大气重力格林函数的理论计算

重力测量中需要扣除大气的影响.大气负荷对重力测量的影响可以分为大气质量变化引起的直接效应和大气负荷引起的地球变形带来的间接效应,大气负荷对重力观测值的直接影响,相对于间接效应量级较大.本文从理论上研究了大气负荷对重力观测的直接影响,仿照Farrell定义的负荷格林函数,引入大气重力格林函数,用来表示大气压变化对于重力观测的直接引力影响.在前人的基础上,本文采用了更为精细的大气模型,考虑大气温度随高程的变化,用离散褶积的方法求得了大气重力格林函数的理论值.实际计算时还要考虑地表温度、台站高程、周围地形等因素的影响,本文讨论了这些因素对大气重力格林函数的影响.考虑地表温度、台站高程、地形改正等各种影响因素以及地球变形引起的间接效应后,对台站周围区域积分即可求得大气变化引起的理论重力信号.     

GPS测量大气折射改正

在精密ＧＰＳ测量中,大气折射改正误差是主要误差源之一。基于大气折射理论。把底层大气分为７层,并考虑不同高度的重力改正,建立了新的大气层模型,推导出了新的更精确的折射改正公式。实例计算结果表明,新的大气层模型更加符合实际。     

大气变化对位移、重力和倾斜观测影响的理论计算

利用弹性地球负荷理论和流体静力学平衡假设条件下的干空气及其垂直温度梯度分布,理论计算了大气压力作用下地表位移、重力和倾斜格林函数．详细讨论了不同地球模型、台站高程、周边地形、地表大气温度和水汽含量等因素对计算结果的影响．数值结果说明大气效应弹性项影响主要来自于远离台站的区域;引力项对重力的影响主要贡献来自于台站近区,对倾斜的影响来自于远离台站的区域．各种因素对大气重力和倾斜格林函数的影响分别在01°和1°角距范围内,但其综合影响较为复杂．     

均衡重力异常和地壳表、浅层地质结构

从理论和试验角度论证了利用均衡重力异常研究地壳表、浅层地质结构的可行性,从而指出:所有合理的地壳均衡模型产生的均衡效应几乎是一样的;地壳均衡模型类型和模型参数的变化,仅使均衡改正值在长波长上发生很小变化,而对均衡重力异常的局部异常影响不大;均衡重力异常与地壳表、浅层地质结构具有明显的对应关系。因此,利用均衡重力异常研究地表和地壳浅层地质结构,以选择简单的地壳均衡模型为好。本方法的优点是不受地形格架影响,便于进行广泛对比和定量研究     

GPS测量大气折射模型研究

在精密ＧＰＳ测量中,大气折射改正误差是最大的误差源之一。研究大的射理论,建立更加符合实地的模型,推导精确的改正公式,已成为ＧＰＳ测量研究中最重要的课题之一。本文对大层折射理论进行了深入研究,建立了新的在气层模型,推导出新的更精确的折射改正公式。     

大气重力信号的理论计算及其检测

基于标准大气定律和大气圆柱体分布模型,本文引进了大气重力格林函数,用离散格积方法求得了大气对重力场观测的影响,对台站高程、周围地形和地表温度变化等因素的影响问题进行了讨论．结果说明台站近区气压变化是大气重力信号的主要贡献者,考虑大气质量负荷引起的弹性地球形变效应后,对距台站0．5°的区域积分获得的大气重力导纳值为-0．3603μGal／hPa,占全球大气变化引起的总信号的90％以上,这一理论模型结果与超导重力仪实测结果相吻合,并能较有效地用于消除重力观测中的气压干扰成分．     

考虑沉积层重力改正的中国西部Moho面深度反演

首先研究了大型沉积盆地对地表重力异常的影响,然后基于Parker-Oldenburg迭代算法,利用经过沉积层改正的布格重力异常数据反演了中国西部的Moho面深度。结果表明,地壳浅层密度异常对地表重力异常和Moho面深度结果的影响较大,利用简化的三层沉积层模型,计算出的中国西部沉积盆地的重力异常改正最大可达25 m Gal,由此引起的Moho面深度可达2.2 km,Moho面深度最终计算结果与区域最新研究成果相符合,因此,利用重力异常反演Moho面深度时,应考虑沉积层的影响以提高反演精度。     

武汉九峰站地下水变化对重力场观测的影响

本文从地下水渗透过程的物理机制出发,采用一维水动力学模拟,利用井水位和降雨数据模拟计算了武汉九峰站附近的土壤含水率变化,在此基础上估计了地下水变化导致的重力效应.其峰对峰变化幅度达到15.94μGal,说明当利用精密重力观测研究长周期效应时实施台站地下水改正的必要性;频域分析表明,地下水重力效应在周年频段上的振幅最大,说明地下水变化对重力的最大影响来自季节性变化.对比模拟计算的地下水重力效应和经过潮汐、大气、极移等改正后的高精度超导重力残差(峰对峰变化幅度为12.73μGal),发现两者在时域和频域均具有良好的一致性,说明超导重力残差信号主要来源于局部地区地下水的变化,同时也验证了本文使用的水动力学模拟方法的正确性.     

