GRACE Mascon与水文模型在GNSS站坐标水文负载形变校正中的性能对比研究

《Geoforum》：A comparison of hydrological loading deformations from GRACE mascon and load models with reprocessed IGS station positions

本研究针对ITRF2020参考框架未考虑水文负载形变(HYLD)影响的问题，系统评估了GRACE Mascon、球谐系数(SH)产品和四种水文模型(LSDM/ERA5/GLDAS2/MERRA2)对IGS Repro3/Repro2站坐标季节性与非季节性位移的解释能力。结果表明，Mascon方案在垂直方向的振幅降低比(AMPR)达35.1%，显著优于水文模型(最高31.9%)，且沿海与内陆站性能差异最小，为提升参考框架季节性精度提供了重要依据。

　　

在全球卫星导航系统(GNSS)技术支撑的现代大地测量学领域，高精度地球参考框架(TRF)的建立始终面临环境负载效应的校正难题。尽管国际地球自转与参考系服务(IERS)最新发布的ITRF2020框架融合了多星座GNSS观测数据并改进了地球物理模型，但大气、非潮汐海洋和水文负载等环境效应仍未在GNSS时间序列处理中得到充分考虑。这一缺失严重限制了参考框架在季节性时间尺度上的精度提升，因为研究表明环境负载模型可解释约43%的GNSS垂直周年信号。其中，水文负载形变(HYLD)作为地壳形变的重要驱动因素，尤其需要精准建模。

传统上，水文负载研究主要依赖水文模型模拟土壤湿度、积雪等水文要素变化，但不同模型因输入数据和同化系统的差异，导致陆地水储量估算存在显著时空差异。2002年重力恢复与气候实验(GRACE)卫星的发射为水文负载研究带来了革命性突破，通过时变重力场测量可直接监测全球质量重新分布。GRACE提供的球谐系数(SH)产品和质量块(Mascon)解决方案为水文负载形变研究提供了新途径，但两者在GNSS位移解释性能上的系统性对比研究仍较为缺乏。同时，国际GNSS服务(IGS)第三次再处理(Repro3)数据集相比前代(Repro2)在模型和策略上的改进，其与水文负载的一致性优势也需量化评估。

为解决上述问题，武汉大学GNSS研究中心的研究团队在《Geoforum》发表了最新研究成果，系统比较了六种HYLD数据集（包括GRACE Mascon、SH产品以及LSDM、ERA5、GLDAS2、MERRA2四种水文模型）对全球GNSS站三维位移的解释能力。研究选取2002-2015年期间IGS Repro3和Repro2数据集中761个符合数据完整性要求的GNSS站，通过振幅降低比(AMPR)和均方根降低比(RMSR)两个核心指标，分别量化HYLD对季节性信号和非季节性信号的校正效果。

关键技术方法包括：采用谐波函数拟合分离GNSS位移和水文负载形变时间序列中的线性趋势、年周期和半年周期信号；通过振幅降低比计算季节性信号一致性，通过均方根降低比评估非季节性信号校正效果；基于海岸线距离划分内陆站(>50km)和沿海站(≤50km)进行区域对比分析；利用GRACE CSR RL06 Mascon产品和CSR RL06 SH产品计算水文负载形变，并采用负载格林函数方法进行位移转换。

4.1 季节性变化

在垂直分量上，Mascon方案表现出绝对优势，其中位数AMPR达到35.1%，显著高于水文模型(24.7%-31.9%)。空间分布显示Mascon在北美北部、南美北部和欧洲等地区与GNSS位移高度一致，特别是在亚马逊流域的SALU、BRFT等站点的AMPR超过90%。水平分量上各模型性能相当，东分量AMPR中位数为6.2%-6.8%，北分量为16.3%-22.8%。值得注意的是，包含地表径流数据的LSDM模型在亚马逊等河流主导区域表现优于其他水文模型。

4.2 非季节性变化

Mascon在垂直分量的非季节性信号校正中同样领先，RMSR中位数为4%，而水文模型均低于1%。水平方向的校正效果普遍较弱，表明水文负载对水平位移的非季节性影响较小，也可能受到GNSS观测误差(如卫星几何构型、电离层扰动等)的干扰。

4.3 内陆站与沿海站对比

沿海站的水文负载校正性能普遍低于内陆站，特别是在垂直分量上，水文模型在内陆站的AMPR比沿海站高10%-16%。这种差异主要源于沿海GNSS位移受到海洋负载的显著影响，以及水文模型在海岸线附近陆地水信号分离的局限性。而Mascon方案在内陆和沿海站的表现差异最小，证明其受海岸环境影响较小。

4.4 SH与Mascon对比

相比SH产品，Mascon在垂直分量的季节性校正性能提升4.3%，这主要归因于Mascon有效减弱了SH产品固有的条带误差和陆-海泄漏误差。在沿海区域，SH产品表现出更大的性能差异，进一步凸显了Mascon在海岸带水文负载估计中的优势。

4.5 Repro3与Repro2对比

新一代Repro3数据集在所有水文负载模型的校正中均表现出更高的一致性，特别是MERRA2模型的垂直AMPR从Repro2的23%提升至Repro2的30%。这表明Repro3采用的改进模型(如VMF3对流层延迟模型、更新的大洋潮汐负载模型等)有效提升了GNSS时间序列与水文负载信号的一致性。

研究结论表明，GRACE Mascon产品在水文负载形变估计中具有显著优势，特别是在垂直位移校正和沿海区域应用方面。这一发现对改进ITRF参考框架的季节性建模精度具有重要意义，为将水文负载校正纳入高精度GNSS数据处理流程提供了科学依据。同时，研究揭示了沿海区域水文负载建模的特殊挑战，以及新一代GNSS再处理策略在提升地球物理信号识别能力方面的潜力。未来研究需关注GRACE数据时间分辨率限制对短周期负载变化的捕捉能力，以及水平位移水文负载校正的优化方向。

这项研究不仅深化了对水文负载形变机制的理解，也为多源数据融合在大地测量中的应用提供了重要范例，对全球气候变化研究、水资源管理等领域具有广泛的应用价值。