伊利湖(Lake Erie)、安大略湖(Lake Ontario)和圣克莱尔湖(L
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