全球水储量变化的grace卫星检测
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明显 ,最大超过了 012 m ,中误差为 318 ×10 - 2 m. 可见 ,当前 GRACE 卫星时变重力场只能确定出上千公里及以上尺
度区域的水储量变化.
关键词 GRACE ,时变地球重力场 ,全球水储量变化
文章编号 0001 - 5733(2006) 06 - 1644 - 07
中图分类号 P228
determine water storage variation over thousands kilometers or more with high accuracy presently. Keywords GRACE , Time2variable gravity field , Global water storage variation
第 49 卷 第 6 期 2006 年 11 月
地 球 物 理 学 报
CHINESE JOURNAL OF GEOPHYSICS
Vol. 49 , No. 6 Nov. , 2006
周旭华 ,吴 斌 ,彭碧波等. 全球水储量变化的 GRACE 卫星检测. 地球物理学报 , 2006 , 49 (6) :1644～1650 Zhou X H ,Wu B ,Peng B B , et al. Detection of global water storage variation using GRACE. Chinese J . Geophys. (in Chinese) , 2006 , 49 (6) :1644～1650
化 ,其表达式可以表示为
∫ ΔCnm
ΔS nm
=
4πaρa
3 (2
n
+
1)
Δρ( r ,θ,λ)
Pnm (cosθ)
×
r a
n+2
cos ( mλ) sin ( mλ)
sinθdθdλd r ,
(3)
式中 ,Δρ( r ,θ,λ) 为物质的体密度变化 ,ρa = 5517
kg·m- 3 为地球平均密度. 在地球表面 ,由于变化的物
全球水储量变化的 GRACE 卫星检测
周旭华1 ,2 ,吴 斌2 ,彭碧波1 ,许厚泽1
1 中国科学院测量与地球物理研究所动力大地测量重点实验室 ,武汉 430077 2 中国科学院上海天文台 , 上海 200030
摘 要 利用 GRACE 月尺度变化的地球重力场反演了全球水储量变化 ,并与陆地水文资料 、卫星测高资料及海洋
GRACE 是 2002 年实施的重力探测卫星 ,其主 要科学目标是提供高精度地球重力场及其随时间变 化. GRACE 卫星设计寿命为 5 年 ,在其运行期间每 月提供出一个 120 阶左右的地球重力场 ,5 年给出 160 阶高精度平均地球重力场[1] . 与平均地球重力 场相比 ,重力场的时变量很小 ,却包含着重要的地球 物理信息 ,揭示着地球系统内所有的物质运动 、分布 及变化 ,反映了大气 、陆地水 、海洋及固体地球之间 的相互作用.
1 引 言
地球是人类赖以生存的物质空间 ,是一个随时 空变化的动力学系统 ,人们对地球系统的认识是通 过对地球各圈层物质运动 、分布及变化的详细了解 , 最终达到对地球系统的整体认识. 由于地球系统的 物质质量重新分布导致不同时间尺度的地球重力场 变化 ,从而利用足够精度和时空分辨率的重力观测 量就可以了解其物质迁移和交换. 近年来 ,随空间技 术的发展 ,特别是卫星重力计划的实施 ,为我们探测 地球质量迁移及变化提供了机遇和可能.
为 4 ×105 m 的 2317 ×10 - 2 m. 在研究长江流域时 ,本文对水文资料做球谐系数展开 ,并与 GRACE 数据做同样的截断
和平滑处理 ,结果发现 GRACE 反演的水厚度变化与水文资料结果基本上符合. 对于纬度 ±66°之间的海洋区域 ,
GRACE 反演的海水质量变化接近于结合卫星测高和海洋模式得到的结果 ,但对于 2°×2°网格 ,则在一些区域差异
基金项目 国家自然科学基金 (40234039 ,40674013) 、中国科学院基金 ( KZCX32SW2132) 和野外台站研究基金 (051114) 资助. 作者简介 周旭华 ,男 ,1968 年生 ,博士 ,主要从事空间大地测量和地球动力学方面研究工作. E2mail : zxh @asch. whigg. ac. cn
的球谐系数 , Pnm 为归一化勒让德多项式 , a 为地球
半径.
