重力卫星五年运行对求定地球重力场模型的进展和展望

对近年升空的CHAMP和GRACE和将于2007年升空的GOCE卫星在测定地球重力场方面的技术特点和初步成果进行了回顾、比较和评估。并对它们今后在静态和动态的地球重力场构模方面可能的进展作一展望。现在只用一颗重力卫星的轨道摄动数据,就可以以前所未有的可靠性和精确性来求定地球重力场的长波和部分中波。如CHAMP重力卫星的33个月数据所求定的地球重力场模型,相对于曾利用多颗卫星资料所推算的GRlM5-S1重力场模型,在长波方面的精度和可靠性都有很大改善。而GRACE重力卫星的110天数据所导出成果的空间分辨率,又优于CHAMP的33个月的数据成果。GRACE卫星还有一个重要任务,就是测定重力场非潮汐的短期性或准实时的变化。还介绍了新发表的一个联合地球重力场模型EIGEN-CG03C,360完全阶次,分辨率约30′。CG03C同CHAMP／GRACE以前的重力场模型比较,在400km波长的精度方面改善了一个量级,大地水准面的精度改善了3cm,重力异常的精度改善了0．4mgal。     

重力卫星五年运行对求定地球重力场模型的进展和展望

对近年升空的CHAMP和GRACE和将于2007年升空的GOCE卫星在测定地球重力场方面的技术特点和初步成果进行了回顾、比较和评估。并对它们今后在静态和动态的地球重力场构模方面可能的进展作一展望。现在只用一颗重力卫星的轨道摄动数据，就可以以前所未有的可靠性和精确性来求定地球重力场的长波和部分中波。如CHAMP重力卫星的33个月数据所求定的地球重力场模型,相对于曾利用多颗卫星资料所推算的GR1M5 S1重力场模型,在长波方面的精度和可靠性都有很大改善。而GRACE重力卫星的 110天数据所导出成果的空间分辨率，又优于CHAMP的33个月的数据成果。GRACE卫星还有一个重要任务，就是测定重力场非潮汐的短期性或准实时的变化。还介绍了新发表的一个联合地球重力场模型EIGEN CG03C, 360完全阶次，分辨率约30′。CG03C同CHAMP/GRACE以前的重力场模型比较，在400 km波长的精度方面改善了一个量级，大地水准面的精度改善了3 cm，重力异常的精度改善了0.4 mgal。     

卫星重力测量的应用进展

介绍了CHAMP、GRACE和GOCE三颗重力卫星,评述了卫星重力数据在恢复地球重力场模型,测定陆地水储量变化,研究大地水准面变化、弹性厚度、地壳厚度,地震前后重力场的变化、地壳运动等方面的应用,以及一系列卓有成效的研究成果,认为卫星重力探测技术相对传统的重力测量具有得天独厚的优势,将会有更大的应用空间。     

利用GRACE重力卫星求解南极洲冰川质量变化的精度研究

GRACE重力卫星可用于观测南极洲冰川的质量变化。由GRACE重力卫星提供的月解重力场能有效探测质量的年变化及长期变化(周期和非周期性)。通过GRACE观测的质量变化时间序列,计算得到南极洲质量的长期变化及周期性年变化。计算结果受多种误差影响,其中GRACE模型误差的影响较小,而研究时段及其跨度的影响较为显著,以不同宽度的时间窗口进行平移,得到无穷时间序列下该误差的参考值为±14.89 mm/a。南极地区的气压修正误差可达±10 mm/a,GIA修正误差与其量级相同。由此我们认为,目前对于南极洲冰川质量变化的一些认识仍需商榷。南极洲西部地区冰川加速消融,Dronning Maud Land和Enderby Land等地区的质量持续累积;其他地区的质量变化情况仍需进一步研究。     

我国重力固体潮实验研究进展

综述了我国重力固体潮研究领域的相关成果,包括积累大量观测数据,建立国际潮汐基准和独立的国际标定系统,利用小参数扰动法发展了地球潮汐理论模型,用计算机演绎法实施潮汐位展开,用残差信号对数据作预处理,用小波分析方法设计滤波器,用远近区结合法解算海潮负荷,用大气重力格林函数法解算气压对重力场观测的影响,测定了地球的近周日自由摆动参数,将固体潮汐研究成果应用于地震和重力测量,对重力仪进行静电反馈改造,精密测定了仪器相位滞后和对超导重力仪进行了标定等内容,讨论了今后研究展望。     

重力场的潮汐变化观测及其研究

基于我国武汉超导重力仪长周期序列潮汐观测数据,研究了重力场潮汐变化特征,精密确定了地球潮汐常数,讨论了重力观测中的海潮负荷和大气效应问题;根据地球自由核章动在周日重力潮汐观测中的共振效应确定了自由核章动的复本征周期和品质因子Q值,研究了极移重力效应;并对进一步利用重力潮汐观测研究地球物理问题进行了讨论。     

