利用SWARM卫星高低跟踪探测格陵兰岛时变重力信号

GRACE重力卫星任务即将结束,后续GRACE Follow-On卫星计划于2017年发射,在此期间,迫切需要一个新的卫星计划继续对全球时变重力场进行连续监测,以保证时变重力场信息时间序列的连贯性.SWARM计划包括三颗轨道高为300~500 km的近极轨卫星星座,类似于三颗CHAMP卫星,具有接替时变重力场探测的潜力.本文首先分析SWARM(模拟)、CHAMP、GRACE反演至60阶时变重力场球谐系数的误差特性及不同高斯平滑半径对高频误差的抑制效果,然后分别利用SWARM、CHAMP、GRACE的时变重力场模型恢复全球质量变化,结果表明,SWARM模拟观测数据的高频误差低于CHAMP观测数据,探测时变重力场的整体精度优于CHAMP,略低于GRACE探测精度;其次,对比2003年1月—2009年12月期间CHAMP(hl-SST)和GRACE(ll-SST)时变重力场模型反演格陵兰岛冰盖质量变化趋势,结果显示,CHAMP数据得到格陵兰岛冰盖质量变化趋势为-50.2±2.0 Gt/a,GRACE所得结果为-41.2±1.6 Gt/a,两者相差21.8%;最后,对比2000年1月—2004年12月间SWARM模拟数据和"真实"模型数据反演的格陵兰岛冰盖质量变化趋势,结果表明,两者相差19.2%.本文研究表明,利用SWARM hl-SST数据探测时变重力场可以达到20%相对精度水平,有潜力用于填补GRACE和GRACE Follow-On期间探测地球时变重力场的空白.     

基于Slepian方法和地面重力观测确定时变重力场模型:以2011-2013年华北地区数据为例

时变重力场是研究地球系统内部物质运动和时空演化过程的有效途径.目前广泛使用的GRACE时变重力场模型受限于其空间分辨率(约400 km),难以探测较小空间尺度的重力变化.本文首次尝试利用Slepian局部谱分析方法和多期地面重力观测确定更高空间分辨率的时变重力场模型.Slepian方法通过构建研究区域内的正交基函数,将信号能量集中在研究区域内部,是构建球面局部重力场模型的理想方法.本文根据Slepian方法的特点给出了区域重力场建模及参数优化的步骤,以我国华北地区为例,基于2011-2013多期地面观测确定了区域时变重力场模型,并与同区域由Slepian方法和GRACE卫星数据确定的重力变化进行了对比分析.结果表明:(1)贝叶斯信息量准则可作为确定Slepian展开最佳截断数的有效手段;(2)基于研究区域内现有重复测点数据,能够恢复120阶时变重力场,空间分辨率(半波长)约150km;(3) 2011-2013年间研究区域内GRACE估计结果与120阶地面结果在时空分布的显著趋势上存在较好的对应,证明了本文利用Slepian方法和地面观测所得时变重力场模型的可靠性.本文研究结果可为区域重力场建模提供新的参考,也可为华北地区水资源变化监测、构造活动分析以及地震风险性评估等研究提供高分辨率的时变重力场模型支撑.     

卫星重力探测技术的发展

在地球物理勘探领域中,人造地球卫星的发射为重力测量提供了新的途径。与以往探测重力的手段相比,重力卫星的发射大大改善了人们对地球重力场的认识,随着CHAMP、GRACE和GOCE卫星的发射,将把现有静态中长波部分重力场的精度提高1—2个数量级,并提供长波部分重力场随时间变化的信息。卫星重力学对我国的基础测绘服务和国防建设有着重要的实用价值。     

陆地高精度重力观测数据的应用研究进展

陆地重力观测相较于航空和卫星重力观测,距离场源更近,观测精度相对较高,其静态异常和时变数据已广泛应用于研究多种地球动力学问题.21世纪以来,绝对重力观测技术发展迅速,陆地观测网络日益完善,高精度陆地重力观测数据产品逐渐丰富,基于这些产品的大地测量和地球物理研究不断取得新进展.本文总结了近十几年来高精度陆地重力观测数据在大地测量和地球物理领域的应用进展情况,包括基于重力异常数据构建重力场和大地水准面模型、建立地壳物性结构模型、反演Moho界面形态和估计岩石圈有效弹性厚度,以及利用时变重力数据构建时变重力场模型、探测微弱动力学信号、估计地壳构造变形速率和分析与火山、地震过程的可能关联,最后探讨分析了陆地重力测量的未来发展趋势,可为中国大陆重力观测系统建设与发展规划提供参考.     

