基于GRACE卫星测量得到的中国及其周边地区陆地水量变化_叶叔华

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 第41卷 第5期2011年09月 吉林大学学报(地球科学版)Journal of Jilin University(Earth Science Edition) Vol.41 No.5Sep.2011 基于GRACE卫星测量得到的中国及其周边地区陆地水量变化

叶叔华1,苏晓莉1,2,平劲松1,黄 倩1,2

1.中国科学院上海天文台,上海 2000302.中国科学院研究生院,北京 100049

摘要:GRACE卫星成功开辟了空间大地测量对地观测的新途径。利用GRACE卫星得到的时变地球

重力资料,分析估计了中国及其周边地区陆地水量的变化趋势,较为清晰地揭示了该地区季节性变化特征。进一步采用13点滑动平均的方法扣除了季节性变化,提取了4个特征区域(喜马拉雅南部,新疆与西藏及其周边的亚洲高山区域,中国华北、东北地区和中国南部地区)的陆地水量变化特征信息,这4个区域陆地水量的变化趋势分别为-12.7±0.7

、-60.4±2.7、-12.5±0.5和6.6±0.9km3/a。其中:喜马拉雅

南部和亚洲高山区域陆地水量呈现明显的衰减趋势,与Matsuo和Heki模拟冰川质量损失源得到的结果较为一致;但近10年来亚洲高山区域西北部冰川加速融化趋势并不明显。中国华北、东北地区和南部地区水量变化比较复杂,具不稳定的变化趋势。关键词:GRACE重力卫星计划;陆地水量变化;季节性变化;中国及其周边地区;水管理

中图分类号:P631.1 文献标志码:A 文章编号:1671-5888(2011)05-1580-07

收稿日期:2010-12-11

基金项目:国家自然科学基金项目(10973031);中俄火星联合探测计划“YH-1”项目(2008AA12A209)

作者简介:叶叔华(1927—),女,广东广州人,院士,主要从事地球天文动力学与深空探测研究,E-mail:ysh@shao.ac.

cn。

Land Water Storage Variations in China and Adjacent AreasRevealed by the GRACE Gravity Mission

YE Shu-hua1,SU Xiao-li 1,2,PING Jin-song1,HUANG Qian1,21.Shanghai Astronomical Observatory,Chinese Academy of Sciences,Shanghai 200030,China

2.Graduate University of Chinese Academy of Sciences,Beijing 100049,China

Abstract:The success of GRACE has blazed a new trail in the Earth observation on space geodesy.Based on the time-varying gravity anomaly data of the GRACE mission,long-term variations ofcontinental water storage in China and its adjacent areas were estimated.Seasonal changes of waterstorage in China and its adjacent regions have been clearly revealed.With the remove of seasonal changesby 13-points moving averages,the long-term change rates of continental water storage in four distinctzones,namely southern Himalaya,Asian high mountains of the Xinjiang Uygur Autonomous Regionplus Tibet and its neighbourhood,Northern China,and Southern China,were found to be-12.7±0.7km3/a,-60.4±2.7km3/a,-12.5±0.5km3/a and+6.6±0.9km3/a,respectively.Continentalwater storages of southern Himalaya and the Asian high mountains show apparent decreasing trends,

which are consistent with the results of Matsuo and Heki by substantial glacial ice melting in these Asianhigh mountains.However,acceleration of mass loss of high mountain glaciers in the NorthwesternAsian is not clear in recent decades.The long-term trends of continental water storage in the northeastand south of the North China are not stable.Key words:GRACE gravity satellite mission;land water storage variations;seasonal changes;

