Inversion of Regional Terrestrial Water Storage Using GNSS Observations Considering Impact of Far-Field Hydrological Loading： A Case Study in the Sichuan-Yunnan Region， China

LIU Bin; ZHOU Can; RAO Weilong; FENG Tengfei; CHEN Jinjin

doi:10.13203/j.whugis20240371

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Inversion of Regional Terrestrial Water Storage Using GNSS Observations Considering Impact of Far-Field Hydrological Loading： A Case Study in the Sichuan-Yunnan Region， China

Geodetic Hydrological Inversion | 更新时间：2026-11-05

- Inversion of Regional Terrestrial Water Storage Using GNSS Observations Considering Impact of Far-Field Hydrological Loading： A Case Study in the Sichuan-Yunnan Region， China
- Geomatics and Information Science of Wuhan University Vol. 51, Issue 6, Pages: 1156-1165(2026)
- 作者机构：
  
  1.长沙理工大学公路地质灾变预警空间信息技术湖南省工程实验室，湖南长沙，410114
  2.长沙理工大学航空工程学院，湖南长沙，410114
  3.湖南省计量检测研究院，湖南长沙，410014
- 作者简介：
- 基金信息：
- DOI：10.13203/j.whugis20240371
  CLC： P228
- Received：20 February 2025，
  
  Published：05 June 2026
- 稿件说明：
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刘斌,周灿,饶维龙，等.顾及远场水文负荷影响的区域GNSS陆地水储量反演：以川滇地区为例[J].武汉大学学报（信息科学版）,2026,51(6):1156-1165.

LIU Bin,ZHOU Can,RAO Weilong,et al.Inversion of Regional Terrestrial Water Storage Using GNSS Observations Considering Impact of Far-Field Hydrological Loading: A Case Study in the Sichuan-Yunnan Region, China[J].Geomatics and Information Science of Wuhan University,2026,51(6):1156-1165.
刘斌,周灿,饶维龙，等.顾及远场水文负荷影响的区域GNSS陆地水储量反演：以川滇地区为例[J].武汉大学学报（信息科学版）,2026,51(6):1156-1165. DOI：,10.13203/j.whugis20240371

LIU Bin,ZHOU Can,RAO Weilong,et al.Inversion of Regional Terrestrial Water Storage Using GNSS Observations Considering Impact of Far-Field Hydrological Loading: A Case Study in the Sichuan-Yunnan Region, China[J].Geomatics and Information Science of Wuhan University,2026,51(6):1156-1165. DOI：,10.13203/j.whugis20240371

摘要

在利用全球导航卫星系统（global navigation satellite system，GNSS）位移数据进行区域陆地水储量（terrestrial water storage

TWS）反演研究中，一般通过拓展区域边界来顾及一定范围内的水文负荷变化影响，而忽略了GNSS站点位移受到的远场水文负荷效应影响。若直接利用包含远场负荷贡献的GNSS位移信息进行区域TWS反演，则其中包含的全球尺度信号与区域反演模型所描述的局部特征并不匹配。利用全球陆地数据同化系统（global land data assimilation system

GLDAS）和GRACE（gravity recovery and climate experiment）数据计算川滇地区GNSS站点处的水文负荷位移；进一步利用剔除了远场水文负荷影响的GNSS位移反演川滇地区TWS变化。结果显示，远场水文负荷引起的GNSS站点垂直位移最高可达约2.3 mm；利用GLDAS和GRACE计算的顾及远场效应的TWS反演结果平均振幅分别减小21.0%和25.4%，更加趋近GLDAS与GRACE结果；两种反演格网内等效水高序列与GRACE和GLDAS对应序列有着更高的相关性，与二者结果的差值均方根值都有不同程度减小。研究表明，在川滇地区进行区域TWS反演时，必须顾及并改正远场水文负荷的影响，以消除空间尺度失配导致的系统偏差，提升反演结果的可靠性。

Abstract

Objectives

In the inversion of regional terrestrial water storage (TWS) using global navigation satellite system (GNSS) data

it is common to expand the boundary of the study area to account for hydrological loading variations. However

the effects of far-field hydrological loading on GNSS stations are often overlooked. GNSS displacement data are applied in the inversion of regional terrestrial water storage

but the far-field loading contributions in GNSS data may lead to a mismatch between global-scale signals and the local characteristics of the regional inversion model.