基于GRACE卫星和地表流动重力的汶川MS 8.0地震前重力时空变化

利用GRACE卫星重力场模型和地表流动重力观测资料,计算2008年汶川M_S 8.0地震发生前6年的重力变化,对卫星和流动重力段差结果与卫星重力反映的重力场动态变化特征进行研究,结果表明：①GRACE卫星重力段差受滤波半径影响显著,与地表流动重力观测结果相比,在重力变化数值上差异较大,在变化率上较为一致;②在汶川地震孕育阶段,川滇地区重力等值线呈“增大—减速增大—减小”的特征,震前2年形成近似垂直于龙门山断裂带的重力变化梯度带。     

卫星重力学与重力卫星研究进展

综述了地球重力场研究对揭示其运动和时变与地震之间的关系的重要性；介绍了当今国际固体地球科学与防灾研究的一个新热点——卫星重力学与重力卫星研究的进展。随着重力卫星计划的实施，地球重力场的研究也将因此产生质的变化。文章对CHAMP、GRACE和GOCE重力卫星作了介绍。     

利用GRACE空间重力测量监测长江流域水储量的季节性变化

2002年3月成功发射的美德合作重力卫星计划GRACE(Gravity Recovery And Climate Experiment)已经开始提供阶次数达到120、时间分辨率为约1个月的地球重力场模型时变序列. GRACE的星座由两颗相距约220 km, 高度保持300~500 km, 而倾角保持约90°的近极轨卫星组成. 由于采用星载GPS和非保守力加速度计等高精度定轨技术以及高精度的星-星跟踪数据反演地球重力场, 在几百公里和更大空间尺度上, GRACE重力场的精度大大超过此前的卫星重力观测. 根据GRACE时变重力场反演的地球系统质量重新分布对固体地球物理、海洋物理、气候学以及大地测量等应用有重要的意义. 在长期时间尺度上, GRACE的结果可用于研究北极冰的变化, 并进而研究极冰融化对全球气候变化, 特别是对海平面长期变化的影响. 在季节性时间尺度上, 利用GRACE重力场的精度足以揭示平均小于1 cm的地表水变化或小于1 mbar的海底压强变化. 除了巨大的社会和经济效益外, 这些变化对了解地球系统的物质循环(主要是水循环)和能量循环有非常重要的意义. 利用2002年4月至2003年12月之间共15个月的GRACE时变重力场揭示了全球水储量的明显季节性变化, 并重点分析了中国长江流域水储量的变化. 结果表明长江流域水储量周年变化幅度可达到3.4 cm等效水高, 其最大值出现在春季和初秋. 根据GRACE时变重力场反演的水储量变化与两个目前最好的全球水文模型的符合相当好, 其差别小于1 cm等效水高. 研究表明现代空间重力测量技术在监测一些大流域的水储量变化(如长江流域)、全球水循环和气候变化上有巨大的应用潜力.     

GRACE卫星重力在地震研究中的应用进展

地球重力场恢复与气候实验卫星(GRACE)在运行期间提供了大量的地球时变重力场观测数据,在大地测量、地球环境变化等领域有非常广泛的应用.在固体地球科学研究中,GRACE重力场数据被广泛应用于天然地震研究,由于地震过程中存在大范围的质量迁移,大型地震引起的重力变化可以被GRACE卫星探测到.同时GRACE记录的地震同震及震后长期的重力场变化对反演地震震源参数也起到了帮助作用.本文从GRACE卫星重力场在地震研究中的应用出发,在回顾了GRACE卫星重力在地震应用的主要进展的基础上,总结了以地震研究为应用目标的数据处理方法与流程,为地震同震及震后卫星重力数据处理提供了技术思路.本文结合前人在2004年M_W9.3苏门答腊地震、2010年M_W8.8智利地震、2011年M_W9.0日本东北地震的研究成果,针对地震重力变化的同震观测、震后观测、间接观测等领域,总结了GRACE卫星重力的主要应用进展,提出了其中涉及的GRACE数据处理与地震综合解释的主要研究问题.在总结技术研究进展的基础上,本文以2004年M_W9.3苏门答腊地震为研究对象,对GRACE卫星重力数据序列进行处理,得到该地震的同震重力变化特性,并以此为基础进行了地震同震重力变化的特征分析.在回顾和总结的基础上,本文结合GRACE-Follow on计划的优势,提出未来GRACE卫星应用于地震研究的发展展望.     

