大地测量与导航团队在GNSS水文大地测量学领域取得新进展

     在水文大地测量领域，以北斗和GPS为代表的GNSS技术已发展成为独立监测区域陆地水储量变化的有力工具，其在全球气候变化背景下的区域水循环研究中受到广泛关注和应用。相较于传统的卫星重力技术，GNSS技术因其更高的时空分辨率，成为监测地球系统质量迁移与变化的又一重要手段。

     本研究以气候复杂多变的澳大利亚为研究区域（图1），联合GNSS和GRACE多源大地测量数据，利用Slepian基函数方法，建立了融合GNSS/GRACE数据的谱域陆地水储量联合反演理论和方法。该项研究的主要贡献包括：（1）设计了一种基于vbPCA的时变陆地水储量反演方法，在提高等效水高反演效率的基础上，进一步解决了GRACE和GRACE Follow-On重力卫星数据中的数据缺失问题；（2）证实了联合反演结果可有效弥补GNSS在空间覆盖的不足，揭示了小尺度水文过程导致的质量空间变化特征；（3）基于联合反演建模有效缓解了GRACE观测中的海陆信号泄漏问题，同时有效抑制了GNSS数据中非水文负荷信号的影响；（4）基于联合反演结果，揭示了气候驱动下的区域水文周年变化（图2）和年际变化（图3）特征，验证了GNSS在水文气候学方面的前瞻性应用前景。研究表明，澳大利亚陆地水储量变化呈现多样性特征，北部地区受热带季风气候控制，呈现明显的周年变化特征，中部地区受热带沙漠气候控制，水文质量周年变化微弱，南部地区受地中海气候控制，呈现与北部地区相反的干湿特征。同时，澳大利亚地区陆地水文质量年际变化突出，不同地区受到不同气候因子的主导，主要包括厄尔尼诺-南方涛动（ENSO）、印度洋偶极子（IOD）、澳大利亚季风（AUSM）、南极涛动（AAO）。本研究进一步拓展了多源大地测量观测手段在水文气候学中的应用，为监测水文循环和进行气候归因分析提供了数据支持。

     研究成果于2024年8月发表于《Journal of Hydrology》，题为“Characterizing multifarious hydroclimatic patterns using geodetic measurements in the Australian mainland (https://doi.org/10.1016/j.jhydrol.2024.131792)”。中山大学测绘科学与技术学院大地测量与导航团队姜中山副教授为文章第一作者，冯伟、钟敏教授为通讯作者，西南交通大学袁林果教授、汤苗、杨兴海博士、文海平硕士、中山大学测绘科学与技术学院沈迎春博士后为文章合作者。该项研究得到了国家自然科学基金（Nos: 41904015、42061134010和42074021）项目的资助。

图1 澳大利亚地理特征

子图a中红色圆圈表示GNSS测站，子图b表示四个地理分区（北部（NA）、东部（EA）、中西部（RA）、南部（RA）），子图c表示不同气候因子（AUSM、ENSO、IDO、AAO）主导的地区

图2 不同气候条件下的澳大利亚四个地理区域陆地水储量、降雨和气温的周年变化特征

图3 不同区域EWH年际变化的归因分析

子图a表示澳大利亚年降雨量和年平均温度变化，子图b比较了澳大利亚降雨异常、EWH异常和scPDSI、Joint-DSI指数，子图c比较了EWH异常与NINO34和DMI指数，子图d–g分别展示图1c中四个区域降水异常、Joint-DSI与NINO34、DMI、AUSI、AAOI指数的相关性分析