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重力卫星揭露华北地下水亏损曲线

2018-06-14 06:48:00来源:北京赛车门户网

  应用GRACE卫星丈量的华北地域公开水储质变化表示图。

  图/中国科学院丈量与地球物理研讨所

  GRACE及GRACE-FO均采用两颗卫星成组运转的方式,应用卫星距离的变化反演地球重力场的变化。图/NASA网站

  北京时间5月23日,两颗美国“重力恢复与气候实验后续”卫星(Gravity Recovery and Climate Experiment Follow-On,以下简称 GRACE-FO)在范登堡空军基地由猎鹰9号火箭发射升空。它们将接替2017年10月退役的两颗GRACE卫星,继续探测地球重力场变化。

  地球重力场及其变化,反映了地球内部密度结构和质量的变化。依据GRACE提供的数据,科学家观测到了南北极冰盖消融、喜马拉雅地域冰雪消融、海平面上升,以及全球范围公开水储量的变化。

  NASA(美国航空航天局)征引的一项外洋研讨结果标明,全球大型的公开水存储区域中,有三分之一正在被超采。而这些地域还剩下几公开水,很长时间内并没有精确数据,也不知道何时会耗尽。从2002年起,GRACE这双“天眼”为全球科学家观测公开水储量提供了牢靠的数据,辅佐人类看清了公开水的变化。

  在中国,多个研讨团队均应用了GRACE持续性的观测数据,对华北平原等公开水漏斗区中止了研讨。

  中国科学院丈量与地球物理研讨所冯伟博士团队是其中较早的一支。他们的研讨结果标明,华北平原每年公开水超采抵达60亿-80亿吨,其中大多数尴尬以恢复的深层公开水。

  华北平原成世界最大公开水“漏斗区”

  今年5月,瑞士公开水专家金士博的一个演讲视频在网络广为传播。他在演讲中发出正告:“华北平原公开水超采的量,大到以至能够从卫星上监测到。”

  金士博从1979年起在中国做公开水有关的工作,那时中国公开水水位还很高,水面离空中很近。而到了上世纪80年代,状况对峙不下,当地农民抽公开水灌溉粮食以后,公开水水位以每年0.5到1米的速度降落。

  金士博并非卫星专家,其征引的数据和图表,来自于位于武汉的中国科学院丈量与地球物理研讨所冯伟博士团队的一项研讨。

  该研讨主要采用的就是GRACE的监测数据,且是全球最早应用该卫星资料研讨华北平原公开水的。

  在今年4月发表在《遥感》期刊上的论文中,冯伟团队引见了基于GRACE对中国三个地域公开水储质变化的研讨成果,包括华北平原、东北的辽河流域和新疆塔里木盆地。研讨结果显现,2002-2014年,华北平原公开水储量亏损速率为-7.4±0.9km3·a-1。也就是说,华北平原每年有60亿-80亿吨公开水亏损,并且处于长期持续亏损的状态。

  华北平原公开水超采,并不是新问题了。但卫星提供了一个全新、精确的观测伎俩。原环保部和疆土资源部发布的《全国公开水污染防治规划(2011-2020年)》显现,截至2011年,华北平原东部深层承压公开水水位降落漏斗面积达7万多平方公里,部分城市公开水水位累计降落达30-50米,局地累计水位降落超越100米,已然成为世界最大的公开水“漏斗区”。

  中国地质科学院水文地质情况地质研讨所所长石建省接受媒体采访时表示,华北一些城乡集中供水的水井曾经打到500米深,开采到了数百万年前地质历史时期构成的公开水。这些水像化石资源一样,很难更新、循环迟缓,假如不严厉管理,结果会很严重。

  外太空“天眼”监测公开水演化

  2002年,德美两国协作的卫星发射升空,以两颗卫星编队方式,在距离空中400多公里的轨道上运转。

  “它们就像《猫和老鼠》里的汤姆和杰瑞,在太空中相互‘追逐’。”冯伟形容。GRACE卫星采用了微波测距技术,当卫星所对的地球重力场发作变化,两个卫星的距离将随之发作细微改动,时近时远,丈量误差小于0.1个微米,相当于头发直径的百分之一。

