科研动态 | 测绘学院在卫星重力数据的泄漏误差改正与信号恢复方面取得新进展

研究背景

陆地水储量是指存储在陆地上的总水储量，包括积雪、地表水、土壤湿度和地下水等分量，对地球气候变化、生态系统稳定性和人类活动等都有重要影响。GRACE及其后续任务GRACE Follow-On（GFO）重力卫星为全球陆地水储量变化（TWSA）监测提供了独特视角，极大推动了对气候变化和水资源演变的认识。然而，GRACE/GFO的球谐系数产品在高阶存在显著的高频和条带噪声，相应的球谐截断和滤波处理将带来较大的信号衰减和泄漏误差，影响了对区域水储量变化的准确估计。

中东地区降水稀少、水资源管理效率较低，在气候变化和人类活动的综合影响下，部分地区地下水长期过度开采，区域水储量持续下降。尽管GRACE/GFO观测揭示了中东地区TWSA的下降趋势，但邻近区域如里海的长期地表水储量亏损，以及红海和波斯湾等海域的强季节性信号，通过信号泄漏和衰减严重干扰了目标区域TWSA的准确识别，导致了卫星重力信号恢复的复杂性。

为解决这些问题，本研究提出了一种基于独立成分分析（ICA）的正向建模（Forward Modeling, FM），即IFM方法（ICA-basedforwardmodeling），在不依赖外部先验信息的情况下，同时解决GRACE/GFO数据中的信号衰减与泄漏问题，实现中东地区TWSA的准确恢复，为全球干旱地区水资源评估提供了可靠的卫星重力估算方法。

研究内容

图1给出了本文研究区域以及不同强度滤波方法对TWSA的趋势项的影响。在GRACE/GFO数据中，IFM方法揭示了各区域所受的泄漏误差来源，泄漏误差的大小和波动性在不同区域存在显著差异，主要受邻近信号源的强度与距离影响（图2）。例如，沙特阿拉伯主要受红海和波斯湾明显的泄漏影响；相比之下，伊朗受红海和波斯湾泄漏的影响较小，但受里海和伊拉克陆地储水量变化的泄漏影响较大。沙特阿拉伯受红海和波斯湾泄漏影响，其估算趋势存在28.6%的偏差；伊朗受里海信号泄漏引起36.4%的偏差，而红海和波斯湾的影响较小。采用IFM方法恢复后，沙特阿拉伯、伊拉克和伊朗的TWSA下降速率分别为11.48 ± 0.32 km³/yr、3.56 ± 0.44 km³/yr 和 7.75 ± 0.45 km³/yr。

图1.（a）中东研究地区示意图；（b）不同强度滤波方法得到的陆地水储量变化趋势信号对比。

图2. （a）GRACE/GFO TWSA与衰减的TWSA在各个区域的时间序列；（b）各区域来自其他区域的泄漏误差时间序列。

本项研究进一步利用比容改正后的测高结果，在里海对IFM信号恢复结果开展了独立精度验证（图3）。IFM恢复的水储量变化显示出明显的季节波动和显著下降趋势，亏损速率为8.0±0.3 cm/yr（29.58±1.14 km3/yr），与比容改正后的测高估算结果高度一致，优于mascon产品和其他信号恢复方法。在红海和波斯湾等其他海域，IFM恢复结果同样与比容改正后的测高估算结果更为一致，而mascon产品未能有效减少这些区域的泄漏误差。

图3. 不同方法和产品在里海与比容改正的测高估算结果对比填充图。时间序列为比容改正的测高结果。红色/蓝色阴影表示各无模型方法恢复结果与真实值的偏差，颜色越浅代表该方法性能越好，与真实值越接近。

除此以外，本研究还在格陵兰和维多利亚湖，对IFM恢复结果进行了独立验证。对比结果表明，IFM恢复结果与格陵兰的SMB-D独立估算结果更为接近，RMSE为7.0 cm，CSR 、JPL和GSFC的mascon的RMSE分别为9.2 cm、10.9 cm和9.2 cm。在季节性幅度和长期趋势上，IFM也优于mascon产品（图4a和c）。在维多利亚湖区域，IFM恢复结果与测高估算结果表现出高度一致性，能够准确捕捉季节性波动及长期趋势（图4b 和d）。相比之下，mascon产品在此区域表现出明显偏差，其中CSR、JPL和GSFC的mascon产品均低估了季节性变化幅度和长期趋势，反映出这些产品存在未解决的信号泄漏误差及信号衰减问题。

图4. （a）格陵兰质量变化时间序列；（b）维多利亚湖水储量变化时间序列；（c）在格陵兰与SMB-D对比填充图；（d）在维多利亚湖与测高结果对比填充图。红色/蓝色阴影表示各无模型方法恢复结果与真实值的偏差，颜色越浅代表该方法性能越好，与真实值越接近。

研究意义

GRACE卫星及其后续任务GRACE Follow-On（GFO）为全球陆地水储量异常（TWSA）监测提供了重要手段。然而，GRACE/GFO数据存在信号衰减和泄漏误差问题，影响了区域水储量变化的准确估计。尽管GRACE/GFO观测能够有效捕捉到中东地区由于地下水过度开采而导致的TWSA持续下降，但附近里海的长期质量亏损，加上来自沿海海域的季节性质量变化，信号泄漏效应将使得该区域TWSA的准确恢复面临更大挑战。为了解决这些问题，本研究提出了一种结合独立成分分析（ICA）与正向建模（FM）的联合方法（IFM），以识别和降低泄漏误差，提高TWSA信号的恢复水平，可获得较mascon产品更优的区域TWSA时序结果，为干旱区水资源管理提供了参考。

发表信息

研究成果于近期在水文领域权威期刊《WaterResourcesResearch》上发表。中山大学测绘科学与技术学院大地测量与导航团队博士熊宇昊为第一作者，冯伟教授为通讯作者，香港理工大学陈剑利教授、中山大学钟敏教授、沈迎春博士后、姜中山副教授、博士研究生白鸿炳等为合作作者。该项目得到了国家自然科学基金项目（42061134010、41874095、42394132）、中山大学中央高校基本科研业务费项目（24xkjc027和23xkjc012）和国际空间科学研究所（ISSI）国际团队项目（#496）资助以及香港研资局协作研究基金（C5013-23G）联合资助。

原文信息：Xiong, Y. (熊宇昊), Feng, W.* (冯伟*), Chen, J (陈剑利), Shen, Y (沈迎春), Bai, H. (白鸿炳), Jiang, Z. (姜中山), & Zhong, M. (钟敏) (2025). Refined GRACE/GFO-Derived Terrestrial Water Storage Anomaly in Middle East Recovered by ICA-based Forward Modeling Approach. WaterResourcesResearch, 61, e2024WR039837

原文链接：https://doi.org/10.1029/2024WR039837