Monitoring groundwater variation by satellite and implications for in-situ gravity measurements

In order to establish a new technique for monitoring groundwater variations in urban areas, the applicability of precise in-situ gravity measurements and extremely high precision satellite gravity data via GRACE (Gravity Recovery and Climate Experiment) was tested. Using the GRACE data, regional scale water mass variations in four major river basins of the Indochina Peninsula were estimated. The estimated variations were compared with Soil-Vegetation-Atmosphere Transfer Scheme (SVATS) models with a river flow model of 1) globally uniform river velocity, 2) river velocity tuned by each river basin, 3) globally uniform river velocity considering groundwater storage, and 4) river velocity tuned by each river basin considering groundwater storage. Model 3) attained the best fit to the GRACE data, and the model 4) yielded almost the same values. This implies that the groundwater plays an important role in estimating the variation of total terrestrial storage. It also indicates that tuning river velocity, which is based on the in-situ measurements, needs further investigations in combination with the GRACE data. The relationships among GRACE data, SVATS models, and in-situ measurements were also discussed briefly.     

基于多源水文数据融合的GRACE水储量精度校正

全球水储量的时空变化研究,对理解全球水循环过程、安排农业生产、防治洪涝灾害等具有重要意义。GRACE重力反演与气象实验卫星为获取全球水储量变化提供了直接观测手段,但不同解算模型和方法导致最终水储量产品之间存在差异。针对现阶段GRACE水储量数据产品中所存在的不确定性,拟结合全球水文模型以及陆面模型数据,采用三角帽方法对现有水储量数据产品进行不确定性分析;选取不确定性最低的GRACE和全球水文模型数据产品,引入点面融合思想,利用卫星观测和模型模拟数据互相约束来选取训练点,基于BP神经网络、深度置信网络建立GRACE精度校正模型,对GRACE月尺度水储量数据进行校正。以美国加利福尼亚州为例,从产品不确定性定量评价、水储量异常长时序变化及空间分布定性分析和地下水井站点实测验证等方面对校正结果进行分析验证。结果显示：①校正结果相比原始卫星观测数据产品及模型模拟产品在不确定分析中具有更低的不确定性（GRACE CSR： 25.32 cm, PCR-GLOBWB： 33.10 cm, DBN： 13.85 cm）;②在长时序变化和空间可视化分析中,校正结果相较于原始数据减少了异常的波动;③地下水位监测水井站点验证中,校正结果在相关性、均方根误差以及平均绝对误差上均有提升。     

2002—2021年中国陆地水储量及其组分变化分析

为深入探讨中国2002年4月至2021年3月陆地水储量(TWS)及其组分的变化情况,采用基于分解-集成思想的VMD-LSTM组合预测模型插补GRACE重力卫星和其后续卫星GRACE-FO间断期的数据,利用Theil-Sen斜率分析法和Mann-Kendall趋势检验法研究中国九大流域TWS及其组分的时空演变规律,并基于随机森林法初步分析TWS各组分对TWS的相对贡献率。结果表明:VMD-LSTM模型能够有效插补中国GRACE序列间断期数据,绝大多数区域的纳什效率系数大于 0.6、相关系数大于0.9、均方根误差小于2cm,插补精度显著提高;TWS变化和地下水储量变化趋势具有较好的空间一致性,除东南诸河片、珠江流域片和长江流域片外,其他流域TWS均呈下降趋势,这主要由地下水亏损导致;西部干旱半干旱地区和华北地区TWS主要受地下水储量的影响,相较于干旱半干旱地区,湿润半湿润地区的TWS受冠层水储量和土壤水储量的影响较大。     

GRACE 重力卫星探究我国华北地区陆地水储量变化

利用 GRACE( gravity recovery and climate experiment) 卫星 2003- 2013 年资料分析了华北地区陆地水储量变化, 并与同时间段的 CPC( climate prediction center) 、GLDAS( global land data assimilation system) 水文模型进行比较, GRACE 与 CPC 和 GLDAS 的相关系数分别为 0.679、0.817, GRACE 与 GLDAS 相关性更强。得出结论: 2003- 2013 年华北地区陆地水减少, 变化率为- 1. 8 km3 / a, 扣除地表水后, 地下水变化率为- 1. 3 km3 / a。其中, 2003- 2004 年地下水有所增加, 2005- 2013 年下降, 2010 年以后下降趋势变缓。GRACE 反演与水文模型模拟结 果显示, 2006、2009 年的等效水柱高( equivalent water heig ht , EWH) 均明显小于长期平均值, 并且 GRACE 最值对应月份异常, 对比国家统计局数据分析结果, 这两年水资源总量、地表水资源量、地下水资源量处于低谷区, 这与同年发生的自然灾害相对应。     

基于同化数据的GRACE卫星反演中国陆地水储量变化降尺度分析

利用GRACE重力卫星反演得到陆地水储量变化受数据低空间分辨率的限制,目前仅应用于大尺度的空间范围内,为此提出一种简易的降尺度方法将GRACE陆地水储量变化精度提高了16倍。借助全球水文模型模拟的陆地水储量变化数据,在中国九大流域上进行分区对比分析,发现高分辨率数据基本保持了原始数据的时空变化趋势,同时又增加了水文模型模拟的水储量变化信息。此外,利用全国455个地下水位监测站的水位数据,验证了降尺度后的陆地水储量变化数据,可知高分辨率陆地水储量变化数据与实测地下水变化值的相关系数最高达0.847,普遍高于低分辨率GRACE陆地水储量变化值与实测地下水变化值的相关系数,证明降尺度后的数据更加准确有效。进而基于降尺度数据,利用EOF方法分析了2005年1月~2012年12月中国各地陆地水储量变化的时空变化特征,即在总体趋势上,长江流域及以南地区春夏两季的陆地水储量有明显增加,华北地区的地下水超采及南方流域的极端气候事件为影响该区域陆地水储量异常的重要因素。