  依据两颗卫星的距离变化,研讨者能够反演推算出地球重力场发作的改动。而地球重力场变化则是物质迁移招致的,包括水储量、冰川质量、海水质量的变化等。

  在降水较多的地域,例如中国华南,地球重力场主要由于地表水和土壤水的变化招致。而在相对干旱的地域,公开水变化是影响地球重力场变化的重要要素之一。因而,在诸如中国华北平原的干旱地域,GRACE观测数据能够很好地反映公开水的演化。

  研讨者经过GRACE监测的地球重力变化估量出总的水质质变化,再分离其他实测与模型资料,进一步扣除地表水和土壤水的影响,就能够定量监测公开水的变化状况。

  自第一代GRACE卫星升空后,15年间,全世界的科学家应用GRACE数据中止了持续的公开水储质变化的监测,包括印度北部地域、美国加州中央山谷地域和中东地域等全球著名的公开水“漏斗区”。

  “GRACE已成为监测全球大中尺度公开水变化的独一观测伎俩。”冯伟说。

  而华北平原在14万多平方公里的区域上,构成了7万平方公里的大“漏斗”,水资源供需态势之严峻,吸收了全球多国科学家展开研讨。

  据悉,除了微波测距系统外,最新发射升空的GRACE-FO还搭载了激光测距系统,其观测精度抵达纳米量级,比微波提升了三个数量级。

  提示深层公开水亏损现状

  冯伟第一次借由GRACE数据算出华北公开水储量时,颇感震惊。“我没有想到华北状况这么严重,是全国GRACE卫星信号最大的地域之一。”

  GRACE对公开水储量监测的意义,在于提供了相对独立有效且易于获取数据的监测伎俩。

  在GRACE投入运用之前,传统公开水监测伎俩包括空中水井监测和水文建模。据冯伟引见,水井监测的人力物力本钱较高,监测范围通常较为有限。且由于多部门分别建有各自的监测站点,数据却没有充沛共享,学术界做研讨时有时很难拿到数据。

  应用水文模型研讨公开水也有缺乏。模型的牢靠性依赖于良好的水文地质参数和牢靠的实测资料,例如土壤渗透系数和贮水系数等,精确性受外部影响较大。

  而GRACE的一大贡献,就是对深层公开水亏损“贡献度”的提示。

  冯伟说,国度公开水公报通常只发布浅层公开水的状况,即华北每年亏损约十几亿吨公开水,但基于卫星数据测算结果为年均60亿-80亿吨,这意味着深层公开水的亏损量是浅层公开水的5-6倍。

  经过全球导航卫星系统和合成孔径雷达干预等技术对地表形变的监测,研讨者发现,我国华北地域的大面积沉降主要集中在中东部平原地域,这些地域的空中沉降,主要由深层公开水严重超采所致。

  ■ 亮点

  下一代重力卫星将采用“双轨道四星”方式

  固然贡献突出,GRACE也有局限性,主要是受制于观测精度和轨道设计,其分辨率仅为300公里左右,无法提供更高分辨率的区域公开水储量空间变化信息。

  不过随着GRACE-FO卫星的发射和下一代重力卫星计划的实施,重力卫星有望提供更高时空分辨率的全球重力场模型,拓展重力卫星的水文学应用范围。

  本月中国发射了一颗嫦娥工程中继卫星“鹊桥号”,正飞向距离地球约46万公里的地月拉格朗日L2点。“鹊桥号”携带了一台能中止激光测距实验的激光反射器,这是中山大学引力波探测计划“天琴计划”的一部分,该计划明白提出了双星激光测距重力卫星的计划。

  冯伟表示,双星计划都属于第一代重力卫星。5月15日-17日,在武汉召开的“中欧下一代重力卫星谐和会议”上,中欧科学家共同讨论了下一代重力卫星计划的科学模仿与技术预研。

  冯伟透露,“双轨道四星”的下一代重力卫星方式已基本肯定。它们将构成两对“天眼”,极大地进步观测精度和时空分辨率,有望在大地丈量学、水文学、地球物理学、冰冻圈科学、海洋学和大气科学等范畴产生更多开创性的科学成果。(记者 倪伟)

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卫星地下水