卫星重力与地球重力场的文献计量分析

卫星重力与地球重力场研究是国际大地测量学的重要研究领域,不仅带动了大地测量学本身的发展,也在其他相关研究领域取得了重要的科学应用.以2000年1月至2020年9月的20年Web of Science核心合集数据库中关于该领域的科学论文为研究对象,使用文献计量的方法,应用CiteSpace软件对当前研究现状、近年来发展脉络以及研究热点进行分析.结果 表明,关于卫星重力和地球重力场的文献数量总体上逐年上升,2016年以来维持较高的水平,其中美国、德国以及中国的发文量位居前三位;发文量排名前三的研究机构分别为中国科学院、加州理工学院和美国国家航空航天局;我国在卫星重力及地球重力场领域的研究力量相对集中,中国科学院、武汉大学以及中国科学院大学发文数占中国总数的75.36％;利用GRACE数据和球谐函数构建高精度地球重力场模型,反演局部质量变化是当前国际研究热点.得益于卫星重力观测数据,全球重力场模型得到了实质性改进.     

三颗感受或(和)测量地球引力场的卫星 ——CHAMP、GRACE、GOCE

描述了三颗引力卫星CHAMP、GRACE和GOCE的工作原理, 介绍了重要的以及最新的利用GRACE数据建立的全球重力场模型EIGEN-CG01C、GGM02。     

连续重力观测站测定的中国大陆潮汐因子空间分布特征

潮汐变化空间分布可用于地球不同位置受外力响应及地球形状、地表变形的相关研究.受观测技术、仪器数量和观测精度等制约,中国大陆重力潮汐观测直到21世纪初才得到较大改善和发展.利用2015-2017年中国大陆运行较好的51个重力站潮汐观测数据,采用国际标准潮汐处理方法和软件,分析计算了中国大陆主要潮波潮汐因子的空间分布,同时,结合1′×1′的全球地形模型(ETOPO1)和全球重力场模型(WGM2012)讨论了中国大陆东西和南北向2个潮汐剖面的构造物理特征.研究结果表明:①90％以上重力站M2波潮汐因子中误差优于0.001,这已和20世纪80～90年代的超导重力仪的观测精度相当;沿海台站的O1和K1波潮汐因子大于其他地区,经Nao99b和Nao99jb海潮模型检验认为是海潮负荷引起的.②沿狮泉河—玉树—松潘—黄梅—上海佘山的东西向M2波潮汐剖面显示,当海拔高程差异超过4500m、布格重力异常差异600×10-5m/s2时,重力站间M2波潮汐因子差异可达2％,且和高程呈正相关特征.③沿孟连—西昌—银川—乌加河的南北向M2波潮汐剖面站间潮汐因子差异为1.0％～1.5％.④重力站潮汐因子和高程的相关性分析表明,内陆站M2、O1波相关系数超过40％具有正相关特征.上述结果可为中国大陆地壳结构横向不均匀性和动力变形响应研究提供参考.     

月球重力场研究的论述

月球重力场探测是了解月球内部结构构造最有效的手段之一,也是未来登陆点选择的重要依据.在众多方法中,卫星重力探测是进行全月球覆盖以及获得月球深部信息的重要方法.本文叙述了当前月球重力探测历史和重力模型发展过程,并对这些模型进行比较分析.在了解前沿研究方法的基础上讨论了月球重力位场解算的基本原理、高精度月球重力场获得的方法...     

Estimation and removal of non-tectonic effects from gravity survey data

When gravity survey accuracies of a few microgals are sought, many correction factors must be accounted for, including meter calibration constants, water-table level fluctations, solid-earth tides, ocean tides and in some cases rapid atmospheric fluctuations. Calculation of most of these correction factors is relatively straightforward. However, the effects of ocean tide loading are not as easily estimated, partly due to the lack of knowledge of the ocean tides themselves. Amplitude and phase factors for the better-known ocean tide components O₁ and M₂ have been theoretically computed for a grid in southern California in order to correct gravity survey data at arbitrary locations for these ocean tidal-loading components. The gravity data from a three-month period were recorded on a tidal gravimeter at the station PAS and then hand-digitized in order to test the ocean tide estimation program. The O₁ and M₂ ocean tidal components were effectively reduced to less than 0.5 μGal. The remaining high-frequency tidal components appear to be K₁ and S₂. If the ocean tides are not taken into account, as much as 16–20 μGal of error can occur solely due to the effect of ocean loading on the gravitational tides when comparing two surveys near Pasadena. The effect increases towards the coastline and decreases inland. Examples of reduced data from the CIT gravity survey network, which has been observed on an approximately monthly basis since 1974, will be shown.     