Methods

Based on the observation data from 49 GNSS stations in the Sichuan–Yunnan region

China

hydrological loading displacements are calculated using both global land data assimilation system （GLDAS) and gravity recovery and climate experiment (GRACE) data

and the loading effects are divided into local-field

near-field

far-field

and total-field components. Simulation experiments and inversion analysis by real GNSS observations are carried out. The inversion results before and after far-field correction are compared with GLDAS and GRACE data.

Results

With GLDAS data as the global hydrologic loading

the displacement amplitudes of GNSS sites from local

near

and far fields can reach 3.8 mm

1.6 mm

and 2.3 mm

respectively. Simulations using GLDAS-calculated site displacement show that the inversion results after removing far-field effects correlate most closely with GLDAS hydrologic loading scenarios

achieving a correlation of 0.98. After removing the far-field effect using GLDAS and GRACE

the extended inversion using GNSS data shows that the average amplitude of TWS inversion results is reduced by 21.0% and 25.4%

respectively. The grid equivalent water height series in the two inversions accounting for far-field effects have a higher correlation with those in GRACE and GLDAS than in the extended inversion.

Conclusions

In the inversion of TWS in Sichuan-Yunnan region using vertical GNSS observations

the displacements caused by far-field hydrological loading cannot be ignored

and the far-field effect needs to be corrected while expanding the boundary inversion to ensure the accuracy of the inversion results.

关键词

Keywords

references

RODELL M ， FAMIGLIETTI J S ， WIESE D N ， et al . Emerging Trends in Global Freshwater Availability ［J］. Nature ， 2018 ， 557 （ 7707 ）： 651 - 659 .

熊景华，郭生练，王俊，等 . 长江流域陆地水储量变化及归因研究［J］. 武汉大学学报（信息科学版）， 2024 ， 49 （ 12 ）： 2241 - 2248 .

XIONG Jinghua ， GUO Shenglian ， WANG Jun ， et al . Variation and Attribution of Terrestrial Water Storage in the Yangtze River Basin ［J］. Geomatics and Information Science of Wuhan University ， 2024 ， 49 （ 12 ）： 2241 - 2248 .

成思雨，吴云龙，刘素兰，等 . 融合注意力机制的水储量异常重构与干旱识别［J］. 武汉大学学报（信息科学版）， 2025 ， 50 （ 7 ）： 1382 - 1392 .

CHENG Siyu ， WU Yunlong ， LIU Sulan ， et al . Reconstruction of Water Storage Anomalies and Drought Identification Using Integrated Attention Mechanism ［J］. Geomatics and Information Science of Wuhan University ， 2025 ， 50 （ 7 ）： 1382 - 1392 .

李霞，高艳红，王婉昭，等 . 黄河源区气候变化与GLDAS数据适用性评估［J］. 地球科学进展， 2014 ， 29 （ 4 ）： 531 - 540 .

LI Xia ， GAO Yanhong ， WANG Wanzhao ， et al . Climate Change and Applicability of GLDAS in the Headwater of the Yellow River Basin ［J］. Advances in Earth Science ， 2014 ， 29 （ 4 ）： 531 - 540 .

刘任莉，佘敦先，李敏，等 . 利用卫星观测数据评估GLDAS与WGHM水文模型的适用性［J］. 武汉大学学报（信息科学版）， 2019 ， 44 （ 11 ）： 1596 - 1604 .

LIU Renli ， SHE Dunxian ， LI Min ， et al . Using Satellite Observations to Assess Applicability of GLDAS and WGHM Hydrological Model ［J］. Geomatics and Information Science of Wuhan University ， 2019 ， 44 （ 11 ）： 1596 - 1604 .

瞿伟，陈沛男，张普方，等 . GRACE/GRACE-FO揭示黄河上游2002—2022年GWS及可持续性时空演化［J］. 武汉大学学报（信息科学版）， 2024 ， 49 （ 8 ）： 1287 - 1299 .

QU Wei ， CHEN Peinan ， ZHANG Pufang ， et al . Spatiotemporal Changes of GWS Changes and Their Sustainability in the Upper Reaches of the Yellow River Basin from 2002 to 2022 Revealed by GRACE/GRACE-FO Observations ［J］. Geomatics and Information Science of Wuhan University ， 2024 ， 49 （ 8 ）： 1287 - 1299 .

禤键豪，张兴福，陈秋杰 . GRACE/GRACE-FO重力卫星揭示近20年河西走廊陆地水储量时空变化［J］. 地球物理学进展， 2024 ， 39 （ 1 ）： 100 - 110 .

