我国海域大地水准面的计算及其与大陆大地水准面拼接的研究和实施

研究和实施了由卫星测高数据计算垂线偏差，用莫洛 金斯基（Molodensky）公式反演 大地水准面高，由此求得我国海域大地水准面高. 为了检核，将测高垂线偏差利用逆维宁迈 纳斯（Vening Meinesz）公式反演重力异常，与海上船测重力值进行了外部检核；同时还用 司托克斯（Stokes）公式，将上述反演的重力异常计算大地水准面高，与莫洛金斯基公式直 接解得的相应结果进行比较作为内部检核. 在积分计算中充分应用了FFT的严格公式.由重力和GPS水准数据确定的陆地大地水准面，和主要由卫星测高数据确定的海洋大地水准 面，二者之间一般都存在以系统误差为主的拼接差，本文分析了产生这一现象的主要原因, 并结合我国在陆海大地水准面拼接区重力资料稀疏的实际，提出了新的拼接技术，最后将拟 合参数校正中国全部海域的重 力大地水准面，以最大限度地削弱拼接点和制约测高海洋大地水准面可能存在的系统误差.     

由ERS-1波形重构确定我国近海平均海平面

近海岸区域平均海面高在大地测量学、物理海洋学以及地球物理学研究中具有非常重要的意义.受各种条件的制约和限制，目前卫星测高技术主要应用于深海区域，在近海区域尤其是海岸线附近区域的应用几乎为空白.本文根据ERS-1测高卫星回波波形特征，采用五参数线性模型，由最小二乘拟合方法，对近海区域尤其是靠近海岸线附近的ERS-1测高波形数据进行波形重构.比较波形重构前、后解算平均海面高，表明波形重构技术不仅明显改善了解算近海海面高的精度，而且增加了近海测高海平面的分辨率，并使卫星测高有效观测延伸至海岸线附近.随后，本文利用波形重构后海面高数据构造了近海多年平均海平面，并对我国近海海平面特征进行了初步分析.     

海底地形探测和模型研制现状及精度分析

海底地形影响着海洋自然灾害、资源开发以及军事国防.海底地形的探测手段由过去传统的船载声呐技术发展到依靠重力数据反演水深.国外从1980年代就开始利用船载和卫星测高数据开发全球水深模型,截至目前发布的水深模型空间分辨率达到15″.本文总结了声呐、激光测深雷达、卫星测高重力数据和遥感影像反演水深的研究现状,并分析每种测深手...     

基于卫星测高的海域大地水准面

利用测高数据的一次差分计算海域垂线偏差，有效降低了动力海面地形和系统残差对垂线偏差的影响；然后根据扰动场元间的协方差函数是具有各态历经性的平稳随机函数这一特征，提出了利用垂线偏差精确逼近海域大地水准面的协方差函数. 而海域大地水准面的精确确定，为从测高数据中精确分离动力海面地形提供了条件. 本文还利用Topex/Poseidon、ERS 1/2测高数据计算了全球海域大地水准面和动力海面地形，证明了本文所述方法是科学合理的.     

联合多代卫星测高和多源重力数据的局部大地水准面精化方法

本文研究了基于泊松小波径向基函数融合多代卫星测高及多源重力数据精化大地水准面模型的方法.分别以沿轨垂线偏差和大地水准面高高差作为卫星测高观测量,研究了使用不同类型测高数据对于大地水准面建模精度的影响.针对全球潮汐模型在浅水区域及部分开阔海域精度较低的问题,引入局部潮汐模型研究了不同潮汐模型对于大地水准面的影响.数值分析表明:相比于使用沿轨垂线偏差作为测高观测量,基于沿轨大地水准面高高差解算得到的大地水准面模型的精度更高,特别是在海域区域,其精度提高了2.3cm.由于使用沿轨大地水准面高高差作为测高观测量削弱了潮汐模型长波误差的影响,采用不同潮汐模型对大地水准面解算的影响较小.总体而言,船载重力及测高观测数据在海洋重力场的确定中呈现互补性关系,联合两类重力场观测量可以提高局部重力场的建模精度.     

