基于Matlab实现GRACE卫星重力数据的全球水储量变化估算与分析

摘要：水循环过程在全球气候系统中扮演着核心角色，其变化直接影响农业生产、能源供给以及生态环境安全。然而，传统的水文观测手段主要依赖地面水文站网，空间覆盖有限，难以在全球范围内实现一致性监测。自 2002 年发射的 GRACE 卫星任务开创了利用重力测量监测地球质量变化的新模式，为研究陆地水储量、冰川融化、海平面上升以及地下水变化等问题提供了前所未有的观测手段。

作者：Bob(原创)

项目概述

水循环过程在全球气候系统中扮演着核心角色，其变化直接影响农业生产、能源供给以及生态环境安全。然而，传统的水文观测手段主要依赖地面水文站网，空间覆盖有限，难以在全球范围内实现一致性监测。自 2002 年发射的 GRACE 卫星任务开创了利用重力测量监测地球质量变化的新模式，为研究陆地水储量、冰川融化、海平面上升以及地下水变化等问题提供了前所未有的观测手段。

GRACE 卫星通过双星编队的距离变化来反演地球重力场，其结果以球谐系数形式发布。由于观测误差和反演过程的限制，原始重力场解包含条带噪声和高阶噪声，需要通过滤波和截断等方法进行处理。经过适当的滤波与 Love 数修正后，可以将重力异常转换为等效水厚（Equivalent Water Height, EWH），从而估算全球和区域的水储量变化。

近年来，GRACE 数据已广泛应用于全球及区域的水文与气候研究。例如，研究者利用 GRACE 监测了格陵兰和南极冰盖的质量损失，评估了中国北方地下水的过度开采，并在流域尺度上分析了干旱与洪涝的水文响应。尽管已有大量应用研究，但如何在科研与教学中高效、直观地实现 GRACE 数据的处理与分析仍然是一个重要课题。

本文基于 Matlab 平台，构建了 GRACE 数据处理的一体化流程：包括重力场系数读取、均值去除、去相关滤波与高斯滤波、球谐合成和格网化，以及趋势与季节项拟合。通过对 2004—2010 年 GRACE 月解数据的处理，系统展示了全球水储量变化的时空特征。研究不仅验证了 GRACE 数据在水文监测中的可靠性，也为今后的水文与气候应用提供了可复用的方法框架。

系统设计

本系统基于 GRACE 卫星重力数据与球谐分析方法，实现全球总水储量变化（TWS, 等效水厚）的估算与分析。系统架构包括 数据读取、系数预处理、球谐合成和结果分析与可视化 四个模块。

图1 系统整体流程图

硬件配置

该系统硬件配置如上，如果您的电脑配置低于下述规格，运行速度可能会与本系统的存在差异，请注意。

表1 惠普(HP)暗影精灵10台式整机配置(系统硬件配置)

软件环境

对本实验所需的各类软件及工具的基本信息进行了清晰汇总。

表2 系统软件配置(真实运行环境)

运行展示

运行main.m

图2 gravity anomalies（重力异常）

由 GRACE 球谐系数合成的重力扰动（δg），单位 m/s²（或 mGal）。蓝色区域表示重力减弱（质量亏损），红色区域表示重力增强（质量增加）。可以看到南美、非洲和东南亚等地区存在显著的质量亏损，而亚洲中部和印度一带表现为质量增加，反映了区域性水储量的时空变化。

图3 total water storage（总水储量）

通过球谐合成并结合 Love 数修正得到的等效水厚 (EWH)，单位 mm。蓝色区域表示水储量下降（干旱或冰川消融），红色区域表示水储量上升（降水增加或蓄水）。从图中可见亚马逊流域、刚果盆地、印度恒河流域存在明显的水储量波动，与全球主要水文循环区相一致。

图4 geoid variations（大地水准面变化）

根据 GRACE 数据反演得到的大地水准面高变化，单位米。该量反映了地球重力场时变导致的参考椭球面高程起伏。蓝色区域对应水质量亏损导致的大地水准面下降，红色区域对应水质量增加导致的水准面上升。结果与 TWS 分布高度一致，验证了 GRACE 在质量迁移监测中的可靠性。