基于GPS垂直位移的云南地区时变陆地水储量反演研究

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云南省处于低纬度地区,毗邻热带海洋,具有水汽充沛降水量丰富的特点,但由于云南省位于青藏高原的东南部,地势复杂,海拔差距大,区域内多为石灰岩与喀斯特貌,易引起地表径流,地表水难以存储,地下水难以利用。同时云南省具有干旱频发的特点,严重影响当地农业生产生活。如何合理监测陆地水储量变化情况,并以此作为参照制定合理的水资源管理政策,对云南省农业生活具有重要意义。以往人们常用水文模型和GRACE卫星重力数据研究水储量的变化。但水文模型在人类活动密集区域效果不佳,GRACE计算结果分辨率较低,无法精确提供小范围区域和更高时间分辨率的水储量变化。随着GPS测站空间分辨率的不断提高,利用GPS垂向位移反演水储量变化的方法,可以在更高时空分辨率监测水储量变化。本研究基于负荷形变理论和GPS垂直形变数据,采用约束最小二乘反演方法与卡尔曼滤波动态反演方法,分析了2012年至2021年云南省等效水高变化情况。首先,收集并处理并获取GPS、GRACE、GLDAS、降雨等相关数据,为后续的反演和分析工作提供基础。然后根据负荷形变理论构建GPS垂向位移与区域内等效水高变化之间的格林函数模型,分别采用最小二乘反演方法与卡尔曼滤波反演方法,反演得到静态等效水高结果和随时间变化的动态等效水高结果。最后,对GPS反演水储量的空间分辨率、反演结果与其它水文数据之间相关性等进行了讨论分析。主要结果如下:(1)云南省水储量变化自滇西南区域至滇东北区域呈逐渐减少的趋势,其中滇西南周年项振幅最大,最大值约为350mm,滇东北区域变化最小最小值约为43mm,GPS反演结果在空间上与GRACE、GLDAS计算得到的等效水高变化有较好的一致性(R≥0.7)。GPS对局部水储量变化更为敏感,在滇西北区域检测到了更高的等效水高变化值,平均周年项振幅约为200mm,高于GRACE与GLDAS计算结果。(2)云南省水储量变化具有明显的季节性,其中水储量的峰值多出现在9-10月份,与GRACE、GLDAS结果具有较好的一致性。与降雨数据相比,GPS反演结果具有一定的延时性,造成这种情况的原因可能是因为降雨造成的储水量逐渐增加,在雨季过后水储量达到峰值。(3)2012-2018年云南省整体水储量呈上升趋势,2019-2020年的干旱事件,导致全省水储量骤减,其中滇西南(南部)区域受干旱影响最为严重,区域内平均等效水高下降约为155mm。2019年6月干旱逐渐结束后,全省水储量呈上升趋势,但全省范围内平均等效水高值仍低于2012-2018年均值,处于水储量低值,2020年8月后,全省水储量基本回归到正常值。(4)与GRACE、GLDAS数据相比,GPS反演结果空间分辨率更高,对异常降水有较好的探测能力。
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