大气负荷对区域地壳形变和重力变化的影响分析

在高精度大地测量观测数据处理和相关地球物理解释中,大气负荷由于影响较大,需要考虑。利用全球大气模型和区域气象站气压数据,采用移去恢复方法和球谐分析方法,计算了三峡地区大气负荷对地壳形变和重力变化的影响。提供了一种利用局部气压数据改善该区域大气负荷影响变化计算效果的合理算法,提高局部气压数据和全球模型数据利用的合理性和准确性。研究发现,大气负荷对垂直形变的影响在空间分布上中长波占优,在三峡地区的年变化幅度大于20 mm,对地面重力变化影响的年变化幅度一般不超过10 μGal,对水平形变影响较小。     

全球陆地水储量对检测同震重力变化的影响

以2011年日本Mw9.0地震为例,探讨了同震重力变化理论模拟计算所涉及到的几个关键问题,并利用GLDAS全球陆地水储量模型对GRACE卫星检测到的同震重力变化进行了修正。结果表明,水文效应变化振幅达4μGal,该影响不可忽略。     

GRACE时变重力位系数扇形滤波算法分析

卫星重力探测技术为监测全球陆地水储量变化提供了新的技术手段。采用Level-2 Release-05版本GRACE时变重力场模型数据计算了2010年全球陆地水储量的月变化;着重研究了扇形滤波对反演结果的影响;并结合GLDAS水文模型数据对反演结果进行了验证分析。实验结果表明:GRACE反演结果 GLDAS水文模型结果在时空分布上符合较好;扇形滤波能够削弱GRACE时变重力场模型的高阶项误差影响,有效去除反演结果中的条带状噪声。     

FG5X-246绝对重力仪准确度测试

利用最新研制的一套弱力测试平台,对FG5X-246绝对重力仪观测值准确度指标进行了测试试验。通过弱力测试平台升降装置改变扰动质量体与测量点之间的距离,从而改变测量点处叠加的扰动引力场大小。通过比较FG5X-246绝对重力观测值变化量与理论扰动引力场变化量之间的差异,从而确定FG5X-246绝对重力观测值的准确度。测试结果显示当扰动质量体从1.810 4 m高度降到1.409 9m高度时,外部扰动引力场变化了48.81 μGal(1Gal=1cm/s~2),FG5X-246绝对重力仪感应到48.0 μGal的重力变化,FG5X-246绝对重力仪测量值与理论值之差为0.81 μGal。当扰动质量体从1.810 4m降到1.010 1m高度时,外部扰动引力场变化了-15.44 μGal,FG5X-246绝对重力仪感应到-16.20 μGal的重力变化,测量值与理论值之差为0.76 μGal。当扰动质量体从1.409 9 m降到1.010 1m高度时,外部扰动引力场变化了-64.20 μGal,FG5X-246绝对重力仪感应到-64.25 μGal的重力变化,测量值与理论值之差为0.05 μGal。上述测量结果表明,此次FG5X-246绝对重力仪感应到外部引力变化的误差均不超过1 μGal,即其测量值准确度优于1 μGal。     

利用GRACE、GPS和绝对重力数据监测斯堪的纳维亚陆地水储量变化

重力卫星GRACE(gravity recovery and climate experiment)监测斯堪的纳维亚半岛陆地水储量变化会受到冰川均衡调整(GIA)信号的严重影响。首先根据该地区绝对重力和GPS并址观测数据计算了GIA重力和垂直位移的实测线性比值,利用该比值和GPS网观测的垂直位移速度场得到了GIA重力。然后,对GRACE观测的重力变化速率进行GIA重力改正,进而可分离陆地水储量变化趋势,避免了使用GIA模型所带来的巨大不确定性,并根据观测数据完整估计了所得结果的不确定性。最后与水文模型作对比分析。结果表明,实测的GIA重力-垂直位移线性比值为0.148±0.020μGal/mm(1Gal=10-2 m/s2),该结果检验了Wahr的理论近似值且与北美实测的结果非常接近。2003年1月至2011年3月期间,斯堪的纳维亚半岛陆地水储量存在明显的增加趋势,信号的主体位于半岛南端的维纳恩湖附近,总的水量增加速率为4.6±2.1km3/a,数据观测期间的累积增加水量为38±17km3。研究结果与WGHM水文模型的结果有较好的一致性,相关系数达到0.69,而与GLDAS水文模型的相关性略小。     