中国大陆精密重力潮汐改正模型

利用理论和实验重力固体潮模型,充分考虑全球海潮和中国近海潮汐的负荷效应,建立了中国大陆的精密重力潮汐改正模型.结果表明,采用不同的固体潮模型会对重力潮汐结果产生相对变化幅度小于0.06％的差异;在沿海地区海潮负荷的影响约为整个潮汐的4％,而中部地区约为1％,其中中国近海潮汐模型的影响约占整个海潮负荷的10%,内插或外推潮波的负荷约占海潮负荷的3％.通过比较实测的重力数据表明,本文给出的重力潮汐改正模型的精度远远优于0.5×10^-8 m·s^-2,说明了本文构建的模型的实用性,可为中国大陆高精度重力测量提供有效参考和精密的改正模型.     

香港地区重力固体潮和海潮负荷特征研究

介绍了在香港地区重力固体潮合作观测成果, 获得了该地区完整的重力固体潮实测模型. 利用全球和近海海潮模型以及岛屿验潮站数据较系统地研究了海潮负荷特征, 反演了全球海潮模型的适定性. 数值结果说明周日频段内的海潮模型要比半日频段内的模型更加稳定, 实施验潮站潮位高变化改正对精密确定重力固体潮相位滞后起重要作用. 文章还研究了重力观测残差和台站背景噪声水平. 本项研究填补了中国地壳运动观测网络在该地区重力固体潮观测空白, 为地表和空间大地测量提供有效参考和服务.     

Gravity reduction with three-dimensional atmospheric pressure data for precise ground gravity measurements

The redistribution of air masses induces gravity variations (atmospheric pressure effect) up to about 20 μgal. These variations are disturbing signals in gravity records and they must be removed very carefully for detecting weak gravity signals. In the past, different methods have been developed for modelling of the atmospheric pressure effect. These methods use local or two-dimensional (2D) surface atmospheric pressure data and a standard height-dependent air density distribution. The atmospheric pressure effect is consisting of the elastic deformation and attraction term. The deformation term can be well modelled with 2D surface atmospheric pressure data, for instance with the Green's function method. For modelling of the attraction term, three-dimensional (3D) data are required. Results with 2D data are insufficient.From European Centre for Medium-Range Weather Forecasts (ECMWF) 3D atmospheric pressure data are now available. The ECMWF data used here are characterised by a spacing of Δ and Δλ = 0.5°, 60 pressure levels up to a height of 60 km and an interval of 6 h. These data are used for modelling of the atmospheric attraction term. Two attraction models have been developed based on the point mass attraction of air segments and the gravity potential of the air masses. The modelling shows a surface pressure-independent part of gravity variations induced by mass redistribution of the atmosphere in the order of some μgal. This part can only be determined by using 3D atmospheric pressure data. It has been calculated for the Vienna Superconducting Gravimeter site.From this follows that the gravity reduction can be improved by applying the 3D atmospheric attraction model for analysing long-periodic tidal waves including the polar tide. The same improvement is expected for reduction of long-term absolute gravity measurements or comparison of gravity measurements at different seasonal times. By using 3D atmospheric pressure data, the gravity correction can be improved up to some μgal.     

A search for atmospheric effects on gravity at different time and space scales

We investigate in this paper various approaches to correct gravity changes for the effect of atmospheric pressure changes. Two specific locations are considered: Strasbourg (France) as mid-latitude station, where regular pressure fronts occur and Djougou (Benin) as equatorial station with large thermally driven S₁ and S₂ waves of planetary extent. We first review the classical approaches based on a constant or frequency-dependent admittance using only local pressure and gravity data. We consider then a model of atmospheric loading and show the barometric admittance in terms of elastic, Newtonian and total load, as a function of the distance from the station. We consider both a 2D pressure model (surface loading) and a 2.5D model, where the density decreases with height (standard atmosphere). Assuming horizontal advection in the atmospheric dynamics, we convert this spatially dependent admittance into a frequency-dependent admittance. Using global pressure data from European Centre for Medium-Range Weather Forecasts (ECMWF) at about 12 km spatial resolution and 3 h sampling, we compute the model-predicted pressure admittance for Djougou and Strasbourg and we simulate the frequency dependence inferred from gravity and pressure observations below 4 cycle per day. A long gravity and pressure data set (1996–2013) from Strasbourg is used to investigate the low frequency part of the pressure admittance while a common 2.5 year data set (August 2010–February 2013) for Strasbourg and Djougou is then analyzed to investigate the high frequency part of the admittance. In both cases, our results are in close agreement with the predictions inferred from an atmospheric 2.5D loading model with a distance–time relationship due to horizontal advection. The frequency dependence of the barometric admittance is explained by the competing contributions of Newtonian attraction and elastic surface deformation according to the distance from the gravimeter. In the far field (low frequencies), the magnitude of the admittance decreases with frequency because of the combined elasticity effect and Newtonian attraction (when the atmosphere is below the horizon) while, on the contrary, in the near field (high frequencies), elasticity becomes negligible and the pressure admittance mainly decreases with increasing frequency because of the decreasing attraction effect of the atmospheric masses inside the cylindrical pressure cell centered on the sensor location of decreasing radius. In the last part, we show that there is variability in time in the pressure admittance for both stations.     