地球 表 面 物 质 运 动 引 起 的 大 地 水 准 面 变 化
ΔN 为
∞n
∑∑ ΔN (θ,λ) = a
[ΔCnm cos ( mλ)
n=0 m=0
+ ΔS nm sin ( mλ) ] Pnm (cosθ) , (2)
式中 ,ΔCnm ,ΔS nm 为相应的大地水准面球谐系数变
在不同时间尺度的重力变化中 ,气象因素引起 的大气 、海水质量重新分布以及大陆水循环 、季节性 冰雪消融等产生的重力变化 ,其步调大都与季节性 变化一致[2] . 在物质迁移研究中 ,全球水循环是一个 非常难掌握的问题 ,原因是目前还不能直接采用陆 地区域的湖泊 、河流 、积雪 、土壤和大气中的水汽含 量 ,通过全球水循环平衡方程得到陆地水分布特征 ; 而海洋的季节性海面高变化主要是海表气压 、全球 水循环 、海水温度及盐度变化引起的 ,其中气压 、海 水温度及含盐量变化引起的海面高变化 ,只造成水 柱体积变化 ,不对海底附加压力. 尽管可以利用卫星 测高数据和海洋模式粗略估算出海水的质量分布变 化[3] ,但精度如何 ,值得研究. 可见 ,利用 GRACE 提 供的月尺度变化重力场 ,正好可以用来研究全球水 储量变化 ,并为估算海水的体膨胀提供高精度约束.
模式得到的结果进行了比对. 通过对 SOURE 台站重力变化的陆地水储量变化计算结果和 GRACE 重力场系数截断
为 15 阶得到的结果比较 ,发现两者比较接近 ,且年周期变化特征明显. 对于亚马逊流域 ,当重力场系数截断为 15 阶
且平滑半径使用 106 m 时 , GRACE 反演的区域平均水储量厚度的周年变化振幅为 1516 ×10 - 2 m ,小于使用平滑半径
2 基本原理
地球重力场通常用大地水准面表示 ,大地水准
面的球谐系数展开形式为
∞n
∑∑ N (θ,λ) = a
[ Cnm cos ( mλ)
n=0 m=0
+ S nm sin ( mλ) ] Pnm (cosθ) , (1)
式中 ,θ,λ分别为余纬和经度 , Cnm , S nm 为 n 阶 m 次
6 期
周旭华等 :全球水储量变化的 GRACE 卫星检测
1645
combined with the oceanic model , but for the 2°×2°grid , there exist differences in some grid regions , and the largest is over 012 m , the RMS is 318 ×10 - 2 m. So the GRACE satellite time2variable gravity field can only
收稿日期 2005 - 10 - 10 , 2006 - 08 - 07 收修定稿
Detection of global water storage variation using GRACE
ZHOU Xu2Hua1 ,2 ,WU Bin2 ,PENG Bi2Bo1 ,XSU Hou2Ze1
1 Key Laboratory of Dynamic Geodesy , Institute of Geodesy & Geophysics , Chinese Academy of Sciences , Wuhan 430077 , China 2 Shanghai Astronomical Observatory , Chinese Academy of Sciences , Shanghai 200030 , China
Abstract Global water storage variations on the land and in the ocean are recovered by using GRACE monthly time2variable gravity fields , and these results are compared with land hydrological data , satellite altimeter data and oceanic model solutions. Comparing the gravity change at SOURE station calculated by land water storage variation with the result from GRACE gravity field coefficients truncated to degree and order 15 , we find that they are close to one another with an evident annually varying term. In the Amazon drainage basin , for a 106 m smoothing radius and GRACE gravity field coefficients truncated to degree and order 15 , the annual amplitude of average water storage variation thickness is about 1516 ×10 - 2 m , smaller than 2317 ×10 - 2 m for a 4 ×105 m smoothing radius. When we study the water storage variation in the Yangtse drainage basin , we expand the hydrological data in spherical harmonic coefficients , and dispose them of truncation and smoothness as same as GRACE data. The result indicates that the average thickness of water storage variation measured from GRACE agrees well with the hydrological data solution. For the range of latitudes - 66 to 66 degrees in the ocean , the seawater mass variation recovered from GRACE is in good agreement with the result from satellite altimeter
2001 年 ,张为民等[4] 用 FG5 绝对重力仪测出暴 雨前后武汉大学站点有近 10 - 7 m·s - 2 的重力变化 , 清晰地显示了陆地水对重力的影响 ,但这微小的变
化量能否被重力卫星所检测 ,取决于重力卫星的空 间分辨率和测量精度. Wahr et al . [5] 分析了水文信号 及 GRACE 卫星重力场时变部分精度 ,认为 GRACE 时变地球重力场只能分辨出大尺度的水储量变化. 2004 年 , GRACE 时变重力场的公开 ,极大地推动了 地球表面水质量迁移的研究 ,如 Wahr[6] 和 Chen[7] 等 都对其进行了详细的探讨. 本文利用 GRACE 时变地 球重力场反演了全球水储量变化 ,并与卫星测高资 料 、海洋模式和水文资料确定的结果进行了比对 ,对 了解全球水模式及 GRACE 时变重力信息具有一定 的科学意义.
