利用密集GPS站数据反演陆地水储量变化及其对海平面变化的影响

Continental water storage is not only an important indicator of global water cycle and climate change, but also one of major contributors to close the sea budget. This project aims to research on the theories and methods for inverting global and regional continental water storage using dense GPS data worldwide. The key points are as followings: we first try to mitigate non-loading errors in GPS displacements, including thermo-elastic displacements, GPS draconitic errors and common mode errors; for global inversion, we propose a new Fingerprint inversion approach and modify the spherical harmonics approach of Clarke et al. 2005 to allow adjusting the low-degree loading love number simultaneously; we then apply theory of green’s function for regional inversion; we finally quantify the contributions of continental water changes to the global sea level variations, especially the long-term variations, by using sea level equation. In this contribution, we provide global and regional continental water storage changes with high-resolution, which can be regarded as a new independent data source for studying global water cycle, climate change, flood, drought, and so on.

陆地水储量变化与全球水循环和气候变化密切相关。与GRACE相比，GPS技术对区域质量负载敏感，然而目前基于全球稀疏GPS站（~400）的球谐函数反演只能获得大尺度的陆地水储量变化。本项目瞄准高分辨率陆地水储量变化产品的应用需求，提出利用全球密集GPS站（10000+）的坐标时间序列反演高时空分辨率的全球和区域陆地水储量变化；研究GPS站坐标非质量负载误差的削弱方法，提高坐标时间序列的精度；在此基础上，基于Fingerprint方法构建适应于全球陆地水储量反演的新方法，突破GPS站南北/陆海分布不均匀对反演空间分辨率的限制；同时为避免全球反演对测站密集区域信号的平滑，利用顾及水平方向形变的格林函数法提高中国/区域反演分辨率；进一步基于海平面方程评估陆地水储量变化对全球海平面变化的影响。研究成果可为研究气候环境变化和洪旱灾害等提供数据支撑。

本项目充分利用GPS技术对区域质量负载敏感的优势，提出利用全球密集GPS站的坐标时间序列反演高时空分辨率的全球和区域陆地水储量变化，解决目前基于全球稀疏GPS站的球谐函数反演只能获得大尺度的陆地水储量变化的问题。针对这一研究目标，本项目在定量分析GPS站非质量负载误差来源的基础上，提出了消除GPS交点年误差、海洋极潮（OPTL）、S1-S2大气潮误差的策略和方法，获得了更高精度的GPS站坐标时间序列；进一步探讨了Helmert转换策略对站坐标时间序列框架统一的影响，提出了一套解算GPS站坐标时间序列的优化策略方法。.另外，针对项目研究目标和研究内容，深入研究了利用改进的球谐函数法、格林函数法和Fingerprint法反演地表质量重新分布的思路和方法，并在此基础上搭建了相应的Fortran软件平台；采用优化的参数设置方法和精细的反演策略，利用全球GPS站数据，以及中国区域国家基准站网的密集GPS站数据反演获得了高时空分辨率的陆地水储量变化产品。利用该产品可以研究陆地水储量的长期、季节性、年际及异常变化及其对全球海平面变化的影响，进而探索其与气候变化、环境变化、洪旱等自然灾害的联系，可为自然资源可持续发展的相关决策提供科学依据，具有十分重要的科研意义和应用价值。.项目发表已标注国家自然科学基金资助和项目批准号的SCI论文8篇，EI论文2篇。培养博士后1名，博士生1名，硕士生2名。参与IUGG2019、EGU2019和IGS Workshop 2018等国际会议并作成果宣讲。