基于GRACE重力卫星的华北平原地表负荷形变监测与模拟

【摘要】水是人类生产生活的重要资源,同时也维持着自然环境平衡。水资源的开发和利用,制约着华北平原社会、经济的发展。由于地下水资源超采,华北平原已成为世界范围内地面沉降现象严重的地区之一。地表负荷形变是指由于地表流体质量(陆地水、海洋、大气等)的季节性迁移和重新分布所引起的地表垂直形变现象。计算地表负荷形变可以揭示隐含在地面沉降背景下的地表自然形变现象,为地面沉降研究提供新的研究思路。传统的地表形变观测方法存在一定的空间局限性,本文以地球物理知识为理论基础,利用GRACE卫星时变重力场资料,联合人工神经网络方法,探究地表负荷形变的反演方法,并分析气候驱动下的华北平原水文负荷形变成因机制。具体内容如下：(1)联合GRACE重力卫星和人工神经网络模拟地表负荷形变法。本文模拟出了华北平原内5个测点2009-2010年的地表形变量。精度验证表明模型模拟精度较高,5个台站的后验差比值C<0.5,小误差概率P>0.8,R2均值为0.742,RMSE均值为0.501mm。进一步探求不同水储量输入对模型精度的影响发现,陆地水储量作为模型输入因子时模型模拟效果最好,且地下水储量对地表负荷形变的影响比土壤水储量大。(2)基于GRACE时变重力场球谐系数反演地表负荷形变法。本文估算了中国的地表负荷形变量,并与27个GPS台站观测值进行比较,大部分台站的季节性信号拟合度较好,部分台站出现一定偏差。计算估算结果的相关系数r和RMSE发现,26%的台站相关系数大于0.5,60%的台站相关系数在0-0.5之间,14%的台站表现出负相关。27个台站的平均RMSE=6.2mm,南部地区的平均RMSE=5.2mm,北部地区的平均RMSE=6.7mm。GRACE对大尺度流域的水储量敏感度较高,因此在水储量变化较为明显的地区,GPS和GRACE解算结果相关性更高。(3)气候驱动下的华北平原水文负荷形变成因研究。本文分别探究了华北平原水文负荷形变的季节性变化以及长期负荷变化。解算结果表明水储量与负荷形变呈相反的变化趋势。此外,同一时段内,土壤水储量与地下水储量呈相反的变化趋势,可能的原因是二者在季节上的不一致。进一步解算华北平原区域内的负荷形变长期变化,发现引起华北平原地表负荷形变的原因包括土壤水负荷、地下水负荷。此外,地下水开采在一定程度上减轻了地表形变。因此,对于地下水开采程度较高的地区,应重视地下水负荷形变的影响。
【作者】杨雪；
【导师】宫辉力；潘云；
【作者基本信息】首都师范大学，水文学及水资源，2014，硕士
【关键词】GRACE；地表负荷形变；人工神经网络；球谐系数；华北平原；水储量；

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