明显 ,最大超过了 012 m ,中误差为 318 ×10 - 2 m. 可见 ,当前 GRACE 卫星时变重力场只能确定出上千公里及以上尺
度区域的水储量变化.
关键词 GRACE ,时变地球重力场 ,全球水储量变化
文章编号 0001 - 5733(2006) 06 - 1644 - 07
中图分类号 P228
determine water storage variation over thousands kilometers or more with high accuracy presently. Keywords GRACE , Time2variable gravity field , Global water storage variation
第 49 卷 第 6 期 2006 年 11 月
地 球 物 理 学 报
CHINESE JOURNAL OF GEOPHYSICS
Vol. 49 , No. 6 Nov. , 2006
周旭华 ,吴 斌 ,彭碧波等. 全球水储量变化的 GRACE 卫星检测. 地球物理学报 , 2006 , 49 (6) :1644～1650 Zhou X H ,Wu B ,Peng B B , et al. Detection of global water storage variation using GRACE. Chinese J . Geophys. (in Chinese) , 2006 , 49 (6) :1644～1650
化 ,其表达式可以表示为
∫ ΔCnm
ΔS nm
=
4πaρa
3 (2
n
+
1)
Δρ( r ,θ,λ)
Pnm (cosθ)
×
r a
n+2
cos ( mλ) sin ( mλ)
sinθdθdλd r ,
(3)
式中 ,Δρ( r ,θ,λ) 为物质的体密度变化 ,ρa = 5517
kg·m- 3 为地球平均密度. 在地球表面 ,由于变化的物
全球水储量变化的 GRACE 卫星检测
周旭华1 ,2 ,吴 斌2 ,彭碧波1 ,许厚泽1
1 中国科学院测量与地球物理研究所动力大地测量重点实验室 ,武汉 430077 2 中国科学院上海天文台 , 上海 200030
摘 要 利用 GRACE 月尺度变化的地球重力场反演了全球水储量变化 ,并与陆地水文资料 、卫星测高资料及海洋
GRACE 是 2002 年实施的重力探测卫星 ,其主 要科学目标是提供高精度地球重力场及其随时间变 化. GRACE 卫星设计寿命为 5 年 ,在其运行期间每 月提供出一个 120 阶左右的地球重力场 ,5 年给出 160 阶高精度平均地球重力场[1] . 与平均地球重力 场相比 ,重力场的时变量很小 ,却包含着重要的地球 物理信息 ,揭示着地球系统内所有的物质运动 、分布 及变化 ,反映了大气 、陆地水 、海洋及固体地球之间 的相互作用.
1 引 言
地球是人类赖以生存的物质空间 ,是一个随时 空变化的动力学系统 ,人们对地球系统的认识是通 过对地球各圈层物质运动 、分布及变化的详细了解 , 最终达到对地球系统的整体认识. 由于地球系统的 物质质量重新分布导致不同时间尺度的地球重力场 变化 ,从而利用足够精度和时空分辨率的重力观测 量就可以了解其物质迁移和交换. 近年来 ,随空间技 术的发展 ,特别是卫星重力计划的实施 ,为我们探测 地球质量迁移及变化提供了机遇和可能.
为 4 ×105 m 的 2317 ×10 - 2 m. 在研究长江流域时 ,本文对水文资料做球谐系数展开 ,并与 GRACE 数据做同样的截断
和平滑处理 ,结果发现 GRACE 反演的水厚度变化与水文资料结果基本上符合. 对于纬度 ±66°之间的海洋区域 ,
GRACE 反演的海水质量变化接近于结合卫星测高和海洋模式得到的结果 ,但对于 2°×2°网格 ,则在一些区域差异
基金项目 国家自然科学基金 (40234039 ,40674013) 、中国科学院基金 ( KZCX32SW2132) 和野外台站研究基金 (051114) 资助. 作者简介 周旭华 ,男 ,1968 年生 ,博士 ,主要从事空间大地测量和地球动力学方面研究工作. E2mail : zxh @asch. whigg. ac. cn
的球谐系数 , Pnm 为归一化勒让德多项式 , a 为地球
半径.