海洋卫星测高技术和海洋地形试验TOPEX卫星计划

ＴＯＰＥＸ卫星是目前精度最高的海洋测高卫星，利用ＳＬＲ技术确定的ＴＯＰＥＸ卫星轨道径向精度达到２．８ｃｍ，这使它可以有效地监测全球的海洋地形。ＴＯＰＥＸ卫星主要用于全球的海面变化和洋流研究。利用ＴＯＰＥＸ资料可以得到新的地球引力场，海洋大地水准面和海潮模型。     

Orbitally forced sedimentary rhythms in the stratigraphic record: is there room for tidal forcing?

The imprint of orbital cycles, which result from the varying eccentricity of the Earth’s orbit and changes in the orientation of its axis, have been recognised throughout the Phanerozoic rock record. Variations in insolation and their effect on climate are generally considered to be the sole transfer mechanism between the orbital variables and cyclic sedimentary successions. Common oceanographic principles, however, show that the ocean tide also responds to variations in the orbital parameters. The ocean tide has not yet been considered to be a valid, additional transfer mechanism for the orbital variations. In geological studies of Milankovitch cycles in sedimentary successions the insolation paradigm offers satisfying explanations, and the role of long‐term variations of the ocean tide has not yet been appreciated. Variations in the ocean tide, related to changing eccentricity (at present 0·0165, theoretical maximum 0·0728), affect a variety of oceanographic and sedimentary processes. In addition to the widely accepted paradigm of orbitally forced insolation changes, the tidal transfer of orbital signals may explain certain less well‐understood aspects of orbitally induced cycles in the stratigraphic record related to ocean mixing, organic productivity, and tidal processes in shallow seas and deep water. Variations of the ocean tide in relation to the 18·6 year lunar nodal cycle, which has no insolation counterpart by which they may be obscured, indeed show that these relatively small variations can produce significant effects in sedimentary environments that are sensitive to variations in the strength of the ocean tide. In analogy with the 18·6 year lunar nodal cycle, orbital variations of the tide on Milankovitch time scales are likely to have affected sedimentary systems in the past.     

利用GPS提取南极Amery冰架海潮信号

潮汐运动是冰架短期垂直运动的来源, 对冰架影响十分显著. 选取2003/2004年度南极夏季期间中国在Amery冰架上连续5 d的GPS数据, 利用GAMIT/GLOBK进行数据处理, 获取了由海潮引起的冰架垂向运动时间序列;垂直方向精度优于0.18 m, 并且和中国南极中山验潮站的潮汐变化曲线进行了对比, 获得了一致的结论. 利用GPS测量海潮可为精化南极地区的海潮模型提供可靠的现场数据, 对南极冰盖物质平衡研究及冰海交互动力学模型研究有着重要的作用.     

Modelling the geoid and sea-surface topography in coastal areas

This paper looks at the relation between the time-averaged level of the sea surface and a gravimertic geoid, as determined in coastal areas. Measurements in local regions can now be accurate enough to demonstrate that the geoid and mean sea level are not even parallel to each other, let alone identical. The accuracy and pattern structure of surface gravity data in some shelf seas is comparable with those on land, so that a marine geoid can be derived from surface data without using satellite altimetry. The geodetic objective is then to combine the two to determine sea surface topography. In principle, gravimetric studies provide the absolute datum so that local oceanographic models on the shelf can be combined with sea surface topography models related to the global ocean circulation. In contrast, sea surface topography information near deep ocean coasts must come from external sources and satellite altimetry used to give the gravity data needed to offset the less good coverage by ship-borne gravimetry.Marine Bouguer anomalies enable two specific problems of gravity anomaly patterns near the continent ocean transition to be overcome. The necessary extension of Stokes' condensation reduction is developed and illustrated along a north-south profile from the Mediterranean across the Cote d'Azur. The effect on gravity of deep ocean water introduces a geoid correction in the form of a dipolar ridge whose amplitude at the shore is about 11 cm. In addition to geostrophic currents, a semi-quantitative model for the thermohaline effects on sea surface topography is discussed in relation to sea level differences between the Atlantic and Mediterranean.In considering appropriate algorithms for local geoid computation, Kirby's Iterative Fourier Combination routine for combining altimetry and surface gravity is extended to account for global sea surface topography. The impact of very fast spherical harmonic analysis algorithms is discussed and a simple physical model is given which explains the short coherence lengths found for the global gravity field. This necessary assumption for any local geoid computation was hitherto purely empirical.Finally, the use of land data such as tide gauges, ellipsoidal heights from GPS, and orthometric heights from first order levelling are reviewed as ways of corroborating geodetic estimates of sea surface topography and its relation to levelling datums. Successful examples are given from southern England.     