China and adjacent regions;water management

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引言

地球重力场是地球的基本物理场之一。地球重力场及其时变特性反映了地球表层及内部密度分布和物质运动的状态。多年来,地球重力场一直是科学家们的研究热点之一,它在地球物理学、大地测量学、空间科学、海洋科学等领域起着很重要的作用[1]。重力场恢复与气候试验(gravity recovery andclimate experiment,GRACE)是2002年由美国和德国联合开展的重力卫星计划[2],它采用2颗低高度(300~500km)、近极轨道小卫星的相互跟踪技术来探测地球重力场及其时变特性。GRACE搭载的有效载荷中包括星载GPS测定轨系统、非保守力加速度测量系统以及精密测量2颗卫星之间距离变化的K-波段微波测距系统。GRACE卫星的设计寿命为5a。到目前为止,已经运行了8a,仍然处于良好的状态。科学家们预计它将运行到2013年。由于采用了多项观测技术,GRACE显著地提高了地球重力场探测的时空分辨率。近年来,GRACE已在对地观测技术、地学相关领域的研究中取得了丰硕成果,在监测关键性气候变化,如冰盖质量平衡、陆地水储量变化、海平面上升、海洋环流等方面,显示出巨大潜能。GRACE的数据产品已经成为国内外研究者们开展相关研究的资源。Velicogna等[3]使用22个月的GRACE重力位数据估计出格陵兰岛冰盖质量以(82±28)km3/a的速度减少。Chen等[4]校正了空间滤波和GRACE数据有限空间分辨率的影响,估计出2002年4月至2005年11月间格陵兰岛冰盖质量以(-239±23)km3/a的速度融化,结果与卫星雷达干涉测量的结果符合较好。Chen等[5]认为阿拉斯加海湾的冰盖在2002年4月至2005年11月期间以(-101±23)km3/a的速度融化,其结果与空基激光测距的结果相符。Velicogna[6]发现格陵兰岛冰盖质量损失速率从2002—2003年的137km3/a增加到2007—2009年的286km3/a;南极冰盖损失速率从2002—2006年的104km3/a增加到2006—2009年的246km3/a。基于GRACE数据,Frappart等[7]研究了尼罗河流域土壤水与地下水对于反演得到的总水储量的贡献。Willis等[8]发现,如果忽略空间变化,由于2004年末至2005年初海洋质量变化中存在一个突然增加,导致2005年大部分时间的季节性平均海平面比2004年约上涨了5mm

Morison

等[9]使用UTCSR

the university of Texas center

for space research)第一次公布的2002年4月至2006年4月的重力场数据,证实了GRACE资料在北极海洋的探测精度以及可能的应用价值。国内的研究者们利用GRACE资料,在重力场的精确解算、极地冰盖融化、海平面上升以及陆地水储量变化等方面也开展了一些研究[10-15]。

亚洲高山区域存在大量的冰川。由于近期全球气候变暖的影响,与格陵兰、南极、阿拉斯加冰川一样,亚洲高山区域的冰川总体也呈现出融化趋势。近几十年来,冰川加剧退缩和冰川湖泊扩大是喜马拉雅山地区气候和冰川变化的主要特征和后果。不同研究者对20世纪60年代以来喜马拉雅山地区冰川末端或冰塔下限近期变化研究[16-19]的结果显示:喜马拉雅山中段的冰川绝大多数处于退缩状态,只有极个别冰川处于稳定或者微弱的前进状态;东段地区观测资料相对较少,20世纪初期至1980年期

间,研究区的冰川基本处于退缩状态,冰川面积减少了13.8%,储量减少量相当于249.2×108 m3的等效水量,1980年以来,大约有40%的冰川处于前进

状态,但冰川总面积和总储量仍然处于减少状态;喜马拉雅西段地区的冰川在发生加速性退缩。对亚洲高山区域冰川融化情况,由于目前缺少适合该区域的冰川模型,全球陆地资料同化系统(global land

data assimilation system,GLDAS)提供的水文数

据又存在不确定度,研究的结果相对较少。Matsuo

等[20]发现亚洲高山区域存在大量冰川融化现象,并证实该区域西北部的冰川存在明显的加速融化趋势;而喜马拉雅冰川略有减速融化的趋势。笔者采用2002年8月至2009年10月7年多的GRACE

资料进行分析,研究中国及其周边地区,包括亚洲高山区域,陆地水量的趋势与季节性变化,以期获得特征区域陆地水量变化的趋势,为我国未来的水管理和防御自然灾害发生等政策性决策提供参考依据。

1851 第5期

叶叔华,等:基于GRACE卫星测量得到的中国及其周边地区陆地水量变化