利用ICA方法提取奥卡万戈三角洲水储量变化信号

利用重力恢复与气候实验(gravity recovery and climate experiment, GRACE)时变地球重力场模型计算得到非洲奥卡万戈三角洲地区2003-01—2014-12的陆地水储量变化信息,分别采用主成分分析(principal component analysis, PCA)和独立成分分析(independent component analysis, ICA)提取质量变化信号,并与全球陆地数据同化系统(global land data assimilation system, GLDAS)的水文模型进行对比。结果显示,在奥卡万戈河流域东北部,水储量表现出很强的周期性变化,两种数据空间特征分布的信号出现在相同位置的成分GRACE-IC1和GLDAS-IC1对应的时间序列的相关系数达到0.85。奥卡万戈三角洲地区水储量从2003-01—2011-10呈现上升趋势,两种数据空间特征分布的信号出现在相同位置的成分GRACE-IC2和GLDAS-IC3对应的时间序列的相关系数达到0.81,说明GRACE反演结果与GLDAS水文模型反演结果在研究区域内具有很强的一致性。引入全球降水气候中心降水数据和Water GAP全球水文模型数据对研究区域陆地水储量变化的原因进行分析。实验结果表明,相对于传统的多项式拟合方法,ICA可以在较大区域内直接对特定位置质量变化信号的时空特征进行提取;对比GRACE数据两种方法分解结果的第3成分可以看出,在空间尺度和时间尺度上,ICA方法对信号的分解能力要优于主成分分析方法。     

时段选取对大气负荷重力效应的影响分析

针对当前重力观测数据处理中大气负荷效应改正的不确定性问题,该文提出一种分时段改正方法。通过采用不同时段观测数据,基于回归分析方法系统讨论时段选取对大气负荷重力效应改正的影响。利用高精度Wettzell台站超导重力观测数据进行实验分析。实验结果表明:采用不同时段观测数据,大气导纳值差异最大值约为-0.1μGal/hPa;采用不同时段的观测数据进行大气效应改正,其最大差异整体上可以达到2μGal。本文的研究可为精确计算大气负荷重力效应提供一定参考。     

利用GRACE数据检测日本Mw9.0地震同震和震后重力变化

基于德国地学中心（GFZ）发布的GRACE RL05月重力场模型数据,考虑全球陆地同化系统陆地水储量的影响,采用300 km的扇形滤波,利用叠积法提取了日本Mw9.0地震的同震和震后重力时变信号,并利用最小二乘拟合的方法计算了两个同震重力变化极值点在地震前后85个月的重力年变率。结果表明：土壤水分和雪水引起的重力变化为-0.34~0.09 μgal;利用GRACE数据检测到的同震重力变化为-5.3~4.2 μgal,与基于PSGRN/PSCMP模型计算的结果在空间分布和量级上具有较好的一致性;震后5 a震中附近区域的重力整体上呈现增加趋势,断层上盘所在的日本海域与下盘所在的太平洋区域重力增加的最大值分别为2.6、4.5 μgal,下盘重力增加较大,可能与断层下盘所在地层的黏滞性相对较低有关。     

GRACE重力卫星在陆地水储量变化监测中的应用

介绍了GRACE重力卫星,并对GRACE重力卫星数据在陆地水储量变化中的应用现状进行分析,总结了GRACE重力卫星数据在陆地水储量变化检测中的数据获取、计算方法和精度分析,以及Grace数据在不同区域尺度陆地水储量变化估算中的应用情况,最后,指出GRACE在水储量应用中的不足和未来的研究方向。     

论高精度卫星重力场模型和厘米级区域大地水准面的确定及水文学时变重力效应

阐述了联全新一代卫星重力测量数据、卫星测高数据及全球陆地重力数据确定高精度180阶全球重力场模型、以全球重力场模型为框架参考场、利用我国地面重力数据、GPS水准资料、数值高程模型和地形密度信息确定高分辨率cm级区域大地水准面的思想。指出了一个重点发展方向:利用GRACE卫星每30天的重力位模型分析时变重力场,联系合卫星测高同时相平均海面以及水文、气候和海洋模型,分析我国黄河流域和海洋地区水储量分布和海流季节性变化,并解释与气候要素变化的相关性。     

