GRACE数据反演水储量及监测干旱的应用现状与展望北大核心CSCD

水储量是全球和区域水文循环的重要组分,借此可分析区域水资源和干旱的时空演变规律。传统的水储量监测方法以地下水位监测为主,但站点布设和分布情况限制了大尺度的研究与探索。GRACE(Gravity Recovery and Climate Experiment)卫星提供了大尺度的逐月地球重力场变化数据,国内外众多学者将其反演的水储量变化数据应用至水文学领域,在一定程度上推动了水文学的进步与发展,但目前系统阐述GRACE数据在反演水储量方面的研究仍不够全面,鲜有研究对基于GRACE数据的监测干旱和插补重建现状进行系统性的总结。该研究简要介绍了GRACE数据的应用领域,探讨了两种数据处理方法的优缺点,分析总结了GRACE数据在反演结果验证和不确定性、陆地水储量变化、地下水储量变化、干旱演变与响应、插补重建等方面的应用现状及存在问题,建议未来在变化环境对水储量变化的影响、降低GRACE数据的不确定性、构建更适合干旱监测的干旱指数、提高插补重建GRACE数据精度和提升GRACE数据时空分辨率等方面进一步开展研究,旨在为利用GRACE数据的相关研究提供借鉴与思考。     

卫星重力监测全球地下水储量变化及其特征

地下水储量是水资源管理和陆地表面过程与水循环研究的一个重要参数。然而,由于传统观测技术成本高和空间分辨率低等局限性，很难建立一个全球连续的综合地下水监测网，因此监测全球高时空分辨率的地下水储量及其变化仍是当前的一个挑战。2002年发射的低低卫—卫跟踪“重力恢复与气候试验”(GRACE)重力卫星为高分辨率地监测全球地下水储量及其变化，提供了一种新的可能手段。利用2002年8月~2011年2月的GRACE观测数据估计近10 a的月间隔全球陆地水总储存量，扣除了GLDAS水文模型（全球陆地数据同化系统）中的地表水、冰雪和生物水，得到全球地下水储量时间序列，并分析其季节性和长期变化及其特征。研究结果表明:GRACE探测到全球地下水储量具有明显的季节性变化，例如在南美洲的亚马逊河流域和亚洲中南部的周年振幅达到50 mm，而在澳大利亚南部和非洲北部的周年振幅只有10 mm左右。另外全球地下水储量具有明显的长期变化，如南美洲亚马逊河流域由于洪水造成地下水储量以6 mm/a的速率增加，拉普拉塔地区由于干旱造成地下水储量以7.5 mm/a的速率减少;中国新疆吐鲁番盆地地区的地下水储量以3.1 mm/a的速率减少,中国华北地区的地下水储量以4.8 mm/a的速率下降。     

卫星重力监测全球地下水储量变化及其特征

地下水储量是水资源管理和陆地表面过程与水循环研究的一个重要参数。然而,由于传统观测技术成本高和空间分辨率低等局限性，很难建立一个全球连续的综合地下水监测网，因此监测全球高时空分辨率的地下水储量及其变化仍是当前的一个挑战。2002年发射的低低卫—卫跟踪“重力恢复与气候试验”(GRACE)重力卫星为高分辨率地监测全球地下水储量及其变化，提供了一种新的可能手段。利用2002年8月~2011年2月的GRACE观测数据估计近10 a的月间隔全球陆地水总储存量，扣除了GLDAS水文模型（全球陆地数据同化系统）中的地表水、冰雪和生物水，得到全球地下水储量时间序列，并分析其季节性和长期变化及其特征。研究结果表明:GRACE探测到全球地下水储量具有明显的季节性变化，例如在南美洲的亚马逊河流域和亚洲中南部的周年振幅达到50 mm，而在澳大利亚南部和非洲北部的周年振幅只有10 mm左右。另外全球地下水储量具有明显的长期变化，如南美洲亚马逊河流域由于洪水造成地下水储量以6 mm/a的速率增加，拉普拉塔地区由于干旱造成地下水储量以7.5 mm/a的速率减少;中国新疆吐鲁番盆地地区的地下水储量以3.1 mm/a的速率减少,中国华北地区的地下水储量以4.8 mm/a的速率下降。     