卫星测高混合边值问题的球谐级数解法

研究了球界面下卫星测高问题的解法,利用有限逼近方法得到了下列结论：若陆地部分是球冠,则卫星测高问题的解可以转换成关于球谐级数位系数的线性方程组,并且位系数的阶和次是以分离形式出现的,从而确保该解法具有实用意义. 利用重力场360阶模型进行模拟计算的结果表明：该解法得到的位系数的相对精度达到了10－１１. 同时证明了常用的Stokes问题、Dirichlet问题、Neumann问题可以看成卫星测高问题的特殊情况.     

利用GPS三频数据计算电离层垂直总电子含量变化率

研究了通过采样间隔为1 s的GPS三频载波相位观测数据计算1 Hz电离层垂直总电子含量变化率(RVTEC)的方法,推导了直接采用双频载波相位观测量计算RVTEC的公式,对一般空间环境与电离层活动剧烈两种条件下L1L2、L1L5、L2L5三种载波相位组合计算的RVTEC进行了一致性分析,给出了通过三频载波相位观测数据计算电离层RVTEC的修正方法,比较了X射线太阳耀斑期间RVTEC与由传统方法计算的总电子含量变化率(ROT)响应,在双星串飞编队测高模式下对计算方法进行了应用.结果表明,L1L2、L1L5两种组合之间的一致性较好,由L1L2、L1L5组合计算的RVTEC的中误差约为0.004 TECu/s,RVTEC较ROT更能体现TEC变化的细节,在双星串飞编队测高模式下海面高梯度的计算中,电离层延迟之差可以忽略.     

浅海区域Topex/Poseidon测高卫星数据波形重构方法

根据测高卫星返回波形的特征,给出了由Topex/Poseidon卫星波形数据进行波形重构的方法,并采用函数逼近算法确定波形重构改正量,进而改善测高卫星近海岸海面高观测值的精度.在中国南海区域计算了四圈T/P测高卫星经过波形重构后的海面高数据.近海岸海面高数据与相近时刻验潮站数据相比,精度比波形重构前有了很大提高,证明该方法的有效性.     

测高重力内区效应的推导与计算

为了提高测高重力恢复计算的精度,本文利用新方法计算沿轨测高垂线偏差分量,并在对逆Vening Meinesz公式的FFT算法进行分析的基础上导出了内区效应的计算公式.结果证明内区效应与逆Vening Meinesz公式奇异区内垂线偏差分量的梯度及奇异区面积的大小有关,与重力异常计算点及其附近的奇异区内的垂线偏差无直接关系.最后利用ERS_1卫星测高数据,根据本文提出的方法计算垂线偏差分量,采用本文导出的内区效应公式计算了北大西洋6°×6°区域内区效应对测高重力结果的影响.     

近岸海域EnviSat卫星测高波形重定的Threshold优化算法

波形重定是改善近岸海域卫星测高数据精度的一种有效方法.分析了EnviSat雷达测高波形重定算法,并对Threshold算法进行了优化,开发了波形重定程序;以地中海为实验区,利用几种波形重定方法,对近岸海域的EnviSat测高波形进行重定,认为优化的Threshold算法是几种波形重定算法中最稳健的重定算法,适合于地中海近岸海域EnviSat测高波形的重定,对其他近岸海域的应用也有一定的参考意义.     

联合卫星重力、卫星测高和海洋资料研究中国南海海平面变化

利用卫星测高、GRACE(Gravity Recovery and Climate Experiment)卫星重力和海洋实测与模式资料,在季节和年际尺度上,探讨了海水比容变化和海水质量变化对中国南海海平面变化的影响.在季节尺度上,利用测高和ECCO(Estimation of the Circulation and Climate of the Ocean)模式得到的南海海水质量引起的海平面变化的周年振幅和GRACE卫星独立观测的结果在地理分布上有很好的一致性.GRACE卫星观测到海水质量引起的南海平均海平面变化具有明显的季节性变化,其周年振幅为(2.7±0.4)cm;利用另一种独立的方法(测高减比容)得到的平均海平面周年振幅为(2.7±0.3)cm,两者符合得很好.在年际尺度上,南海平均海平面变化表现出明显的年际变化特征,且主要为比容海平面变化的贡献.卫星测高结果表明,1993～2009年的南海平均海平面变化为(5.5±0.7)mm/a,明显高于同期全球平均海平面变化趋势(3.3±0.4)mm/a.GRACE卫星观测到的海水质量变化没有表现出明显的趋势信号,这说明南海整体上与周边海域或陆地水的水循环是平衡的.     