武汉九峰地震台重力变化与地壳垂直形变分析

长期的重力变化和地壳形变观测是研究地下物质运动的重要手段。基于武汉九峰地震台2013—2020年的绝对重力和全球卫星导航系统（global navigation satellite system,GNSS）观测数据,计算了长期的重力与地壳垂直形变的变化趋势,并以1年、2年和3年的时间间隔分段,进行线性趋势拟合,分别获得不同时间段的绝对重力年变化率、地壳垂直形变速率以及对应的比值。研究结果表明,武汉九峰地震台长期的重力年变化率为0.479 9 μGal/a,地壳垂直形变速率为-1.2 mm/a, 两者的比值为-0.399 9 μGal/mm,与理论值存在一定的偏差,可能与该区域的地下水活动有关。将不同时间段的重力变化与地壳垂直形变的数据展布在一张图中,发现数据点离散分布在不同区域,由此可初步判断地下物质运动过程,为区域动力学机制解释提供参考。     

2022年汤加火山喷发对中国大陆地应变观测的影响分析

2022年1月15日汤加火山剧烈喷发产生了波及全球的大气重力波,距离火山8 736~12 758 km的中国大陆所有地应变观测站清晰记录到由此产生的短时地表应变变化。应用小波分析方法系统分析了中国近200个地应变观测站记录数据的时空响应与频率特征,主要表现为:由大气重力波激发的短时地表应变变化的持续时间约为1.5 h,其中能量最强的变化集中在前40 min,面应变平均变幅约为186×10-10,呈现出单脉冲起伏状变化,形态具有很强的一致性,具备兰姆波传播属性;短时地表应变变化的平均传播速度约为310 m/s,与大气重力波传播速度基本一致。部分观测站还记录到绕地球一圈后再次到达的大气重力波对地表的作用。这是首次通过大范围布设的高精度地应变观测仪记录到大气重力波作用于地表的痕迹,有助于认识地壳运动和大气圈层相互影响的机制。     

时序变差函数特征驱动下的月平均降水空间分布模拟

高精度降水场是水文、气象以及环境分析的重要数据支撑,直接影响相关服务的准确性。传统降水分布模拟大多依赖站点空间维的驱动因素,而忽略了降水时序变化特征对其空间分布的影响。使用2015—2017年中国湖北省83个国家气象观测站点和28个省级观测站点近3 a月平均累积降水资料,通过相关性分析,引入站点降水时序理论变差函数模型的拱高值(C)和块金值(C₀)作为影响因素,使用地理加权回归(geographically weighted regression, GWR)建立湖北省月平均降水分布模型。结果表明:（1）各站点降水的时序变差函数曲线与降水的季节性基本吻合。站点时序理论变差函数模型中,有25.3%能够在4个月内达到平稳,36.14%在6个月内达到平稳。（2）站点降水时序理论变差函数模型的C和C₀与逐年12月平均累积降水在0.01水平（双侧）上显著相关,平均相关系数分别为0.745和0.526,大于地理位置和高程对降水的影响。（3）引入C和C₀ 有助于提升GWR模型的整体拟合优度和插值精度。对比仅使用经纬度的GWR模型和引入时序理论变差函数特征的GWR模型,3 a平均整体拟合优度从0.852提升至0.912。验证集站点插值精度评价显示,3 a绝对误差、均方根误差和平均绝对百分误差下降幅度均大于60%。因此,引入时序理论变差函数特征的时空GWR模型能够获得较高精度的降水模拟结果,更适合具有丰富历史降水资料地区的降水空间分布估算。     

华北地区季节性垂直位移信号提取及物理机制分析

华北地区地表垂直位移呈现显著的季节性波动。为探究其驱动源信号,利用独立分量分析方法对全球导航定位系统20个基准站的垂直位移时间序列进行时空分解,获取前6个独立分量,并与环境负载造成的垂直位移进行比较分析。结果表明,第一个独立分量呈现显著周年变化和相对均匀的空间响应,与大气负载位移时间序列的平均相关系数为0.60,两者吻合良好。第二和第三个独立分量均是周年和年内信号的组合,其空间响应反映出局部集聚特征,与华北地区水资源的分布状况相类似,合并这两个独立分量后与水文负载位移时间序列的平均相关系数为0.50。由此表明大气和水文负载是驱动华北地区季节性垂直位移的主要源信号。     

