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南极冰盖作为地球上最大的冰体，冰盖面积近1400万平方公里，包含约3000万立方公里的冰，拥有地表近70％的淡水，如果全部融化全球海平面将上升60米。南极冰盖是地球冰冻圈的重要组成部分，与气候变化和海平面升高紧密相关，因此精确量估南极冰盖物质质量的时空变化，对我们了解和预测全球气候和海平面变化有着显著的意义。2002年GRACE(Gravity Recovery And ClimateExperiment)重力卫星的成功发射，为南极冰盖质量平衡的监测开辟了新的技术和手段，取得了一系列重大研究成果，然而这些研究成果彼此并不统一，因此迫切需要对该研究方向的理论和方法进行系统的归纳和总结，对研究结果和精度评估方法进行详细的探讨和论证。 本文正是基于上述背景出发，以GRACE时变重力探测南极冰盖质量平衡的理论、方法与应用作为研究工作的核心，从南极整体、南极分区（西南极、东南极、南极半岛）和南极27个子流域三种空间尺度对冰盖质量平衡进行估算，并详细探讨冰盖质量平衡估算中的误差改正方法和精度评估方法，最后在GRACE估算结果的基础上联合南极ICESat(Ice，Cloud，and land Elevation Satellite)激光测高、粒雪密实化模型FDM(Firn Densification Model)和冰盖表面质量平衡SMB(Surface Mass Balance)等数据分离南极GIA(Glacial Isostatic Adjustment)信号，主要的研究内容和成果有以下几个方面: (1)总结和分析了现有的GRACE后处理方法，并对静态和时变重力场的功率谱进行了探讨和分析，以便了解GRACE所观测的地表质量变化信号因球谐截断而引起的信号能量损失情况，在区域信号提取时提出了矩形分割迭代法作为信号提取的空域法，与平均核函数法（频域法）形成优势互补。 (2)总结和归纳了GRACE数据估算南极冰盖质量平衡的方法，成功实现了最优平均核函数(VW)法、组合滤波法和Han滤波法，并首次在南极地区实现Slepian空间谱集中法。 (3)在南极冰盖整体质量平衡估算中提出了自适应边界选取法进行外信号泄漏改正和信号能量恢复，从而避免尺度因子恢复法对冰盖质量变化信号的扭曲和变形。 (4)采用2002年04月至2014年06月共136个月的CSR-60、CSR-96、GFZ与JPL四种GRACE RL05数据产品，Han滤波法、组合滤波法、VW法和Slepian空间谱集中法四种方法，ICE5G和W12a两种GIA模型对南极冰盖整体质量变化进行了估算，并对影响结果的每一项误差进行详细的探讨和分析，估算结果表明在上述期间南极冰盖质量变化的趋势为-167.1±69.5 Gt/yr(ICE5G)、-105.1±28.6Gt/yr(W12a)，加速度为-15.4±9.9 Gt/yr2。不同数据和不同方法对估算结果影响并不大，不同数据产品之间的最大差异不超过5Gt/yr，不同方法之间的最大差异也不超过20Gt/yr，而不同GIA模型之间差异最大可达65Gt/yr，故南极GIA信号的不确定性才是GRACE监测南极冰盖质量平衡中最大的误差所在。 (5)利用2002年04月至2014年06月CSR-60一种数据产品与组合滤波法和Slepian法两种估算方法对南极冰盖分区（西南极、东南极和南极半岛）和南极27个子流域进行了冰盖质量平衡估算，在组合滤波法的估算中提出了尺度因子前后参照迭代法进行流域间的泄漏误差改正，在Slepian法中引入空域最小二乘的思想，结果显示两种方法估算的结果差异并不大。南极冰盖质量消融最严重地区集中在Amundsen海岸的20、21、22、23流域，质量变化速率为-159.6±3.8 Gt/yr(ICE5G)、-166.6±4.2 Gt/yr(W12a)，加速度为-18.2±0.8 Gt/yr2，该地区的冰质量消融原因主要来自冰川和冰流的运动;南极冰盖质量增加的地区主要在东南极Coats Land、Queen Maud Land和Enderby Land等区域(流域4、5、6、7、8、9)，质量变化趋势为52.1±7.1Gt/yr(ICE5G)、57.7±5.2Gt/yr(W12a)，加速度为10.4±1.8Gt/yr2，质量增加的原因主要是异常的降雪而不是长年趋势。 (6)联合GRACE重力和ICESat测高等数据分离南极GIA信号，这样获取的GIA便不依赖于冰负荷等不确定很大的假设模型，而是基于实测数据直接求取的数值模型。GPS验证结果表明本文的GIA数值模型与目前国际上最新的结果G14精度相当，在数据处理过程中本文还提出了冰流速度加权改正法和GPS球谐拟合改正法用于精化结果，采用新的GIA显示2003年02月至2009年10月期间南极冰盖质量变化的趋势为-66.7±54.5 Gt/yr(GRACE)、-77.2±20.3Gt/yr(ICESat)。