地球重力场反映地球物质的空间分布、运动和变化。研究和确定地球重力场的精细结构以及时间变化是物理大地测量学研究的核心任务之一。确定地球重力场，主要是建立全球重力场模型和确定大地水准面，特别是确定区域性高分辨率和高精度的大地水准面模型。而随着地面重力数据、卫星测高数据、卫星重力数据（SST、SGG）、数字地面模型（DTM）及其它地球重力场相关信息的丰富，确定地球重力场将由静态、相对的低分辨率和低精度向时变、高分辨率和高精度发展。此外，地球重力场研究也将更多的转向应用领域。如海洋环流研究，两极冰川融化的相关性研究等等。地球是一个随时间空间变化的动力学系统，地球系统的物质质量重新分布会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。在物质迁移研究中，陆地水储量及其变化信息对全球气候变化的研究有着非常重要的意义。利用多种手段获取的相关信息对于评价和改进气候模型，更好的理解大尺度的水文过程，更好的监测农业用水等水资源应用方面的分布情况具有巨大的经济和社会价值。随着空间技术的发展，特别是卫星重力计划的实施，为我们探测地球物质迁移及变化提供了机遇和可能。本文基于GRACE重力卫星计划提供的Level-2数据产品，推求中国地区的陆地水储量变化，进行特征分析，并针对推求过程中的高斯平滑半径、位模型截断阶数的选择等关键性问题进行探讨；然后，结合主成分分析（principal component analysis，PCA）方法的优良特性，研究GRACE Level-2数据产品J₂项和SLR观测方法得到的J₂项的周期特征，并对其进行比较分析；最后，利用主成分分析方法，研究局部地区（亚马逊流域和长江流域）陆地水储量变化的周期特征，获取其周年项振幅。本文绪论简要介绍了卫星重力探测技术的发展历程，并就本文的主要研究内容进行了必要的说明。第二章在介绍GRACE重力卫星计划的实施、科学目标、有效载荷及数据产品的基础上，阐述了利用GRACE数据解算地球重力场模型的动力学法，对目前国内外GRACE地球重力场的研究进展情况进行了总体上的阐述，并就本文所采用的GRACE数据产品进行了说明。然后，对主要GRACE重力场模型（GGM02）从球谐分析、模型误差分析以及与其它重力场模型进行比较等三个方面进行了系统性的精度分析，得出了有益结论。第三章为本文的重点内容之一。主要介绍利用GRACE时变重力场反演地球质量变化的方法，并就高斯滤波方法在推求地球质量变化中的应用，高斯滤波器宽度的选取，GRACE时变重力场截断阶数的选择以及GRACE重力场模型J₂项对反演结果的影响等关键性问题进行探讨。然后通过与水文模型进行比较来验证所采用方法正确性的基础上，反演中国地区的陆地水储量变化，并对研究结果进行分析。第四章为本文的另一个重点内容。本章首先对主成分分析方法的基本原理进行阐述，然后就GRACE时变重力场J₂项和利用SLR手段测得的J₂项时间序列进行主成分分析，并就分析结果进行比较，探讨局部地区陆地水储量变化的反演过程中J₂项的数据处理方法；最后对亚马逊和长江流域的陆地水储量变化进行主成分分析，获取其随时间变化的主要特征和周年项振幅。第五章概括了本文的主要研究内容，介绍了本文所解决的关键问题，并对今后的研究工作进行了展望。本文的主要研究成果：1．主要的GRACE重力场模型的精度分析。分析表明，相较于以往的重力场模型，GRACE地球重力场模型在90阶以下的中长波部分具有明显的改善；GRACE重力卫星计划在一定程度上有效地解决了陆地空白区的重力测量问题，缓解了两极地区重力资料匮乏的难题。2．对推求地球质量变化过程中，高斯滤波器宽度的选取，GRACE时变重力场阶数的选择以及GRACE重力场模型J₂项对反演结果的影响等问题进行了系统的研究和探讨。研究表明，模型截断阶数选为20阶，高斯滤波半径取为800km，反演结果较好；此外，GRACE的J₂项对地球表面质量变化的反演结果具有重要的影响。3．利用GRACE位模型推求了全球陆地水储量变化，与CPC（Climate prediction Center）水文模型结果相比，二者结果在南美洲的亚马逊河流域，非洲大陆的尼日尔湖、乍得和赞比西河流域，亚洲东南部的孟加拉湾和长江流域地区以及澳大利亚北部符合较好。4．利用GRACE时变重力场反演了中国地区的陆地水储量变化，结果显示，中国大陆地区的陆地水储量变化呈现出明显的地区不平衡性和季节性变化特征。5．对GRACE J₂项和SLR J₂项进行了主成分分析。分析表明，SLR J₂项相较于GRACE J₂项具有更好的季节性变化特征。6．对亚马逊流域和长江流域的陆地水储量变化进行了主成分分析。分析表明，利用主成分分析方法重构后的亚马逊流域和长江流域的陆地水储量变化的周年项振幅最大分别为20.1cm和4.9cm左右。