GRACE卫星观测到的与汶川Ms8.0地震有关的重力变化

利用GRACE卫星重力资料,计算了中国大陆及周边的卫星重力时变场和地表密度变化分布,获取了具有代表性的点位区域的每月重力变化时间序列.同时获得了WUSH、LHAS、KUNM、LUZH站相对于区域参考框架的GPS位移时间序列.卫星重力观测结果显示喜马拉雅弧形带的重力在2004年苏门答腊M_w9.3地震后快速下降, 2006~2008年尤为明显,西域地块西北边界带上震后重力下降也较为显著;而沿青藏高原北至东边界2007年出现明显的重力上升沿构造边界的弧形分布,且2008年南北地震带中南段重力上升变化显著.这些苏门答腊地震后的重力变化趋势到汶川地震发生后才开始改变.GPS位移结果显示四个台站均记录到苏门答腊大地震的同震信号,震后WUSH、LHAS、KUNM站水平位移向量出现明显的运动趋势改变,且一直持续到2008年汶川M_s8.0地震的发生.GRACE卫星揭示的青藏高原及周边地表质量的变化为解释汶川地震的动力机制提供了新的观测途径和资料.本文结合区域构造运动的特点和GPS位移,对GRACE观测的时变重力场特征及汶川地震的动力机制进行了初步解释和讨论.     

基于卫星重力的青藏高原东缘多尺度时变重力场研究

利用经过去相关滤波处理的GRACE时变重力场模型获得了青藏高原东缘2003—2012年的卫星年重力变化图像,并针对该区域近年发生的三次特大地震,结合震前及震后月重力场变化图像,分析与强震有关的卫星重力场变化特征。从区域年重力变化图像可以看出,三次大震均发生在年重力变化较低的时段内,震前小幅值变化可能是地震发生的中短期前兆;从汶川地震和玉树地震发生前后的月重力场变化图像可以发现,发震前后断层附近的重力变化模式发生变化,这可能印证了震后位场变化恢复理论;从汶川地震前后的龙门山断层附近点上的周重力变化趋势可以明显发现,汶川地震发生（第20周）后近9周的时间,断层东西侧呈现了相反的重力变化特征,这可能是对震后壳幔物质调整过程的反映。     

Seismologic applications of GRACE time-variable gravity measurements

The Gravity Recovery and Climate Experiment (GRACE) has been measuring temporal and spatial variations of mass redistribution within the Earth system since 2002. As large earthquakes cause significant mass changes on and under the Earth’s surface, GRACE provides a new means from space to observe mass redistribution due to earthquake deformations. GRACE serves as a good complement to other earthquake measurements because of its extensive spatial coverage and being free from terrestrial restriction. During its over 10 years mission, GRACE has successfully detected seismic gravitational changes of several giant earthquakes, which include the 2004 Sumatra–Andaman earthquake, 2010 Maule (Chile) earthquake, and 2011 Tohoku-Oki (Japan) earthquake. In this review, we describe by examples how to process GRACE time-variable gravity data to retrieve seismic signals, and summarize the results of recent studies that apply GRACE observations to detect co- and post-seismic signals and constrain fault slip models and viscous lithospheric structures. We also discuss major problems and give an outlook in this field of GRACE application.     

重力场动态变化与汶川MS8.0地震孕育过程

基于中国大陆1998～2007年（复测周期2～3年）流动重力观测数据,结合GPS、水准观测成果和区域地质构造动力环境,分析研究了汶川8.0级地震区域重力场动态变化演化特征和孕震机理.结果表明：区域重力场动态演化大体反映了青藏高原物质东流的动态效应和汶川大震孕育的中长期（2～10年）信息;汶川大震孕育的显著重力标志为震中西南持续多年的正重力变化（上升）和出现较大规模的重力变化梯级带,前者有利于地震能量的不断积累,后者有利于地震剪切破裂的发生;与地震孕育相关重力场变化总体呈增大—加速增大—减速增大—发震的过程;8年累积重力变化幅差最大约200×10^-8m·s^-2;2001年昆仑山口8.1级地震孕育发生和震后恢复调整,对区域重力场动态变化和汶川大震的孕育发展具有重要影响;松潘—甘孜块体一般呈现负重力变化,可能反映深部壳幔局部上隆、壳内温度较高而膨胀,有利于逆冲或推覆体运动的形成和大震的发生.     