卫星重力监测全球地下水储量变化及其特征

地下水储量是水资源管理和陆地表面过程与水循环研究的一个重要参数。然而,由于传统观测技术成本高和空间分辨率低等局限性,很难建立一个全球连续的综合地下水监测网,因此监测全球高时空分辨率的地下水储量及其变化仍是当前的一个挑战。2002年发射的低低卫—卫跟踪"重力恢复与气候试验"(GRACE)重力卫星为高分辨率地监测全球地下水储量及其变化,提供了一种新的可能手段。利用2002年8月～2011年2月的GRACE观测数据估计近10 a的月间隔全球陆地水总储存量,扣除了GLDAS水文模型(全球陆地数据同化系统)中的地表水、冰雪和生物水,得到全球地下水储量时间序列,并分析其季节性和长期变化及其特征。研究结果表明:GRACE探测到全球地下水储量具有明显的季节性变化,例如在南美洲的亚马逊河流域和亚洲中南部的周年振幅达到50 mm,而在澳大利亚南部和非洲北部的周年振幅只有10 mm左右。另外全球地下水储量具有明显的长期变化,如南美洲亚马逊河流域由于洪水造成地下水储量以6 mm/a的速率增加,拉普拉塔地区由于干旱造成地下水储量以7.5 mm/a的速率减少;中国新疆吐鲁番盆地地区的地下水储量以3.1 mm/a的速率减少,中国华北地区的地下水储量以4.8 mm/a的速率下降。     

GRACE重力卫星数据的水文应用综述

重力反演与气候实验卫星GRACE(Gravity Recovery and Climate Experiment)为研究深层地球结构和跟踪地球表面质量变化提供了新手段,在一定程度上完善了当前全球水文监测系统。检测全球或区域水文信息对于研究全球或区域水资源变化和水量平衡具有重要意义。首先对GRACE重力卫星进行概括介绍,然后对GRACE卫星数据在极地高山冰川、海洋和陆地水储量等方面的应用现状进行分析总结,归纳GRACE水文研究中的验证方法,最后总结GRACE水文应用中面临的主要技术难点及可能的解决方案。     

两种重力卫星数据集的区域适用性分析

针对传统水资源监测方法在大尺度区域存在费时耗力、精度低、难以获取长时间序列结果等问题,提出了利用重力卫星遥感数据进行区域水资源反演监测的方法,并对不同数据集的区域适用性进行分析研究.分别采用CSR/JPL提供的GRACE卫星数据反演区域陆地水资源储量及地下水储量变化特征,并与实测地下水埋深反演计算的地下水储量变化结果进...     

基于GRACE监测数据的伊犁——巴尔喀什湖盆地水储量变化特征及影响因素

气候变化和人类活动对伊犁—巴尔喀什湖盆地自然生态环境的影响逐渐加剧,导致该盆地水资源问题日益突出。地处干旱区的伊犁—巴尔喀什湖盆地水资源的形成和耗散空间分离并且水文气象数据匮乏,使该地区的水资源研究和管理都相对欠缺。采用2003年1月至2014年5月1°×1°GRACE重力卫星的UTCSR-RL05L-2月数据反演得到伊犁—巴尔喀什湖盆地水储量变化,并利用全球陆面同化数据(GLDAS)对比分析,结合水量平衡原理,分析该地区水储量时空变化特征及影响因素。结果表明:伊犁—巴尔喀什湖盆地水储量变化呈现明显的年周期,该地区每年11月至次年4月水储量呈现增加趋势,水储量减少则出现在5月至10月;全年中8月份水储量减少最快,12月份增加最快。在影响整个盆地水储量变化的影响因素中,降水蒸发差是整个盆地水储量变化的最重要的影响因子,其次是蒸发,降水相对最弱。伊犁—巴尔喀什湖盆地水储量变化的影响因子具有明显的空间差异。水资源形成区水储量变化受降水影响最大,然而水储量耗散区水储量受降水蒸发差最明显。蒸发对耗散区的水储量变化的影响程度高于形成区。     

