利用GRACE RL05模型监测长江流域水储量变化-论文.pdf

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1、第39卷第6期测绘科学Vo1．39NO．62014年O6月ScienceofSurveyingandMappingJun．利用GRACERL05模型监测长江流域水储量变化超能芳，王正涛，晁定波，孙健(1．武汉大学测绘学院，武汉430079；2．武汉大学地球空间环境与大地测量教育部重点实验室，武汉430079)摘要：本文基于GRACE最新重力场模型RL05序列研究了高斯滤波、Wiener滤波、各向异性滤波三种方法在长江流域水储量变化监测中的适用性，计算了应用三种方法得到的水储量变化速率。通过与长江流域水文模型的比较，高斯滤波平滑半径为430km时所得的结果与Wiener滤波基本一

2、致，但各向异性滤波反演的结果与水文模型更为接近，并且优于前面两种方法。研究结果表明GRACERL05时变重力场球谐系数误差存在各向异性的分布特征，因此各向异性滤波更适用于GRACE区域水储量变化的研究。关键词iGRACE；长江流域；水储量变化；滤波【中图分类号】P223【文献标识码】A【文章编号】1009—2307(2014)06—004004可以用来估算极地冰盖和陆地水储量变化及研究1引言局部地区的水文特征。在此领域，众多学者[3提长江总长6300多公里，仅次于南美洲的亚马出多种方法并成功应用于研究区域水储量变化，逊河和非洲的尼罗河，为世界第三大长河，长江其中关键的一步需要对

3、GRACE模型反演结果进行流域总面积约1．9x10km，粮食产量约占中国的空间滤波平滑，滤波的效果将直接影响最终反演一半，人口约4亿，占中国三分之一。作为中国重水储量变化的精度。要的经济政治区域，随着长江流域社会经济的快本文基于Wahr等l9提出的方法，采用CSR最速发展，水资源供求状况将是一个十分突出的制新发布的最高阶次为6O的RL05数据(周期为2004约因素，因此长江流域水储量变化及未来水资源年1月~2010年12月，时间分辨率为1个月)，重可持续利用是当前一个热点研究问题。点研究高斯滤波、Wiener滤波、各向异性滤波三种GRACE(GravityRecoveryand

4、ClimateEx—平滑方法在长江流域水储量变化监测中的适用性。periment)重力卫星计划由美国国家宇航署和德国2基本原理空问飞行中心联合实施，于2002年3月成功发射口]，旨在获取高精度地球重力场的中长波分量及基于Wahr等的方法可以得到以“等效水柱其时变特征，并可用于探测大气和电离层环境。高”变化来表达地球表面水(包括冰、雪)质量变目前GRACE可提供阶次达到60、时间分辨率约1化的公式：个月甚至1O天的地球重力场模型时变序列，这为研究陆地水循环和局部地区水文变化提供了有效Ah一警塞cos技术手段。在消除了天体引潮力对大气、海洋和(AC。COS()+ASsin(mA))

5、(1)相关地球动力过程引起的时变重力场影响后_2]，其中：0为地心余纬，A为地心经度，R为地球平均GRACE时变重力场反映的主要就是两极冰盖、山半径；z，m为展开的阶和次，L为展开的最高阶数；岳冰川、陆地水储量以及海平面变化信息，因而△(，AS，埘为完全规格化球谐系数变化量；P抽是完全规格化的Legendre缔合函数；愚是z阶负荷勒夫作者简介：超能芳(1987)，博士生，数，由球对称地球的弹性和密度结构决定；为地主要从事地球时变重力场的研究。球平均密度，为水密度，取为1000kg·m～。E—mail：nfchao@whu．edu．cn由于GRACE任务的飞行特点、传感器误差的特

6、性以及背景模型和目前数学模型的限制，利用收稿日期i2013—11-2OGRACE时变重力场数据时需要考虑一个重要问基金项目：973项目(2O13CB7333O1)；国家自然科学基金资助项目题，就是GRACE卫星反演的重力场模型球谐系数(41074014，41274032)存在相关性，且随着球谐系数阶数的增加，高阶第6期超能芳等利用GRACERL05模型监测长江流域水储量变化41项的误差所占的比重越来越大(见图1)，同时也使径，当一0时，w()一，w(0)一1。平滑得GRACE模型系数误差不是简单的白噪声而是呈系数可由下面的迭代公式计算：现“条带”噪声分布(见图2)，因此必须采用

7、滤波W。一1技术对其进行空间平滑以消除该项误差。对公式进行空间平滑得到：w一(一)△一壹奎cos口1=0m=0v件一一训+硼H(5)W(AC抽。cos(rr~)+AS抽。sin(rng))(2)3．2Wiener滤波w为平滑系数，其对应的平滑函数可由下式Wiener滤波Ⅲ是一种线性卷积低通滤波。该计算：滤波是采用数学原理来设计滤波矩阵，其目的就W(O，，0，)一1∑∑p(cos0)是使得经过滤波后的结果函数总误差尽可能小。实际计算过程中需要分别估计信号与噪声的方差。{G(，)cos(m2)+