区域约束条件下利用GRACE卫星求解时变重力场方法研究

The techniques available for monitoring the temporal changes in the gravity field have been improved significantly over recently years. The twin satellites Gravity Recovery and Climate Experiment (GRACE) have provided monthly Earth's gravity field changes from which one we can infer Earth's mass changes, for example, the global water cycle. However, further research is still needed on analyzing the data obtained from the inter-satellite link in order to improve our ability to analyses mass transport in regional scales. In the classical approach based on basis of orthogonal functions, one significant problem that users of monthly GRACE gravity field solutions face is the presence of the correlated noise. This project seeks to exploit the capability of constrained regional recovery to offer an alternate solution. Alternatively, the mass concentration (mascon) solution consists of solving a linear combination of surface elements, instead of solving individual spherical harmonic coefficient globally. This method uses constraints among the coefficients that are dependent on geographical locations and the time. This alternative solution is based on the regional constraints have been added to stabilize the ill-conditioned linear system of equations to solve and attenuating the effects of the noise. The study will be carried out through both theoretical investigations and case studies. The project should lead to improve methods of gravity field recovery and hence the results of the research in fact have applications well beyond China. For example, monitory the China's broad scale ground water resources and its variations.

近几年探测地球重力场变化的技术得到快速发展，人们利用GRACE卫星每月提供的观测数据可以获取地球重力场变化量，进而获得地球内部质量的变化。但是要进一步提高区域范围内的地球内部质量变化探测能力，需要分析K-波段观测资料，而利用基于正交函数的常规方法处理每月这些观测资料时，相关噪声去除是目前面临的关键问题。本项目旨在研究附带区域约束条件的重力场反演新方法，采用Mascon方法求解球谐系数，将地理位置和时间相关的系数作为约束条件求解病态线性方程，以得到稳定的解且消除相关噪声的影响。项目采用理论方法与应用研究相结合，其研究成果可用于监测我国区域地下水的分布及其变化趋势。

观测和监测水循环过程中的不同环节以及他们的动力学过程是理解并预报洪水、干旱等周期性发生在中国众多省份自然灾害的必要步骤。因此，监测区域尺度水循环对于更好的理解地球环境变化并降低其带来的相关危害具有重要意义。作为水循环的重要环节，陆地水储量不仅可以揭示极端气候状况而且还可以总体上反映水分盈亏量（降雨量减蒸发量）的变化。监测陆地水储量时空变化，需要一个全国范围的水文气象网，然而由于中国幅员辽阔、地形复杂，覆盖全国范围的实地水文气象数据通常是无法得到的。但是，在这些缺乏实地数据的地方，我们可以使用空间测地传感器，通过卫星重力测量反演陆地水储量变化。一个目前在轨运行的卫星重力测量计划是美国国家宇航局（NASA）与德国宇航中心（DLR）联合开发的重力恢复与气候试验计划（GRACE）。但是，当前方法中水储量大多是基于球谐系数计算得到的，这种方法并没有充分利用卫星观测数据的根本分辨率。所以，为了得到更精确的GRACE计算的陆地水储量结果，开发一种新的区域恢复地球重力场的方法是十分必要的。与传统的质量集中法（mascon）相比，最初为模拟地形质量引起的地球重力势而提出的Tesseroid 方法也是一种可行的恢复重力场方法。本项目提出了tesseroid mascon恢复地球重力场的新方法，并研究了利用此方法基于GRACE星间变化率计算陆地水质量变化的可行性。通过本项研究证明，和传统建立mascon模型方法相比，tesseroid mascon方法具有更大可行性以及优势。