固体潮校正计算方法的改进

Excel被认为是当前功能强大、使用方便的电子表格软件。从1993年起,Excel就开始支持Visual Basic for Applications（VBA）．VBA是一款功能强大的工具,它使Excel形成了独立的编程环境。重力固体潮校正的计算改进前,重力计算中都是通过basic语言的程序设计在dos环境下来完成的。在大量应用windows的今天,dos的应用已经没有象windows那样普及。如果不能了解dos环境下的命令语句,根本就不能完成重力的计算工作。为此作者等对固体潮校正的计算进行改进,改进后达到了简单、高效的效果。     

用改性粘土矿物治理赤潮灾害的前景

赤潮,这一当今全球性的海洋灾害,正严重干扰着３０多个沿海国家的经济发展。近年来,我国已成为一个赤潮灾害多发的国家。我国大陆沿海１９７２年至１９９４年记录有２５６次赤潮灾害,且呈逐年增加趋势。据统计,仅１９９８年的赤潮所造成的经济损失就已超过１０亿人民币。１９９８年是我国赤潮重灾年：三四月份,赤潮袭击香港,造成约３亿港元的损失。广东省从饶平市、汕尾市到深圳、珠海、阳江沿海相继发生了赤潮,蔓延速度之快,致灾面积之大,实属历史罕见,是广东省近１３年来最严重的一次,造成的经济损失超过１亿元。１９９８年下…     

地应变固体潮对微渗漏作用的动力贡献研究

目前国内外对构造应力作用下地球内部流体运动的规律与特征的研究已经很多 ,但面向地应变固体潮对地壳微裂缝系统的微渗漏作用影响的研究尚属空白。地球在太阳、月球的引力作用下 ,一方面在其表面的海洋、湖泊形成直观的潮汐现象 ;另一方面固体地球自身还形成肉眼无法看到的粘弹性形变 ,称为固体潮。固体潮不仅能引起重力变化、地面倾斜和地面伸缩等地球物理现象 ,而且还为地壳内微裂缝系统提供了永恒的、周期性的伸缩开合变化的动力 ,大大提高了流体在微裂缝系统中微渗漏的规模和距离 ,造成流体中物质元素的迁移和变化的地球化学现象。文中主要阐明了地壳裂缝系统和流体微渗漏作用的客观存在 ,探讨并总结了地应变固体潮对微裂缝系统的应力作用特点以及为流体微渗漏作用所作出的重要动力贡献 ,并将固体潮与地球化学有机联系在一起 ,从理论上说明流体携带包含深部矿藏 (体 )信息的特征元素或物质完全有可能通过微渗漏作用迁移至地表并形成该元素或物质的地球化学异常 ,为当前的地表土壤法、地气法、电提取法、电吸附、吸附丝等多种地球化学找矿方法提供可信的理论依据。     

Independent Component Extraction and Cross-correlation Spectrum Analysis of Gravity Tide Signal

The gravity solid tide signal includes daily wave, half-day wave and annual wave and moon wave harmonic component, but the energy of day wave and half-day wave component is relatively strong, and the energy of annual wave and moon wave component is relatively weak. In order to effectively extract these harmonic components with large energy differences and reveal the modulation relationship between them, according to the cause of gravity tide, a gravity solid tide signal decomposition model is used to compare the tidal harmonic components with different strengths. The form of the independent component is decomposed into different orthogonal directions. At the same time, a new optimization algorithm is used to improve the independent component analysis algorithm and separate the independent components of different orthogonal directions. In the spectral correlation analysis of the components of independent components, the autocorrelation operation will make the strong component stronger and the weak component weaker. For this problem, the cross-correlation spectrum between independent components is used to reveal the gravity tide signal., the modulation relationship between harmonic components. The experimental results show that the proposed algorithm not only effectively separates the independent components with large intensity difference in the gravity tide signal from the perspective of additive decomposition, but also reveals the multiplicative modulation relationship between the corresponding tidal harmonics based on the cross-correlation spectrum.     

近海陆架区内潮观测研究进展

内潮是近海陆架区内最常见的海洋内波,一般是由正压潮经过特殊地形或海况激发产生,内潮由此具有天文潮周期且出现频率相对稳定。频繁出现的内潮对人类海上活动的影响有弊也有利,它可引发强烈的海水混合或产生上升流,使深层营养盐提升从而形成丰富的渔场;而大振幅内潮或由其演变出的强孤立内波会干扰海洋工程作业,对建成的石油钻井平台和海底油气管道构成严重的威胁;内潮导致的水体扰动还会对海上舰船的行驶产生不利影响。所以对近海陆架区内潮的观测研究一直为人们所重视。对内潮的一些相关特点做了简要介绍,主要论述了国际上近海陆架区内潮观测研究的进展情况,以及近几年来观测方法的最新发展趋势;并着重分析了南海北部海区内潮研究现状,讨论了目前南海内潮观测研究中存在的一些问题,进而提出今后开展进一步观测研究的思路。