太阳辐射和地面气象要素的日环食效应

本文通过对1987年9月23日日环食期间太阳辐射和地面气象要素等实测资料的分析,指出了在日环食过程中太阳辐射和地面气象要素等的变化,也叙述了日食期间地面臭氧含量的变化;第一次在国内测得了由日食引起的大气重力波,进而讨论了大气重力波的若干特性.     

Atmospheric effects on satellite gravity gradiometry data

Atmospheric masses play an important role in precise downward continuation and validation of satellite gravity gradiometry data. In this paper we present two alternative ways to formulate the atmospheric potential. Two density models for the atmosphere are proposed and used to formulate the external and internal atmospheric potentials in spherical harmonics. Based on the derived harmonic coefficients, the direct atmospheric effects on the satellite gravity gradiometry data are investigated and presented in the orbital frame over Fennoscandia. The formulas of the indirect atmospheric effects on gravity anomaly and geoid (downward continued quantities) are also derived using the proposed density models. The numerical results show that the atmospheric effect can only be significant for precise validation or inversion of the GOCE gradiometric data at the mE level.     

基于PCWin98经济网络分布式动力大地测量学数据库的设计与实现

分析了动力大地测量学数据的结构和应用特点,结构现有网络和计算机软硬件状况,兼顾使用者的计算机水平和建库的人物力条件,得出了建立地测量学科数据库的思路和方案,建成基于Ｗｉｎ９８经济网络分布式动力大地测量学数据库。基于Ｗｉｎ９８经济网络、以资源共享方式集成的数据库系统开发环境有很大的在线数据存储能力、灵活分散式的数据库实现模式和调用功能。实现了以往大型计算机才能完成的系统。目前,系统平时能满足一般需要,必要时完成大型复杂任务。已拥有中国及其邻区原始气象数据、全球平均气压数据、超导观测数据、中国邻区重力场数据、地球自转及其有关数据、海潮模型、重力模型、软件等子库,容量达数十千兆,为科研提供快捷的数据服务。为目前普遍使用的区域网用户提供一种可行的科学数据库实现模式。     

利用激光雷达测量重力波三维结构

激光雷达观测得到的密度、温度等数据被广泛应用于大气重力波研究.瑞利激光雷达可以获取激光路径上的大气密度、温度数据.对于大气中的三维波动而言,单条路径上的观测参量能提取得到的波动信息有限.本文首先以单色重力波为例,分析了利用激光雷达直接观测三维波动结构的可行性.激光雷达垂直观测即可得到重力波的垂直波长,当激光雷达以一定的天顶角斜向测量时,所得到的波长包含了重力波的垂直波长以及水平波长信息.因此,利用激光雷达同时以三个方向(垂直、向南(天顶角30°)以及向西(天顶角30°))测量,可以提取得到重力波的垂直波长和水平波长.本文利用中国科学院国家空间科学中心研制的车载532nm瑞利激光雷达的经向系统和纬向系统同时以不同的指向角观测大气重力波,对利用激光雷达获取三维波动结构的方法进行了分析研究.本文给出了北京地区激光雷达观测重力波的诸多案例,分析了30~60km高度范围内北京地区大气重力波的垂直及水平波长信息.并以2017年11月7日观测的准单色重力波为例,结合再分析资料的风场数据,分析了该重力波的水平波长,垂直波长及传播方向等信息.     

基于EEMD分解的气压改正方法研究

利用超导重力仪观测数据精确测定低于1 mHz的地球自由振荡简正模式的分裂频率,是在不与任何弹性系数发生联系的情况下改善一维密度模型的有效方法.但在该频段台站局部气压变化对重力观测数据的影响成为主要干扰来源,且具有频率依赖特性,因此精细地开展气压改正成为利用超导重力数据检测低频自由振荡信号的必要手段.本文基于EEMD方法,提出了一种具有频率依赖特性的气压改正方法.该方法将重力观测和气压变化分解成处于不同频段的本征模态函数,并在相应频段上分别进行重力-气压变化的回归分析,计算得到具有频率依赖特性的气压导纳值,精细地消除气压变化对重力观测的影响,并以此对微弱低频地球自由振荡信号开展高分辨率分析.基于本文提出的气压改正方法,利用大地震后的超导重力数据检测了频率小于1.5 mHz的低频地球自由振荡及其频谱分裂现象.研究结果表明：利用该方法进行气压改正后检测得到的各简正模具有更高的信噪比,估计的本征频率误差水平明显降低,获得的基频球型振荡₀S₂和₀S₃以及一阶球型振荡₁S₂的分裂谱峰的估计精度更高,同时还检测到了部分环型振荡在重力观测中的耦合现象.对低频地球振荡的高分辨率检测结果验证了基于EEMD分解提出的气压改正方法的有效性,同时再次证明了超导重力仪观测数据在低频地球自由振荡检测中的优势.