Л.В. Зотов, Н.Л. Фролова, А.А. Телегина

МИЭМ ВШЭ, ГАИШ МГУ
wolftempus@gmail.com
Географический факультет МГУ
Frolova_nl@mail.ru
ИВП РАН
annatelegina29@yandex.ru

«Альманах современной метрологии» № 2 (3) 2015, стр. 142–158

Статья в полном объеме (PDF)

УДК 528.88, 556.042

Спутники-близнецы GRACE (Gravity Recovery And Climate Experiment) позволяют изучать аномалии распределения масс на основе данных по гравитационному полю Земли, получаемых ежемесячно с 2002 г. в виде коэффициентов Стокса разложения гравитационного потенциала. Временные вариации глобального гравитационного поля, измеряемые GRACE, привели к революции в гидрологии речных бассейнов благодаря тому, что гравитационное поле отражает перераспределения поверхностной и почвенной влаги, таяние льдов, выпадение осадков и испарение на больших территориях. Однако для использования данных GRACE необходима фильтрация шумов. Мы применяем многоканальный сингулярный спектральный анализ (МССА) для фильтрации данных GRACE и разделения главных компонент (ГК) с разными периодами. Усреднение данных по бассейнам пятнадцати крупнейших рек России показало, что весна 2013 года отличалась экстремальным снегонакоплением, а лето и осень 2014 были довольно сухими. Максимумы и минимумы, связанные с паводками на Амуре в 2013 г, засухой в бассейне Волги в 2010 г. и др., хорошо видны в наблюдениях GRACE и могут быть сопоставлены с данными гидрологических станций и гидрологическими моделями, такими как Global Land Data Assimilation System (GLDAS) или WaterGAP Global Hydrology Model (WGHM). Долгопериодические изменения, связанные с климатическими изменениями, отделены в ГК 2. Они показывают увеличение масс в районах вечной мерзлоты Сибири и уменьшение над Каспием.

Ключевые слова: гравитационное поле, GRACE, космическая гравиметрия, МССА, речной сток, влагозапас.

Цитируемая литература

1. Case K., Kruizinga G., Sien-Chong Wu. GRACE Level 1B Data Product User Handbook, 2004, ftp://podaac.jpl.nasa.gov/pub/grace/doc/Handbook_1B_v1.2.pdf

2. Tikhonov A.N., Leonov A.S., Yagola A.G. Nonlinear Ill-Posed Problems, Chapman and Hall. N.Y., London, 1998.

3. Wang Y.F., Yagola A.G., Yang C.C. Computational Methods for Applied Inverse Problems, De Gruyter & // Higher Education Press. Beijing, 2012.

4. Bettadpur S. Level-2 Gravity Field Product User Handbook. ftp://podaac.jpl.nasa.gov/pub/grace/doc/L2-UserHandbook_v2.3.pdf, 2007.

5. Пантелеев В.Л. Теория фигуры Земли. Курс лекций. 1990 http://lnfm1.sai.msu.ru/grav/russian/lecture/tfe/index.html, 2000.

6. Сагитов М.У. Лунная гравиметрия. М.: Наука, 1979.

7. Kenyon S. et al. Toward the next Earth gravitational model // SEG Annual Meeting, San-Antonio, 2007.

8. Paulson A., Zhong S. & Wahr J. Inference of mantle viscosity from GRACE and relative sea level data // Geophys. J. Int., 171, 497, 2007.

9. Wahr J., Molenaar M. and Bryan F. Time variability of the earth’s gravity field: Hydrological and oceanic effects and their possible detection using grace // J. of Geophys. Res.: Solid Earth, 103 (B12), p. 30,205BЏ30,229, doi:10.1029/98JB02844, 1998.

10. Klees R., Revtova E., Gunter B. et al. The design of an optimal filter for monthly GRACE gravity models // Geophys. J. Int., 175(5768), (2008), p. 417–432.

11. Kusche J., Schmidt R., Petrovic S. et al. Decorrelated GRACE time variable gravity solutions by GFZ and their validation using a hydrological Model // J. of Geodesy, 83, p. 903–913, 2009.

12. Duan X., Guo J., Shum C. and W. van der Wal. Towards an optimal scheme for removing correlated errors in GRACE data // J. Geodesy, 83, 1095В–1106, DOI 10.1007/s00190-009-0327-0, 2009.

13. Guo J., Duan X. and Shum C. Non-isotropic filtering and leakage reduction for determining mass changes over land and ocean using GRACE data // Geophys. J. Int., 181, 290В–302, doi:10.1111/j.1365-246X.2010.04534.x, 2010.