龙门山断裂带重力变化与汶川8.0级地震关系研究

利用成都地区1996~2008年绝对重力和相对重力观测资料获得区域重力场时空动态变化结果,系统分析了龙门山断裂带重力场变化特征及其与汶川8.0级地震的关系.①重力变化与龙门山断裂构造活动存在密切空间联系,重力测量较好地反映了伴随活动断层的物质迁移和构造变形引起的地表重力变化效应.②成都地区重力场动态图像较完整地反映了2008年5月12日汶川8.0级地震孕育、发生过程中出现的流动重力前兆信息.③映秀及北川重力点值时序变化累积量达120×10^-8m·s^-2,较好地反映了汶川地震前映秀和北川两个极震区附近的重力测点随时间的剧烈波动性上升变化.④汶川地震前,龙门山断裂带东侧的四川盆地相对稳定,而较显著的重力变化发生在龙门山断裂带西侧的川西高原上.     

日本MW9.0地震震区及其周缘2002—2015年卫星重力变化时空特征

本文在考虑全球陆面数据同化系统陆地水储量变化影响后,利用2002年4月—2015年4月GRACE卫星RL05月重力场模型获取了2011年日本M_W9.0地震震中及其周边区域的重力场信息;然后给出了日本及其周边2003—2015年的年度累积重力变化和差分重力变化,并且利用经验正态函数方法深入分析了该地震过程中同震重力变化对区域重力场的贡献. 结果显示:日本M_W9.0地震前研究区域出现了幅值高达2×10-8 m/s2的异常重力变化,其同震效应的时间和空间特征均出现在第一模态,且同震重力变化和震后区域重力场变化特征显著,这充分表明该地震对区域重力场的影响显著.      

Tackling mass redistribution phenomena by time-dependent GRACE- and terrestrial gravity observations

Time variable gravity field models derived from the satellite mission GRACE have been demonstrated to be consistent with water mass variations in the global hydrological cycle. Independent observations are provided by terrestrial measurements. In order to achieve a maximum of reliability and information gain, ground-based gravity observations may be deployed for comparison with the gravity field variations derived from the GRACE satellite mission. In this context, the data of the network of superconducting gravimeters (SG) of the ‘Global Geodynamics Project’ (GGP) are of particular interest. This study is focused on the dense SG network in Central Europe with its long-term gravity observations. It is shown that after the separation and reduction of local hydrological effects in the SG observations especially for subsurface stations, the time-variable gravity signals from GRACE agree well with the terrestrial observations from the SG station cluster.Station stability of the SG sites with respect to vertical deformations was checked by GNSS based observations. Most of the variability can be explained by loading effects due to changes in continental water storage, and, in general, the stability of all stations has been confirmed.From comparisons based on correlation and coherence analyses in combination with the root mean square (RMS) variability of the time series emerges, that the maximum correspondence between the SG and GRACE time series is achieved when filtering the GRACE data with Gaussian filters of about 1000 km filter length, which is in accordance with previous publications.Empirical Orthogonal Functions (EOF) analysis was applied to the gravity time series in order to identify common characteristic spatial and temporal patterns. The high correspondence of the first modes for GRACE and SG data implies that the first EOF mode represents a large-scale (Central European) time-variable gravity signal seen by both the GRACE satellites and the SG cluster.     

重力卫星GRACE检测出2010年智利Mw8.8地震的同震重力变化

本研究通过对重力卫星GRACE观测数据的处理,采用去相关加300 km半径的高斯平滑,成功地提取了2010智利M_w8.8地震所产生的重力变化信号,最大变化幅度达到7 μGal,并且与位错理论计算结果具有较好的一致性.这是继GRACE检测出2004苏门答腊M9.3地震重力变化后的又一个卫星观测地震的例证,说明GRACE具有检测出M<9.0量级地震的能力,为利用GRACE研究地震以及其更广泛的应用提供了可靠的依据.     

1996-2003年中国大陆高精度绝对重力观测

近十年间利用自由落体式绝对重力仪(FG5/112)对分布在全国55个测点进行了绝对重力测定,观测精度均优于5×10-8 ms-2,对其中80%以上的测点还作了重复观测,文中给出了观测精度及其测量结果的互差.上述的测量极大地改善了我国目前重力网的精度和覆盖率,并为研究重力场的变化提供了重要的基础资料.本文还对观测结果和存在问题作了初步分析并提出有关建议.     

汶川M_S8.0地震前后的重力场动态变化

利用国家重大科学工程"中国地壳运动观测网络"1998—2008年绝对重力和相对重力的观测资料,获得了南北地震带地区的重力场及其动态变化,从动态的观点研究了2008年5月12日汶川8.0级地震前后区域重力场演化特征及其与地震活动的关系.重力场变化既具有时-空分布的不均匀性,同时又具有与活动断裂构造密切相关和与地震孕育发展有着内在联系.重力场动态变化图象较清晰地反映了汶川大地震孕育、发生过程中出现的重力前兆信息.