利用GRACE重力卫星监测黑河流域水储量变化

利用CSR数据中心公布的GRACE重力测量卫星最新数据RL04,经去相关和Fan滤波处理去除误差,提高结果精度,最终反演得到黑河流域2002~2008年水储量变化趋势,并对其进行时序特征和空间分布特征分析。结果表明：黑河流域水储量有明显的季节变化,水储量增加的最大幅度出现在夏季,减少的最大幅度出现在冬季;总体上水储量呈逐年上升趋势,水储量极值与降水极值具有较明显的一致性;水储量在空间上的分布受流域地形影响显著,上、中游水储量呈增加趋势,下游水储量部分地区减少,部分地区增加。     

基于Seq2Seq模型的GRACE降尺度研究

为了克服GRACE数据低空间分辨率的局限，采用序列到序列（Seq2Seq）模型，对三种输入时间序列（地表温度、归一化植被指数和降雨）与GRACE时间序列的经验关系进行建模，将美国加利福尼亚州的GRACE数据空间分辨率由1°降尺度到0.1°。结果表明，Seq2Seq模型能获取到较为准确的时序特征与映射关系，通过遗传算法选出最佳超参数后的Seq2Seq模型，纳什系数可达0.97，均方根误差仅为0.23。通过实测地下水的验证可知，降尺度的GRACE数据与实测值有较强的相关性，相关系数最高可达0.85，能较为准确地反映地下水储量的变化。     

黄土高原水储量的时空变化及影响因素

近年来黄土高原下垫面情况变化巨大,将多源数据应用于水储量变化研究可进一步揭示该区域水循环过程。利用GRACE数据研究了2003～2015年黄土高原地区陆地水储量变化(TWSC)的时空分布特征,结合大气环流数据、TRMM(3B43)降水、GLDAS蒸散发和MODIS地表温度数据分析了气候变化和人类活动对TWSC的影响。结果表明:①2003～2015年黄土高原TWSC整体表现为下降趋势,下降速率约为-5.16±1.51 mm/a,季节变化表现为秋季冬季夏季春季的下降趋势。②过去13 a黄土高原TWSC在空间上表现为自西向东减少,整体处于亏损状态,最小值可达-4.5 cm。③降水对黄土高原西南部、南部的TWSC有影响较大,地表温度对黄土高原东南部、东部的TWSC影响较大。④人类活动对山西和陕晋豫交界地带的TWSC影响较大。利用多源数据对比研究可以较准确地反映该区域水储量变化的时空分布情况,对水循环机理的进一步研究有较大帮助。     

基于机器学习和大数据平台的陆地生态系统碳收支遥感监测

陆地生态系统碳收支是全球碳循环研究的重要指标,也是气候变化的重要参数。针对该指标估测的不确定性,基于陆地生态系统通量观测研究网络的实测碳通量数据及遥感卫星观测数据产品,利用机器学习方法进行建模研究。研究选用随机森林算法自动从高质量的星—地训练数据集中学习特征、挖掘数据中的隐含信息以及时序间依赖关系的差异,建立了基于随机森林算法的碳收支参数GPP(Gross Primary Production)、NEP(Net Ecosystem Production)估算模型,并选择标准指标利用验证数据集对模型进行了客观评价。结果分析表明：与MODIS GPP产品相比,该方法在估算精度上有了提高,其中落叶阔叶林预测结果最优,决策系数为R2为0.82,均方根误差为1.93 gCm-2d-1,在其他植被类型上也明显优于传统光能利用率模型产品,更接近于地面通量观测数据。基于相同方法建立的NEP模型也得到了较好的估测结果,落叶阔叶林预测模型的输出结果与通量塔获得的NEP相关关系R2为0.70,RMSE=1.75 g C m-2d-1。GPP和NEP模型精度差异也表明,在进行机器学习建模时,训练数据集自变量的...     