地球 表 面 物 质 运 动 引 起 的 大 地 水 准 面 变 化
ΔN 为
∞n
∑∑ ΔN (θ,λ) = a
[ΔCnm cos ( mλ)
n=0 m=0
+ ΔS nm sin ( mλ) ] Pnm (cosθ) , (2)
式中 ,ΔCnm ,ΔS nm 为相应的大地水准面球谐系数变
在不同时间尺度的重力变化中 ,气象因素引起 的大气 、海水质量重新分布以及大陆水循环 、季节性 冰雪消融等产生的重力变化 ,其步调大都与季节性 变化一致[2] . 在物质迁移研究中 ,全球水循环是一个 非常难掌握的问题 ,原因是目前还不能直接采用陆 地区域的湖泊 、河流 、积雪 、土壤和大气中的水汽含 量 ,通过全球水循环平衡方程得到陆地水分布特征 ; 而海洋的季节性海面高变化主要是海表气压 、全球 水循环 、海水温度及盐度变化引起的 ,其中气压 、海 水温度及含盐量变化引起的海面高变化 ,只造成水 柱体积变化 ,不对海底附加压力. 尽管可以利用卫星 测高数据和海洋模式粗略估算出海水的质量分布变 化[3] ,但精度如何 ,值得研究. 可见 ,利用 GRACE 提 供的月尺度变化重力场 ,正好可以用来研究全球水 储量变化 ,并为估算海水的体膨胀提供高精度约束.
模式得到的结果进行了比对. 通过对 SOURE 台站重力变化的陆地水储量变化计算结果和 GRACE 重力场系数截断
为 15 阶得到的结果比较 ,发现两者比较接近 ,且年周期变化特征明显. 对于亚马逊流域 ,当重力场系数截断为 15 阶
且平滑半径使用 106 m 时 , GRACE 反演的区域平均水储量厚度的周年变化振幅为 1516 ×10 - 2 m ,小于使用平滑半径
2 基本原理
地球重力场通常用大地水准面表示 ,大地水准
面的球谐系数展开形式为
∞n
∑∑ N (θ,λ) = a
[ Cnm cos ( mλ)
n=0 m=0
+ S nm sin ( mλ) ] Pnm (cosθ) , (1)
式中 ,θ,λ分别为余纬和经度 , Cnm , S nm 为 n 阶 m 次
6 期
周旭华等 :全球水储量变化的 GRACE 卫星检测
1645
combined with the oceanic model , but for the 2°×2°grid , there exist differences in some grid regions , and the largest is over 012 m , the RMS is 318 ×10 - 2 m. So the GRACE satellite time2variable gravity field can only
收稿日期 2005 - 10 - 10 , 2006 - 08 - 07 收修定稿
Detection of global water storage variation using GRACE
ZHOU Xu2Hua1 ,2 ,WU Bin2 ,PENG Bi2Bo1 ,XSU Hou2Ze1
1 Key Laboratory of Dynamic Geodesy , Institute of Geodesy & Geophysics , Chinese Academy of Sciences , Wuhan 430077 , China 2 Shanghai Astronomical Observatory , Chinese Academy of Sciences , Shanghai 200030 , China
Abstract Global water storage variations on the land and in the ocean are recovered by using GRACE monthly time2variable gravity fields , and these results are compared with land hydrological data , satellite altimeter data and oceanic model solutions. Comparing the gravity change at SOURE station calculated by land water storage variation with the result from GRACE gravity field coefficients truncated to degree and order 15 , we find that they are close to one another with an evident annually varying term. In the Amazon drainage basin , for a 106 m smoothing radius and GRACE gravity field coefficients truncated to degree and order 15 , the annual amplitude of average water storage variation thickness is about 1516 ×10 - 2 m , smaller than 2317 ×10 - 2 m for a 4 ×105 m smoothing radius. When we study the water storage variation in the Yangtse drainage basin , we expand the hydrological data in spherical harmonic coefficients , and dispose them of truncation and smoothness as same as GRACE data. The result indicates that the average thickness of water storage variation measured from GRACE agrees well with the hydrological data solution. For the range of latitudes - 66 to 66 degrees in the ocean , the seawater mass variation recovered from GRACE is in good agreement with the result from satellite altimeter
2001 年 ,张为民等[4] 用 FG5 绝对重力仪测出暴 雨前后武汉大学站点有近 10 - 7 m·s - 2 的重力变化 , 清晰地显示了陆地水对重力的影响 ,但这微小的变
化量能否被重力卫星所检测 ,取决于重力卫星的空 间分辨率和测量精度. Wahr et al . [5] 分析了水文信号 及 GRACE 卫星重力场时变部分精度 ,认为 GRACE 时变地球重力场只能分辨出大尺度的水储量变化. 2004 年 , GRACE 时变重力场的公开 ,极大地推动了 地球表面水质量迁移的研究 ,如 Wahr[6] 和 Chen[7] 等 都对其进行了详细的探讨. 本文利用 GRACE 时变地 球重力场反演了全球水储量变化 ,并与卫星测高资 料 、海洋模式和水文资料确定的结果进行了比对 ,对 了解全球水模式及 GRACE 时变重力信息具有一定 的科学意义.