GRACE重力卫星介绍

前言

地球重力场反映了地球物质的空间、运动和变化。重力场随时间的变化以及发展趋势的研究，是大地测量学的基础研究之一，也是解决自然灾害问题和研究人类地球资源趋势的重要信息。一般地球重力场的变化是由于质量引起的，变化的尺度为几十年或几年甚至更短，主要是由于陆地水储量的变化等因素引起。GRACE作为一种高精度的新型遥感监测工具，能够监测到地球表层和地球内部的质量变化，为陆面水储量的估算提供了新的途径。

GRACE重力卫星介绍

重力场恢复与气候试验(Gravity Recovery and Climate Experiment,GRACE)由美国宇航局（NASA）和德国空间局（DLR）共同合作完成。GRACE重力卫星于2002年3月17日发射，预期寿命5年，一直服役到2017年坠毁。为了继续收集地球重力场变化的数据，2018年5月22日成功发射了GRACE-FO重力卫星。迄今为止，已经收集了近20年地球重力场变化的数据，极大促进了地球科学多个领域，包括全球海平面变化、极地冰盖与高山冰川消融、生态水文以及固体地球等多个领域的发展。

监测原理

GRACE卫星采用双星卫星跟踪卫星（低-低）模式，两颗卫星同轨运行并保持约220km的轨道距离，卫星轨道式近极圆轨道，轨道倾角为89.5度，轨道高度为500km，后期下降至300km左右。GRACE卫星进行重力测量的关键荷载是双星携带的K波段测距（KBR）仪和星载GPS接收机，KBR可精确测量两重力卫星间的距离和距离变化率，其测量精度于距离变率高到10um/s、0.1um/s，而GPS可以确定卫星的位置。GRACE双星在运行时通过S波段的无线电波向地面传输GPS掩星测量数据和重力场相关测量数据。对数据进行降噪后就能通过微小的距离变化反推出不同区域的重力。

以下是数据处理流程

数据产品介绍

由于GRACE重力卫星在监测地表重力异常的巨大潜力，越来越多的机构和研究者投入到GRACE重力卫星数据的反演和监测研究中。主流的研究机构主要是美国国家航空局宇宙航空局喷气推进实验室（Jet Propulsion Laboratory，JPL）、美国德克萨斯大学空间研究中心（Center for space research, CSR）、美国戈达得空间飞行中心（Goddard Space Flight Center，GSFC）以及德国地学中心（Geo Forschungs Zentrum, GFZ）。

数据产品级别

根据对原始数据处理深度的不同，GRACE的数据产品主要分为Level-0, Level-1, Level-2和Level-3等。其中Level-0数据是通过GRACE原始数据中心（RDC）对卫星数据的接受、记录、分解而得的自动测量记录的数据结果；Level-1A数据是对LeveL-0数据非破坏性的处理结果，LeveL-1B数据是对Level-1A数据处理得到的，数据会被标上正确的时间、剔除异常值，该过程是不可逆的；Level-2是在Level-1的基础上处理得到，主要包括不同类型的月重力场模型：GSM、GCM、GAA、GAB、GAD等，分别表示只由GRACE数据建立起来的静态重力场模型、由GRACE联合地面监测数据建立的静态重力场模型、由一种背景模型计算的无大气潮、无海潮、无大气潮河海潮、联合海底压强的重力场模型。

重力场模型	背景
GSM	大地水准面模型的球谐位系数
GAA	高频大气模型对应的球谐位系数
GAB	高频海洋模型对应的球谐位系数
GAC	大气海洋模型对应的球谐位系数（全球）
GAD	大气海洋模型对应的球谐位系数（海洋）

陆面水储量的反演

地球表面密度变化

地球表面及其内部物质质量的重新分布，会导致地球重力场的变化。而地球表面物质质量的变化又与地球表面的密度变化密切相关，故利用地球表面密度变化来表征地球的重力场的变化情况：

• 其中：l,m分别为地球重力场的阶数和次数； 为地球赤道平均半径； 是地球余纬度（0°~180°）， 是经度； 是无量纲的地球重力位系数的变化量， 是归一正则化的缔合勒让德系数； 是地球的平均密度（）; 为l阶负荷勒夫数。当 除以水的密度（），就可以将地球表面密度变化转化为等效水的高度变化 。即：