Reconciling the global terrestrial water budget using satellite remote sensing

Recent retrievals of multiple satellite products for each component of the terrestrial water cycle provide an opportunity to estimate the water budget globally. In this study, we estimate the water budget from satellite remote sensing over ten global river basins for 2003-2006. We use several satellite and non-satellite precipitation (P) and evapo-transpiration (ET) products in this study. The satellite precipitation products are the GPCP, TRMM, CMORPH and PERSIANN. For ET, we use four products generated from three retrieval models (Penman-Monteith (PM), Priestley-Taylor (PT) and the Surface Energy Balance System (SEBS)) with data inputs from the Earth Observing System (EOS) or the International Satellite Cloud Climatology Project (ISCCP) products. GPCP precipitation and PM (ISCCP) ET have less bias and errors over most of the river basins. To estimate the total water budget from satellite data for each basin, we generate merged products for P and ET by combining the four P and four ET products using weighted values based on their errors with respect to non-satellite merged product. The water storage change component is taken from GRACE satellite data, which are used directly with a single pre-specified error value. In the absence of satellite retrievals of river discharge, we use in-situ gauge measurements. Closure of the water budget over the river basins from the combined satellite and in-situ discharge products is not achievable with errors of the order of 5-25% of mean annual precipitation. A constrained ensemble Kalman filter is used to close the water budget and provide a constrained best-estimate of the water budget. The non-closure error from each water budget component is estimated and it is found that the merged satellite precipitation product carries most of the non-closure error.     

基于BART噪声器的中文语法纠错模型

在中文语法纠错中,基于神经机器翻译的方法被广泛应用,该方法在训练过程中需要大量的标注数据才能保障性能,但中文语法纠错的标注数据较难获取.针对标注数据有限导致中文语法纠错系统性能不佳问题,提出一种基于BART噪声器的中文语法纠错模型——BN-CGECM.首先,为了加快模型的收敛,使用基于BERT的中文预训练语言模型对BN...     

An independent component analysis filtering approach for estimating continental hydrology in the GRACE gravity data

An approach based on Independent Component Analysis (ICA) has been applied on a combination of monthly GRACE satellite solutions computed from official providers (CSR, JPL and GFZ), to separate useful geophysical signals from important striping undulations. We pre-filtered the raw GRACE Level-2 solutions using Gaussian filters of 300, 400, 500-km of radius to verify the non-Gaussianity condition which is necessary to apply the ICA. This linear inverse approach ensures to separate components of the observed gravity field which are statistically independent. The most energetic component found by ICA corresponds mainly to the contribution of continental water mass change. Series of ICA-estimated global maps of continental water storage have been produced over 08/2002-07/2009. Our ICA estimates were compared with the solutions obtained using other post-processing of GRACE Level-2 data, such as destriping and Gaussian filtering, at global and basin scales. Besides, they have been validated with in situ measurements in the Murray-Darling Basin. Our computed ICA grids are consistent with the different approaches. Moreover, the ICA-derived time series of water masses showed less north-south spurious gravity signals and improved filtering of unrealistic hydrological features at the basin-scale compared with solutions obtained using other filtering methods.     

A class-based approach to characterizing and mapping the uncertainty of the MODIS ocean chlorophyll product

Global chlorophyll products derived from NASA's ocean color satellite programs have a nominal uncertainty of ± 35%. This metric has been hard to assess, in part because the data sets for evaluating performance do not reflect the true distribution of chlorophyll in the global ocean. A new technique is introduced that characterizes the chlorophyll uncertainty associated with distinct optical water types, and shows that for much of the open ocean the relative error is under 35%. This technique is based on a fuzzy classification of remote sensing reflectance into eight optical water types for which error statistics have been calculated. The error statistics are based on a data set of coincident MODIS Aqua satellite radiances and in situ chlorophyll measurements. The chlorophyll uncertainty is then mapped dynamically based on fuzzy memberships to the optical water types. The uncertainty maps are thus a separate, companion product to the standard MODIS chlorophyll product.     

