基于卫星重力场的数据同化及其在水循环研究中的应用

将时变卫星重力场观测应用于土壤水、地下水、以及干旱监测，需要根据陆地水储量变化的分布与相关观测，结合水文模型进行资料同化，确定水平衡方程中各分量。本项目拟利用考虑土地下水位动态变化的陆面过程模型作为预报算子、构造适合时变卫星重力场资料的观测算子，从而建立将卫星重力场资料融合到陆面水文过程模拟的数据同化方法以实现将区域尺度、月际尺度的水储量距平降解到水平、垂直以及实时的变化；利用所发展的同化方法应用于大尺度陆地水循环过程的同化模拟，研究动态卫星重力场监测地下水储存与土壤水变化、的机理与方法。这对于提高陆-气相互作用规律和机理的认识,更好的理解大尺度水文过程并应用于监测农业用水以及水资源分布，以及气候、环境变化等各个领域,具有重要的科学意义和应用价值。

地球重力场变化反映地球系统物质质量的重新分布，由此可利用重力场观测分析地球系统物质的迁移和交换。在季节和年际尺度上，地球系统质量的变化主要来自地球表层大气、海洋、陆地各系统间水质量的交换,如降雨-河流输运-水蒸发和冰川、北极冰盖融化等。陆地区域或流域水储量变化来自降雨、土壤水分蒸发蒸腾、河流输运以及向深层地下的渗透等过程，通过卫星重力场变化观测能够反映各种尺度综合水储量的改变，并由此评估陆地水循环分量的变化并应用于水资源管理及水循环研究。利用陆地水储量变化改进对上述各分量的模拟，其月尺度陆地水储量需要在时间和垂直方向分解成各分量的变化，以实现将时变卫星重力场观测应用于土壤水、地下水、以及干旱监测，需要根据陆地水储量变化的分布与相关观测，结合水文模型进行资料同化，确定水平衡方程中各分量。本项目的设立的研究主题是“基于卫星重力场的数据同化及其在水循环研究中的应用”,其主要科学目标是建立基于卫星重力场的流域陆地水储量变化的陆面水文数据同化方案以给出水储量平衡方程各陆面变量，将区域尺度、月际尺度的水储量距平降解到水平、垂直以及实时的变化，以实现将卫星重力场观测应用于土壤水及地下水储量变化监测。项目执行三年来，围绕上述科学目标,在陆地水储量变化分析、陆面水文模拟与同化系统的发展及应用等方面开展研究，完成了预期目标。取得如下主要成果：发展了考虑地下水动态变化、作物生长过程等人类活动影响的陆面过程与区域气候模式；建立了 基于贝叶斯模型平均(BMA)集合方法与多强迫多模式集合的中国区域陆面水文过程模拟系统、以及基于多种观测算子的双通微波陆面数据同化系统；构建了基于卫星重力场的陆面数据同化系统，实现了GRACE陆地水储量信息在垂直方向的分解，从而由此提出了将卫星重力场观测用于土壤水及地下水储量变化监测的方法。通过针对中国区域进行同化的陆地水储量与GRACE陆地水储量进行比较发现，在多数流域同化系统显著地提高了对陆地水储量的模拟,表明其方案的合理性。这为全球变化对陆地水循环影响研究提供了将区域尺度、月际尺度的水储量距平降解到水平、垂直以及实时的变化的陆面水文数据同化平台,对于探讨区域水循环过程与全球变化的相互作用机理,增进区域气候、地表水、地下水相互作用的理解，实现将卫星重力场观测应用于土壤水及地下水储量变化监测，具有重要意义。