卫星重力测量反演高精度高分辨率局部地表质量变化的方法研究

Inversion of regional surface mass variations with high accuracy and high spatial-temporal resolution from satellite gravity observations and regional geophysical data, is one of the research frontiers and hot issues in satellite gravimetry. This project aims at determining high accuracy and high spatial-temporal resolution regional surface mass variations based on the method of spherical basis functions, which are combined with regional tectonic features and geophysical models. Firstly, the theory and methods of radial basis functions and Slepian basis functions for determining the regional surface mass variations will be systematically studied. Secondly, the data processing methods to obtain the optimal solution based on the spatial and temporal constraints and Kalman filtering will be deeply investigated. Finally, the software system for recovering regional surface mass variations will be developed in line with engineering applications. The anticipated results will provide efficient data processing methods and software platform for determining high accuracy and high spatial-temporal resolution regional surface mass variations from GRACE and future GRACE Follow-on missions. Moreover, it has great scientific significance and practical value for us to deal with water shortages, extreme climate changes, natural disasters and other environmental problems.

联合卫星重力观测数据和区域地球物理信息直接反演高精度、高时空分辨率局部地表质量变化，是当前卫星重力学研究的前沿和热点问题。本项目以反演高精度、高时空分辨率的局部地表质量变化为目标，结合区域构造运动特征和先验地球物理模型信息，深入研究卫星重力测量反演局部地表质量变化的径向基函数方法、Slepian基函数方法和局部地表质量变化参数最优求解的时空约束方法及Kalman滤波方法，并研制满足工程化应用的局部地表质量变化反演软件系统。预期研究成果不仅可为GRACE及后续GRACE-Follow on计划获取高精度、高时空分辨率的局部地表质量变化提供理论模型、实用算法及软件平台，同时可为我国应对水资源短缺、极端气候变化和重大自然灾害等问题提供科学依据和技术支持，具有重要的科学意义和应用价值。

利用卫星重力观测值直接确定局部地表质量变化是当前时变重力场研究一个热点问题。以反演高精度、高时空分辨率的局部地表质量变化为目标，本项目深入研究了卫星重力测量反演地表质量变化的局部基函数方法和最优求解局部地表质量变化的约束方法，研制了局部地表质量变化反演软件。主要成果包括：1）建立了局部重力场反演的自适应泊松小波径向基函数法，结合广义交叉检验确定了径向基函数的个数、空间分布和最佳深度，基于L曲线、VCE和MSTD方法建立了病态问题求解的零阶、一阶Tikhonov正则化模型。2）建立了基于点质量核的星间能量位差直接反演局部地表质量变化的模型与算法，提出了一整套利用GRACE L1B数据直接反演局部地表质量异常的数据处理方案与流程。3）研究了球谐函数法和Slepian基函数法反演地表质量变化的理论基础与转换关系，根据Shannon准则和区域特征确定了反演局部地表质量变化的最优Slepian基函数。4）建立了基于空间约束、均值核函数约束和GLDAS模型约束求解局部地表质量变化的方法，提出了由观测数据最优求解正则化参数的迭代算法，并利用CRI技术降低了海陆信号泄漏。5）研究了不同海洋模型和非潮汐模型对时变重力场反演的影响，提出了一种利用几何参数处理KBRR系统误差的滤波预确定方法，可避免传统方法导致的时变信号衰减问题。6）设计和开发了星间能量位差直接反演局部地表质量变化的软件系统，以南美地区的地表质量异常反演为例，验证了反演方法及软件的正确性。7）构建了不同坐标系下顾及多方向观测值权比的动力积分法，基于水量平衡方程提出了一种改进的流域蒸散发量估计方法。项目研究成果不仅可为GRACE及后续GRACE-FO计划获取高精度、高时空分辨率的局部地表质量变化提供理论模型、算法及软件平台，同时可为我国应对水资源短缺、极端气候变化和重大自然灾害等问题提供技术支撑，具有重要的科学意义和应用价值。