质量块方法(Mascon solution)

Mascon的全称是Mass Concertration, 是一种点质量的概念，最早是再行星表面质量异常引起重力场变化的研究中提出的。Mascon方法则是根据一定规则将研究区划分为若干个块体，且任意一个块体内部的质量均匀分布，相应的质量变化即为反映地表质量变化的Mascon参数，用一系列Mascon参数描述相对于先验重力场模型的区域地表质量异常分布，每一个Mascon参数反映特定时间特定区域地表质量的亏损或盈余。

球谐系数法

待补充

陆面水储量数据下载

基于GRACE重力卫星反演的陆面水储量的数据主要有三家发布机构，其对应的网址如下：

发布机构	网址
CSR	https://www2.csr.utexas.edu/grace/RL06_mascons.html
JPL	https://search.earthdata.nasa.gov/search
GSFC	https://earth.gsfc.nasa.gov/geo/

其中德国波茨坦地学中心|的数据作为补充，具体细节及差异后续再补充。

JPL数据产品

1. 优势

JPL mascon添加了全球的地球物理模型和高程观测的先验数据，相比于传统的球谐系数方法，它具有更为严谨的去除噪声的地球物理约束方法，它没有添加任何其它的经验滤波方法，所以相比于球谐系数有更好的信噪比。

3. 下载全球陆面水储量数据集

左边数据栏中描述了该数据集的基本信息：

information: version: 02 Processing Level: 3 Start/Stop Date: 2002-Apr-04 to Present Short Name: TELLUS_GRAC-GRFO_MASCON_CRI_GRID_RL06_V2 Descripition: DOI: Measurement: Platform/Sensor: Project: Data Provider: Format: netCDF4 keywords:

Coverage:

Spatial Resultion: 0.5°(Latitude) 0.5° Temporal Resultion: Monthly -< Annual Coverage: GLOBAL(N:90° S：-90° E：180° W：-180°) Projection: Projection Type: Equal Area Spherical Lat-Lon Projection Ellipsoid: WGS 84

• capabilities-->download，单击下载

• 或者Access->Search Granules

跳转到美国宇航局earth data数据仓库中，进行下载。

Note:需要提前注册好美国宇航局earth data的账号，并勾选data archieve选项，以确保远程下载数据时有访问数据的权力。

• 借助下载工具下载

比如wget或者官方提供的下载工具。我一般用前两种方式以及wget下载，这一种本人也没有尝试过。感兴趣可以自行了解。

CSR数据产品

1. 优势

CSR RL06 Mascon版本同JPL和GSFC Mascon产品一样，考虑了椭球效应，它是基于RL06二级球谐系数产品解算的。它的处理包含C20替换，一阶项改正和GIA改正，并且在海洋研究中，添加回了GAD（大气海洋模型）产品。此外，对于GRACE-FO产品，CSR Mascon还替换了C30项。与JPL Mascon相同，CSR Mascon也没有经过任何的经验滤波，它是在正则化约束下计算的Mascon解的，采用TiKhonov正则化方法和L-ribboon方法计算正则化参数。

2. 进入官网页面

进入官网页面以后，先了解一下该数据集的基本信息：

Date Span: April 2002 to Aug 2022

• New Mascon Grid :

RL06 Mascon solutions uses a newly defined grid as compared to the RL05 version. In this new grid, the hexgonal tiles that span across the coastline are split into two tiles along the coastline to minimize the leakage between land and ocean signals.

• Estimation resolution :

The data are represented on a 1/4 degree lon-lat grid, but they represent the equal-area geodesic grid of size 1x1 degree at the equator, which is the current native resolution of CSR RL06 mascon solutions. The RL06 grid files were released as 1/4 degree (instead of 1/2 degree in the case of RL05) so that the coastlines as defined in the new RL06 mascon grid could be represented properly

• Processing standards :

CSR RL06 GRACE and GRACE-FO Mascons are estimated with the same standards as the CSR RL06 Spherical harmonics solutions using GRACE Level-1 observations. Please visit the RL06 processing details page

• Regularization :

These mascon solutions are computed in presence of regularization constraint which is derived purely from GRACE and GRACE-FO information. No external model or data is used to inform the constraint matrix. Tikhonov regularization is used along with L-ribbon approach to compute the regularization parameter.