沿海雷达卫星测高波形重定多子波参数方法和重力异常恢复

雷达卫星测高数据质量是测高在大地测量学、地球物理学和海洋学等领域应用研究的关键。在沿海海域,测高波形受到地形和地球物理环境等污染,测高数据精度低于开阔海域的测高数据。提出了一种新的测高波形重定方法,即多子波参数重定方法（MSPR）,用于改善沿海海域的测高数据质量。由测高数据,利用最小二乘配置法解算沿海重力异常,给出了对应的方差-协方差矩阵。利用MSPR对台湾岛周边海域的Geosat／GM波形数据进行重定,与台湾岛大地水准面进行比较,MSPR重定结果精度要优于常用的β-5参数方法重定结果和GDR数据。利用重定后的测高数据,由最小二乘法计算了台湾岛近海海域的重力异常。与船测重力数据进行比较,由重定数据得到的结果精度优于GDR结果。     

利用卫星测高数据推求中国近海及邻域大地水准面起伏和重力异常研究水

首先对中国近海及邻域（0°-40°N,105°─135°E）内4年的T／P卫星测高数据（1992－10-03-1996－10－09）和1年多的ERS－1卫星测高数据（1992－10－23-1994－01－20）进行了预处理以剔除数据中的粗差影响．然后,对卫星的重复轨迹采用"共线"处理方法得到该海域的平均海平面．在扣除海面地形的影响后得到该海域30'×X30'大地水准面起伏。再分别采用Stokes公式逆运算加FFT技术和最小二乘配置法恢复出该海域30'×30'海洋重力异常．所得到的海洋大地水准面起伏精度为8．5cm,恢复出的重力异常的精度为35×10－5m／s2．     

应用多种来源重力异常编制中国海陆及邻区空间重力异常图及重力场解读

本文通过分析陆地实测空间重力异常数据、海洋船载测量空间重力异常数据、卫星测高重力异常,布格重力异常数据、EGM2008地球重力模型数据等多种来源数据的性质和精度,并对相关数据进行对比,研究了编制1:500万中国海陆空间重力异常图的数据使用方案和技术方法.在地形较为平坦、实测数据分布均匀的陆区,使用实测数据,在地形复杂,实测数据稀少以及没有实测数据的陆区或岛屿,利用布格重力异常反推空间异常的方法合成平均空间重力数据,西藏地区的数据对比实验证明合成平均空间重力异常数据是一种有效的数据补充.利用三观测列方差分解法在南海地区对船载测量空间重力数据和美国SS系列及丹麦DNSC08GRA卫星重力数据进行了方差分解计算,结果表明不同来源的卫星测高重力数据具有很大的一致性,数据精度较以往有了很大的提高.海区空间重力数据使用原则是在船载重力测量数据校准下,全面使用卫星测高重力数据进行编图.海陆过渡区的异常处理应以EGM2008地球重力模型重力场为基准参考场,实现海陆异常平缓过渡,无缝连接.对中国海陆空间重力异常场进行了小波变换处理,对空间重力异常场进行了解读,勾画出三横四竖的一级重力梯级带及其所围限的8个一级重力异常区,并划分了二级重力异常区和梯级带,为块体构造学体系中大地构造格架的建立提供了地球物理证据.     