XUAN Jianhao ， ZHANG Xingfu ， CHEN Qiujie . Spatiotemporal Terrestrial Water Storage Changes in the Hexi Corridor Derived by GRACE/GRACE-FO Gravity Satellites over the Past 20 Years ［J］. Progress in Geophysics ， 2024 ， 39 （ 1 ）： 100 - 110 .

张仕泽，王正涛，许婷 . 利用LSTM重构与预报珠江流域长时序陆地水储量变化［J］. 测绘地理信息， 2025 ， 50 （ 6 ）： 113 - 119 .

ZHANG Shize ， WANG Zhengtao ， XU Ting . Reconstruction and Prediction of Long Term Terrestrial Water Storage Change in the Pearl River Using LSTM Network ［J］. Journal of Geomatics ， 2025 ， 50 （ 6 ）： 113 - 119 .

ARGUS D F ， FU Y N ， LANDERER F W . Seasonal Variation in Total Water Storage in California Inferred from GPS Observations of Vertical Land Motion ［J］. Geophysical Research Letters ， 2014 ， 41 （ 6 ）： 1971 - 1980 .

WU X P ， HEFLIN M B ， IVINS E R ， et al . Large-Scale Global Surface Mass Variations Inferred from GPS Measurements of Load-Induced Deformation ［J］. Geophysical Research Letters ， 2003 ， 30 （ 14 ）： 2003GL017546 .

SHEN Y C ， YAN H M ， PENG P ， et al . Boundary-Included Enhanced Water Storage Changes Inferred by GPS in the Pacific Rim of the Western United States ［J］. Remote Sensing ， 2020 ， 12 （ 15 ）： 2429 .

ZHANG B ， YAO Y B ， FOK H S ， et al . Potential Seasonal Terrestrial Water Storage Monitoring from GPS Vertical Displacements： A Case Study in the Lower Three-Rivers Headwater Region， China ［J］. Sensors ， 2016 ， 16 （ 9 ）： 1526 .

ZHU H ， CHEN K J ， HU S Q ， et al . Characterizing Hydrological Droughts Within Three Watersheds in Yunnan， China from GNSS-Inferred Terrestrial Water Storage Changes Constrained by GRACE Data ［J］. Geophysical Journal International ， 2023 ， 235 （ 2 ）： 1581 - 1599 .

杨兴海，袁林果，姜中山，等 . 应用GPS垂向位移定量分析2011—2020年云南省极端干旱时空特征［J］. 地球物理学报， 2022 ， 65 （ 8 ）： 2828 - 2843 .

YANG Xinghai ， YUAN Linguo ， JIANG Zhongshan ， et al . Quantitative Analysis of Abnormal Drought in Yunnan Province from 2011 to 2020 Using GPS Vertical Displacement Observations ［J］. Chinese Journal of Geophysics ， 2022 ， 65 （ 8 ）： 2828 - 2843 .

鲁铁定，杨厚明，章园，等 . 利用GNSS数据反演云南区域陆地水储量变化的时空分布特征［J］. 武汉大学学报（信息科学版）， 2025 ， DOI： 10.13203/j.whugis20250142 http://dx.doi.org/10.13203/j.whugis20250142 .

LU Tieding ， YANG Houming ， ZHANG Yuan ， et al . The Spatiotemporal Distribution Characteristics of Terrestrial Water Storage Changes in Yunnan Region Using GNSS Data ［J］. Geomatics and Information Science of Wuhan University ， 2025 ， DOI： 10.13203/j.whugis20250142 http://dx.doi.org/10.13203/j.whugis20250142 .

李建成，李贤炮，钟波 . 利用GNSS地表形变反演区域陆地水储量变化的进展［J］. 武汉大学学报（信息科学版）， 2023 ， 48 （ 11 ）： 1724 - 1735 .

LI Jiancheng ， LI Xianpao ， ZHONG Bo . Review of Inverting GNSS Surface Deformations for Regional Terrestrial Water Storage Changes ［J］. Geomatics and Information Science of Wuhan University ， 2023 ， 48 （ 11 ）： 1724 - 1735 .

LI X P ， ZHONG B ， CHEN J L ， et al . Investigation of 2020—2022 Extreme Floods and Droughts in Sichuan Province of China Based on Joint Inversion of GNSS and GRACE/GFO Data ［J］. Journal of Hydrology ， 2024 ， 632 ： 130868 .

LI X P ， ZHONG B ， LI J C ， et al . Analysis of Terrestrial Water Storage Changes in the Shaan-Gan-Ning Region Using GPS and GRACE/GFO ［J］. Geodesy and Geodynamics ， 2022 ， 13 （ 2 ）： 179 - 188 .