• No empirical filtering :

No additional smoothing or empirical de-striping or filtering applied to this data. The users should not apply any additional filtering or scaling factors to these solutions. These global solutions are not tailored towards a particular application and hence the solution set is applicable to all science areas of interest ie., oceanography, land surface hydrology, cryosphere, etc.

• Anomaly baseline :

The GRACE and GRACE-FO anomalies reported in these mascon solutions are relative to a 2004.0000 - 2009.999 mean baseline.

• Resolution :

Please note that while these solutions are estimated on a native resolution of about 120km wide cells, that is likely not the resolution of these GRACE/GRACE-FO solutions. The resolution of these solution is limited by the band-limited nature of GRACE/GRACE-FO. While we have not applied any implicit spatial smoothing, the users must exercise caution when using these solutions in basins smaller than approximately 200,000 km^2. Moreover, these solution should be used to perform basin level time-series analysis and never be used for analysis at a single grid point.

Representation on Ellipsoidal Earth :

CSR RL06 v02 mascon grids have been corrected for representation on ellipsoidal earth of semi-major axis of 6378.1363 km. The ellipsoidal correction for mass anomaly grid representation has been applied as described by Ditmar 2018 (https://doi.org/10.1007/s00190-018-1128-0). This correction was applied seperately for land and ocean to prevent any leakage of the land signal correction into the ocean.

3. 下载数据

这里分别提供GRACE(2002-April to 2018-April), GRACE/GRACE FO(2012-April to 2022-Oct)的数据, 我们直接下载全部数据即可。

CSR RL06 Mascon Solutions(version 02) -> CSR_GRACE-CRACE-FO_RL06_Mascons_all-corrections_v02.nc

Note:如果点击后下载失败，可复制下载链接在一个新的网页里打开。

GSFC数据产品

1. Features

GSFC Mascon给出的是10天时间采样和1°等面积空间采样的格网产品，是基于星间距数据通过正演迭代的方式得到的，主要用于监测高纬度地区陆地冰雪质量的变化。GSFC Mascon产品在L1B级数据处理中应用的海洋模型为MODG2D，与球谐系数不同（OMCT）。

2. 进入官网页面

• 数据描述信息

Name: GSFC.glb.200204_202207_RL06v2.0_OBP-ICE6GD_HALFDEGREE.nc

Data Span: April 2002 – July 2022

Summary: Global mascon solution where the GAD product has been restored, meaning the ocean mascons describe ocean bottom pressure (OBP). This product is comparable to the JPL and CSR mascon products. The 1-arc-degree equal area values have been placed on an equal angle 0.5x0.5 degree grid. Land values are determined with a least squares estimator that conserves mass over each region, while ocean values have been interpolated/extrapolated.

Grid: 0.5x0.5 degrees

3. 下载数据

进入Data页面后，Monthly mascon products -> ASCII, 点击即可完成对数据的下载。

数据可视化

这里用到NASA提供的数据预览工具（Panoply）对数据进行展示。

JPL数据预览

CSR数据预览

GSFC数据预览

问题汇总

1. 点击数据链接后无反应

可能受网络环境的影响，点击链接后不能链接到数据仓库。一种是可以尝试科学上网，设置全局代理后，看看能不能下载成功。另一种是直接复制下载链接，新建网页后复制到网页中，进行打开。

2. 网站提供的数据集太多，不知道下载哪一个

建议多看看相关的下载数据的教程和文章。

结束语

GRACE重力卫星的成功发射，为我们认识自然世界、研究自然规律提供了一种新的视角。目前，越来越多的研究者们开始利用GRACE反演的数据来观测冰川、水文、海洋等要素的时空变化特征。但考虑到Mascon产品的真实空间分辨率仍然限制在3° 3°，故它的适用范围均在全球、海洋以及大型流域等水体的重力变化上，而对于小尺度的水文流域（），应当谨慎使用。