利用海洋重力场变化分析洋底板块运动

洋底板块运动是地球动力学和全球变化研究的重要内容.本文根据质量迁移与地球外部重力场变化的对应关系,利用不同时期测高资料推算的1995—2019全球海洋重力场变化结果,反演分析全球洋底板块运动特征.研究表明,板块汇聚边界、板块内无震海岭、海山群、断裂带等区域重力异常变化显著,而在板块离散边界无明显变化趋势;西南印度洋中脊、大西洋中脊、中印度洋中脊等地区重力异常垂直梯度变化显著,且在西太平洋俯冲带、部分海岭区域也存在明显变化,其空间分布与地形基本吻合.海洋重力场变化整体上准确反映了全球洋底板块构造运动.相较于重力异常变化反演结果,重力垂直梯度的变化能够更为准确地反映洋底板块运动特征,特别是在洋中脊区域,扩张速率越小,垂直重力梯度变化越显著.此外,详细讨论了测高海洋重力场不确定因素对洋底板块运动分析结果的影响,海面坡度改正是主要因素之一.     

联合多种测高资料确定西太平洋海域2′×2′重力梯度

从地球重力场基本理论出发,导出了大地水准面上局部切平面坐标下的重力梯度矢量水平分量和垂直分量的计算公式,利用由多颗测高卫星联合反演的2'×2'海洋重力异常和垂线偏差资料,计算了西太平洋海域2'×2'重力梯度矢量水平分量和垂直分量.将计算的重力垂直梯度和现有资料进行比较,标准差为9.99E,并对重力梯度的空间分布特征进行了初步分析.     

利用卫星测量技术和小波滤波方法探测表层地转流

根据海面地形的空域频谱特征, 提出用小波滤波器对海面地形进行滤波降噪的方法. 通过对全球及黑潮流系区域的海面地形进行小波滤波和高斯低通滤波降噪后所确定的地转流的比较, 显示前者较之后者更能表现地转流的局部特征. 依据CG01C卫星重力场模型和EGM96重力场模型, 分别联合由卫星测高确定的KMSS04平均海面高模型构造海面地形. 将据小波滤波降噪后所推算出的全球平均地转流、黑潮和热带太平洋区域地转流与海洋学结果的比较, 以及据此两不同重力场模型推算的大地水准面误差对计算地转流流速精度的对比都表明: 重力卫星确定的地球重力场模型较之以前存在的重力场模型在长波部分精度有较大提高. 联合现有卫星重力和卫星测高数据探测的全球平均地转流, 在大、中尺度上与海洋学结果相一致, 这表明从大地测量(空间)角度来研究洋流已达到较高的精度.     

中国近海海平面季节尺度变化的时频分析

用连续小波变换方法，对中国近海验潮站资料(20～30a)和Topex/Poseidon卫星测高海平面变化资料(1992年10月～1998年9月)进行分析，给出了南海、黄海和东海海平面变化在季节尺度上的时频特征. 结果表明，黄海和东海的海平面变化较相似，存在显著的周年和准双月的振荡信号；南海具有较明显的周年信号和较弱的半年周期信号；浅海区和深海区的海平面季节尺度变化在周期性与强度上存在明显差异.     

近四年全球海水质量变化及其时空特征分析

本文利用卫星重力、卫星测高和海洋温盐数据反演计算全球海水质量变化,并分析其时空变化特征.卫星重力数据利用2003年1月~2006年12月的GRACE月时变重力场球谐系数,同时考虑替换一阶项和C₂₀项,并进行了相关误差滤波、高斯滤波和陆地水文信号泄漏改正,计算得到海洋等效水高变化;利用相同时间跨度的卫星测高数据和海洋温度、盐度水文观测数据,计算全球海平面变化和比容海平面变化,反演得到海水质量变化.反演的两种海水质量变化的年际变化特征一致性较好.三种数据得到的长期趋势变化,与1993~2003年的结果相比,可以看出,海水质量变化加速,并已成为全球海平面上升的主要因素.     

利用多年卫星测高资料研究南海上层环流季节特征

利用10年高精度卫星测高海面高异常网格资料,联合EGM96稳态海面地形模型,构成南海海域合成海面地形的时间序列,并计算了各个时期的南海表层地转流场. 利用卫星跟踪漂流浮标观测结果与相应时期南海地转流场进行对比验证,结果显示本文结果可以很好地反映南海海域一些中小尺度的环流特征. 根据南海各季节多年平均表层环流场结构,对南海环流周年变化规律和季节特征进行了初步的探讨. 研究结果表明,南海表层环流始终处在不断演变过程之中,在时间和空间上都表现出明显的多尺度特征.