澳大利亚区域大气加权平均温度建模

大气加权平均温度T_m是计算水汽转换因子和大气可降水量的重要参数。利用2007—2017年全球大地观测系统(global geodetic observing system, GGOS) Atmosphere T_m格网数据和欧洲中尺度天气预报中心(European centre for medium-range weather forecasts, ECMWF) 2 m温度数据,建立一种适合澳大利亚区域、顾及T_m残差季节性和日周期变化的T_m模型——qTm。此外,采用2018年的GGOS Atmosphere T_m格网数据和探空资料对该模型进行评估。结果表明,qTm模型在澳大利亚区域具有较高的精度和适用性,与GGOS Atmosphere T_m相比,qTm模型的年均偏差(Bias)和均方根误差(root mean square error, RMSE)分别为－0.31 K和1.97 K,相对于GPT2w-1和GPT2w-5模型,RMSE分别提高21.8%和25.9%;qTm模型值与探空积分值更符合,模型的年均Bias和RMSE分别为－0.44 K和2.45 K,相比GPT2w-1和GPT2w-5模型分别提高10.2% 和11.8%。qTm模型可为澳大利亚区域提供精确的T_m值,为该区域大气水汽分析和厄尔尼诺现象研究提供基础。     

利用卫星引力梯度确定地球重力场的张量不变方法研究

应用张量不变理论对利用卫星重力梯度数据确定地球重力场的方法进行了研究,对张量不变观测方程的线性化处理、非全张量观测值的数据处理策略以及采用白噪声特性下的梯度观测值恢复地球重力场的精度等进行了数值分析.结果表明,张量不变解实现了不同观测值的联合求解,基于先验重力场模型的线性化方法在实现张量不变观测模型线性化处理的同时,提...     

GOCE卫星重力梯度数据反演重力场的滤波器设计与比较分析

地球重力场和海洋环流探测（gravity field and steady-state ocean circulation explorer,GOCE）卫星重力梯度数据有色噪声和低频系统误差的滤波处理是反演高精度地球重力场的一个关键问题。针对GOCE卫星重力梯度数据的滤波处理,基于移动平均（moving average,MA）方法和CPR(circle per revolution)经验参数方法设计了两类低频系统误差滤波器,并分别将这两类滤波器与基于自回归移动平均（auto-regressive and moving average,ARMA）模型设计的有色噪声滤波器组合起来形成级联滤波器。为了分析滤波器处理的实际效果,基于空域最小二乘法采用70 d的GOCE观测数据,并联合重力恢复与气候实验（gravity recovery and climate experiment,GRACE）数据分别反演了224阶次的重力场模型GOGR-MA(MA+ARMA级联滤波)和GOGR-CPR(CPR+ARMA级联滤波)。将反演模型与采用同期数据求解的第一代GOCE系列模型及GOCE和GRACE联合模...     

木星探测器Juno精密定轨分析及低阶引力场解算

随着中国深空测控技术的进步和深空探测计划的推进,木星探测计划已经进入日程,木星探测器的精密定轨和木星的引力场的解算是木星探测中的重要研究内容。首先给出了木星探测器的坐标系统和动力学模型,并利用已公布的朱诺号木星探测器精密星历数据进行验证,动力学拟合结果与参考星历的位置偏差在10 m量级,速度偏差小于6 mm/s;然后利用深空多普勒测量模型处理已经发布的朱诺号无线电测量数据进行精密定轨,结果与参考星历的差距在数百米量级;最后利用仿真数据验证引力场系数解算的可靠性,并利用朱诺号探测器4个近木点附近的实测数据解算引力场系数,得到了截至8阶的带谐项系数。     

天问一号拓展任务对火星低阶重力场解算的潜在贡献分析

天问一号是中国首次独立开展的行星际探测任务,实现了对火星的环绕、着陆、巡视探测。天问一号正常科学任务阶段环绕以极轨设计为主,与历史火星任务类似,对当前火星重力场模型精度改进有限,因此其拓展任务轨道选取至关重要。通过对极轨圆轨道和近赤道大偏心率轨道进行仿真模拟,分析两种典型轨道构型对现有火星重力场模型改进的可能性,基于不同误差考量仿真解算了对应6个重力场模型。借助重力场功率谱分析,发现在测量噪声为0.1 mm/s的情况下,不论采用极轨还是近赤道轨道,一个月的跟踪数据均可较好地反演出42阶次的火星重力场模型;考虑综合误差影响之后,发现两种轨道对于重力场解算精度类似,其中实施近赤道大偏心率轨道对35阶次以上约束略强。