14. Swenson S. and Wahr J. Post-processing removal of correlated errors in GRACE data // Geophys. Res. Letters, 33, L08402, doi:10.1029/2005GL025285, 2006.

15. Rangelova E., W van der Wal., Braun A. et al. Analysis of GRACE time-variable mass redistribution signals over North America by means of principal components analysis // J. of Geophys. Res., 112, F03002, 2007.

16. Schrama E., Wouters B., Lavallee D. Signal and noise in Gravity Recovery and Climate Experiment (GRACE) observed surface mass variations // J. of Geophys. Res., 112, B08407, doi:10.1029/2006JB004882, 2007.

17. Wouters B., Schrama E. Improved accuracy of GRACE gravity solution through empirical orthogonal function filtering of spherical harmonics // Geophys. Res. Letters, 34, L23711, doi:10.1029/2007GL032098, 2007.

18. Rangelova E., Sideris M. Contributions of terrestrial and GRACE data to the study of the secular geoid changes in North America // J. of Geodynamics, 46, 2008, pp. 131–143.

19. Boergens E., Rangelova E., Sideris M.G. and Kusche J. Assessment of the capabilities of the temporal and spatiotemporal ICA method for geophysical signal separation in GRACE data // JGR, 119, 4429В–4447, doi:10.1002/2013JB010452, 2014.

20. Zotov L., Shum C.K. Singular spectrum analysis of GRACE observations. AIP Proceedings of the 9th Gamow summer school, Odessa, 2009.

21. Rangelova E. et al. Spatiotemporal Analysis of the GRACE-Derived Mass Variations in North America by Means of Multi-Channel Singular Spectrum Analysis. IAG Symposia 135, Springer, Berlin/Heidelberg, 2010.

22. Ghil M., Allen R.M., Dettinger M.D. et al. Advanced spectral methods for climatic time series // Rev. Geophys. 40(1), 3.1-3.41, 2002.

23. Jollife I.T. Principal Component Analysis, Springer, New York, 2001.

24. Golyandina N., Nekrutkin V., Zhigljavskyet A. Analysis of time series structure: SSA and related techniques, Chapman & Hall/CRC, N.Y. — London. 2001.

25. Голяндина М. Метод «гусеницы-ССА»: анализ временных рядов. СПб: BBM, 2004.

26. Zotov L. Application of Multichannel singular spectrum analysis to geophysical fields and astronomical images // Advances in Astronomy and Space Physics, 2, 82–84, 2012.

27. Зотов Л.В. Регрессионные методы прогнозирования вращения Земли // Вестник Московского университета, 2005, серия физика, астрономия, 5, с. 64–68.

28. Зотов Л.В. Теория фильтрации и обработка временных рядов // Курс лекций. М.: Физический факультет МГУ, 2010.

29. Reager J.T., Thomas B.F., Famiglietti J.S. River basin flood potential inferred using GRACE gravity observations at several months lead time // Nature Geoscience, doi:10.1038/ngeo2203, 2014.

30. Яшкин С.Н. Cпутниковая градиентометрия и системы спутник-спутник. М.: МИИГАиК, 2009.

31. Barriopedro D., Fischer E.M., Luterbacher J., Trigo R.M., Garcia Herrera R. The Hot Summer of 2010: Redrawing the Temperature Record Map of Europe. Science, DOI: 10.1126/science.1201224, 2011.

32. Frappart F., Papa F., Guntner A., Ramillien G., Prigent C., Rossow W., Bonnet M. Interannual variations of the terrestrial water storage in the Lower Ob’ Basin from a multisatellite approach // Hydrol. Earth Syst. Sci., 14, 2443–2453, 2010.

33. Landerer F., Dickey J., Zlotnicki V. Terrestrial water budget of the Eurasian pan-Arctic from GRACE satellite measurements during 2003–2009 // J. of Geophys. Res.: Atmospheres, 115 (D23), D 23115, doi:10.1029/2010JD014584, 2010.

34. Zonn I.S., Glantz M.H., Kostianoy A.G. and Kosarev A.N. The Caspian Sea Encyclopedia, Springer, Berlin — London, 2010.

35. Отчет об особенностях климата на территории Российской Федерации. Гидрометеорологический центр РФ, http://www.meteoinfo.ru/climate (2013).

Статья в полном объеме в Научной электронной библиотеке eLIBRARY.
Оформить подписку и купить печатные номера журнала у издателя.