基于风云三号卫星微波成像仪观测的全球海气界面潜热通量遥感

海气界面潜热通量是衡量海气间能量和水汽交换的重要指标。热通量卫星遥感产品具有覆盖面广、时效性高的优势,但也存在观测非同步、潜热通量精度较低的问题。由于近表面空气比湿度是潜热通量卫星遥感的重要误差源,基于风云三号卫星微波成像仪观测数据,研究对空气比湿度反演算法进行了改进,改进后的算法与现场实测数据相比,反演精度有明显的提高。针对极轨气象卫星过境时间相对固定的问题,使用现场观测数据分析了潜热通量日内变化过程并建立了日均潜热通量估算模型,利用风云三号微波成像仪数据,通过块体法计算了全球海洋潜热通量。与现场实测数据相比,其偏差、均方根误差和相关系数分别为3.50 W/m²、32.96 W/m²和0.79。     

Use of GRACE time-variable data and GLDAS-LSM for estimating groundwater storage variability at small basin scales: a case study of the Nzoia River Basin

This study integrates time-variable Gravity Recovery and Climate Experiment (GRACE) gravimetric measurements and Global Land Data Assimilation System (GLDAS) land surface models (LSM) in order to understand the inter-annual variations and groundwater storage changes (GWSC) in the Nzoia River Basin in Kenya, using the water balance equation and parameters. From averaged GRACE and GWSC data, the results showed that over the 10-year period, the basin experienced a groundwater depth gain of 6.38 mm year^?1, which is equivalent to aquifer recharge of 298 million cubic metres (mcm) year^?1. The deseasonalized groundwater variation analysis gave a net gain in groundwater storage of 6.21 mm year^?1 that is equal to a groundwater recharge gain of 290 mcm year^?1. The observed results are comparable to the groundwater safe yield of 330 mcm year^?1 as estimated by the Water Resource Management Authority in Kenya. Through cross-plotting and analysis with averaged satellite altimetry data and in situ measurements from rainfall and streamflow discharge, the total water storage change (TWSC) and GWSC in the basin were consistent and closely correlated in variation trends. The inter-annual standard deviation of groundwater change was determined as ±0.24 mm year^?1, which is equivalent to 85% degree of confidence in the obtained results. The results in this study show that GRACE gravity-variable solutions and GLDAS-LSM provide reliable data sets suitable for the study of small to large basin groundwater storage variations, especially in areas with scarce and sparsely available in situ data.     

蒸散发遥感反演产品应用关键问题浅议

陆地蒸散发精确测算是地球系统和全球变化研究的薄弱环节与难点.遥感提供的蒸散发产品极大地推动了相关领域的研究,但蒸散发遥感产品种类多、反演理论涉及水文学与遥感科学,不仅影响初涉该领域的用户选择产品,且无视数据物理含义、简单拿来主义式的应用可能导致不合理的分析结果,影响科学问题深入研究.基于MODIS、GLEAM等6种长时...     

基于BST-PUF模型的轻量型认证与会话密钥交换协议

为解决现有PUF密钥交换协议存在的纠错机制复杂、辅助数据过大而导致的高开销问题,利用新提出的比特自检PUF电路（BST-PUF）设计了一种轻量型认证与密钥交换协议,在含有PUF的密码设备与服务器之间进行安全认证并建立共享会话密钥。协议能实现双向认证与可靠的密钥交换,抵抗篡改攻击、中间人攻击、DoS攻击、物理探测攻击与建模攻击等各种攻击技术。协议采用BST-PUF电路和鲁棒响应提取器来生成可靠的响应,取代传统PUF和纠错码组合,将可靠性标志F作为辅助数据用来恢复密钥,大幅降低纠错复杂性,减少辅助数据长度并提升PUF利用率。