ZHONG B ， TAN J T ， LI Q ， et al . Simulation Analysis of Regional Surface Mass Anomalies Inversion Based on Different Types of Constraints ［J］. Geodesy and Geodynamics ， 2021 ， 12 （ 4 ）： 298 - 307 .

LIU B ， SHAN C H ， RAO W L ， et al . A GNSS Terrestrial Water Storage Inversion Method Based on GRACE Spatial Constraints ［J］. IEEE Journal of Selected Topics in Applied Earth Observations and Remote Sensing ， 2024 ， 17 ： 16487 - 16496 .

JIANG Z S ， HSU Y J ， YUAN L G ， et al . Characterizing Spatiotemporal Patterns of Terrestrial Water Storage Variations Using GNSS Vertical Data in Sichuan， China ［J］. Journal of Geophysical Research： Solid Earth ， 2021 ， 126 （ 12 ）： e2021JB022398 .

LIU B ， YU W K ， DAI W J ， et al . Estimation of Terrestrial Water Storage Variations in Sichuan-Yunnan Region from GPS Observations Using Independent Component Analysis ［J］. Remote Sensing ， 2022 ， 14 （ 2 ）： 282 .

ZHU H ， CHEN K J ， HU S Q ， et al . Using the Global Navigation Satellite System and Precipitation Data to Establish the Propagation Characteristics of Meteorological and Hydrological Drought in Yunnan， China ［J］. Water Resources Research ， 2023 ， 59 （ 4 ）： e2022WR033126 .

BEVIS M ， ALSDORF D ， KENDRICK E ， et al . Seasonal Fluctuations in the Mass of the Amazon River System and Earth’s Elastic Response ［J］. Geophysical Research Letters ， 2005 ， 32 （ 16 ）： 2005GL023491 .

FU Y N ， ARGUS D F ， LANDERER F W . GPS as an Independent Measurement to Estimate Terrestrial Water Storage Variations in Washington and Oregon ［J］. Journal of Geophysical Research： Solid Earth ， 2015 ， 120 （ 1 ）： 552 - 566 .

VAN DAM T M ， WAHR J M . Displacements of the Earth’s Surface Due to Atmospheric Loading： Effects on Gravity and Baseline Measurements ［J］. Journal of Geophysical Research： Solid Earth ， 1987 ， 92 （ B2 ）： 1281 - 1286 .

GLADKIKH V ， TENZER R ， DENYS P . Crustal Deformation Due to Atmospheric Pressure Loading in New Zealand ［J］. Journal of Geodetic Science ， 2011 ， 1 （ 3 ）： 271 - 279 .

JIANG W P ， YUAN P ， CHEN H ， et al . Annual Variations of Monsoon and Drought Detected by GPS： A Case Study in Yunnan， China ［J］. Scientific Reports ， 2017 ， 7 ： 5874 .

LOOMIS B D ， RACHLIN K E ， WIESE D N ， et al . Replacing GRACE/GRACE-FO C30 with Satellite Laser Ranging： Impacts on Antarctic Ice Sheet Mass Change ［J］. Geophysical Research Letters ， 2020 ， 47 （ 3 ）： e2019GL085488 .

FARRELL W E . Deformation of the Earth by Surface Loads ［J］. Reviews of Geophysics ， 1972 ， 10 （ 3 ）： 761 – 797 .

李贤炮，钟波，刘滔 . GNSS垂直位移反演区域地表质量变化的模拟分析［J］. 武汉大学学报（信息科学版）， 2022 ， 47 （ 1 ）： 45 - 54 .

LI Xianpao ， ZHONG Bo ， LIU Tao . Simulation Analysis of Inverting Regional Surface Mass Variations Using GNSS Vertical Displacement ［J］. Geomatics and Information Science of Wuhan University ， 2022 ， 47 （ 1 ）： 45 - 54 .

钟波，李贤炮，李建成，等 . 利用GPS垂直位移反演区域陆地水储量变化的TSVD-Tikhonov正则化方法［J］. 地球物理学报， 2023 ， 66 （ 3 ）： 997 - 1014 .

ZHONG Bo ， LI Xianpao ， LI Jiancheng ， et al . Inversion of Regional Terrestrial Water Storage Changes Using GPS Vertical Displacements Based on TSVD-Tikhonov Regularization Method ［J］. Chinese Journal of Geophysics ， 2023 ， 66 （ 3 ）： 997 - 1014 .

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