GRACE和地面重力测量监测到的中国大陆长期重力变化

自2002年以来,GRACE卫星探测计划可提供高精度的时变地球重力场,用以探测地球系统的物质分布.自1998年中国大陆重力监测网建立以来,利用FG5绝对重力仪和LCR-G型相对重力仪每2年对该网进行重复测量获取重力场时变信息.基于此,本文利用GRACE和地面重力测量获得了中国大陆重力场的长期年变率,利用位错理论根据USGS发布的断层模型计算了2008年汶川M_s8.0级地震的同震重力变化并进行了300 km高斯滤波.GRACE卫星重力和地面重力结果均表明华北地区地下水流失严重,在绝对重力基准站上,GRACE卫星重力与绝对重力变化率较为一致,汶川区域的地面重力变化结果可视为大地震前兆信息.     

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。     

应用平滑先验信息方法移除GRACE数据中相关误差

由于GRACE卫星数据解算的时变重力场模型中高阶位系数存在误差,这些误差在重力异常图中表现为南北向的条带噪声,在应用GRACE时变重力场数据时必须进行滤波.本文在空间域引入了一种有效消除GRACE时变重力场条带噪声的平滑先验信息方法,并将其与目前常用的高斯滤波和去相关误差等滤波方法分别应用于合成的质量变化趋势数字模型,检测不同滤波方法消除条带噪声的能力及其对真实信号的影响.滤波结果显示,与目前常用的高斯滤波和去相关误差滤波器相比,本文滤波方法在有效移除条带噪声的同时,具有有效信号幅度衰减小、有效信号形变小以及保存了更多的短波长细节信息等优势;此外,统计结果显示,本文滤波结果在信号最大值、最小值以及残差均方根等方面均与模拟真实信号最为接近.相比300km高斯平滑和组合滤波结果,有效信号振幅的极小值和极大值分别提高了约18%和6%,残差均方根分别降低了25%和33%.说明本文滤波方法移除GRACE相关误差的同时,在保留有效信号方面具有明显的优势.     

利用GRACE卫星重力资料解算气候驱动的地表周年垂直形变

卫星重力和GPS测量技术可以监测地表流体(大气、海洋和陆地水)质量季节性迁移引起的地表周年形变;与陆地水等地表流体模型综合模拟的地表形变相比,卫星重力的形变监测结果避免了模型的精度不确定性带来的误差.本文利用前60阶GRACE卫星时变重力资料和“去相关”、组合滤波两类滤波方法分别解算了中国及邻区的地表季节性垂直形变,并与区内42个GPS台站上观测到的季节性信号进行了比较,发现采用“去相关”滤波方法处理后的结果优于采用组合滤波处理后的结果.文中采用“去相关”滤波方法,GRACE解算的周年垂直形变的振幅、相位和GPS结果总体上一致;少数站上GRACE和GPS得到的振幅或相位相差较大,主要因素可能与GPS解算策略、GPS观测资料的连续性或局部大气、水文过程等地球物理因素有关.在中国及邻区的陆地上GRACE解算的周年垂直形变的振幅最小值出现在TASH台站东南,约1×10^-3 m;最大值出现在恒河-澜沧江流域,可达10×10^-3 m.文中的结果证实了在中国及邻区可以用GRACE卫星重力这种新手段监测大尺度的地表周年垂直形变.     

利用GRACE数据反演日本Mw9.0地震区域黏滞性

利用CSR(Center for Space Research)发布的GRACE RL05月重力场模型数据,通过水文模型GLDAS(Global Land Data Assimilation System)和CPC(Climate Prediction Center)扣除土壤水和雪水的影响,根据冰川模型扣除GIA(Global Isostatic Adjustment)的影响,采用P3M6去相关滤波和300 km扇形滤波,基于最小二乘拟合的方法得到日本M_W 9.0地震的同震及断层上下盘两个特征点重力变化时间序列,利用PSGRN/PSCMP模型对日本M_W 9.0地震区域黏滞性进行了反演,并计算了同震及震后5年研究区域重力变化的空间分布.结果表明,扣除土壤水和冰川均衡调整因素的影响,同震重力变化为-5.2×10~(-8)～2.9×10~(-8) ms~(-2);两个特征点在震后5年重力均增加,下盘重力增加较大;日本M_W 9.0地震区域黏滞性横向差异较明显,断层上下盘的地幔黏滞系数分别为2.5×10~(18) Pa·s、5.0×10~(17) Pa·s时,与GRACE观测值较接近,综合考虑断层上下盘的震后重力变化,区域黏滞系数大约为1.5×10~(18) Pa·s.     

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.     

利用径向基函数RBF解算GRACE全球时变重力场

本文利用GRACE(Gravity Recovery And Climate Experiment)level 1b数据和径向基函数RBF(radial basis function)方法解算了全球时变地球重力场.RBF基函数相比传统球谐(spherical harmonic)基函数,其高度的空域局部特性使得正则化过程易于添加先验协方差信息,从而可能揭示更加准确的重力场信号.本文研究表明,RBF基函数算法在精化现有的GRACE全球时变重力场模型,如提升部分区域信号幅度等方面具有一定优势.本文通过将RBF的尺度因子作为待解参数,基于GRACE卫星的Level 1b数据和变分方程法,成功获取了2009-2010年90阶无约束全球时变重力场RBF模型Hust-IGG03,以及正则化全球时变重力场RBF模型Hust-IGG04.通过与GRACE官方数据处理中心GFZ发布的最新90阶球谐基时变模型RL05a进行对比,结果表明:(1)无约束RBF模型Hust-IGG03和GFZ RL05a在空域和频域表现基本一致;(2)正则化RBF模型Hust-IGG04无需进行后处理滤波已经显示较高信噪比,噪音水平接近于球谐基模型GFZ RL05a经400 km高斯滤波后的效果;(3)HustIGG04相比400 km高斯滤波GFZ RL05a在周年振幅图和趋势图上显示出更多的细节信息,并且呈现出更强的信号幅度,如在格陵兰冰川融化趋势估计上Hust-IGG04比GFZ RL05a提高了24.2%.以上结果均显示RBF方法有助于进一步挖掘GRACE观测值所包含的时变重力场信息.     

GRACE时变重力位系数误差处理滤波方法研究

由于GRACE时变重力位系数中高阶次项存在较大的误差,奇(偶)项阶数之间存在着相关性误差,直接利用GRACE时变重力场模型数据反演地表质量变化时,会使结果出现严重的条带噪声,必须采用最佳滤波函数进行空间平滑.本文从滤波理论出发,依据信噪比最大准则和模拟误差比较分析了不同滤波方法的优缺点,并以华北平原为例进行了数值分析....     

利用GPS与GRACE监测陆地水负荷导致的季节性水平形变：以喜马拉雅山地区为例

地表陆地水负荷变化是引起重力场和地壳形变呈现季节性特征的主要因素,并且能够利用地表及空间大地测量技术对其进行有效的监测.本文通过对质量负荷形变效应的理论模拟,描述了水平分量的形变指向以及垂直与水平分量的幅值比可以提高对负荷区域的辨别程度,并且联合GPS坐标时间序列及GRACE模型对喜马拉雅山地区的季节性负荷形变进行了详细对比分析,研究结果显示两者垂直分量的季节性变化具有较好的一致性,且GPS周年项幅值要大于GRACE.而由GRACE解算得到的水平分量结果表明该地区季节性形变主要受东南亚及印度东北部地区的陆地水负荷控制,位于喜马拉雅山地区多数GPS台站的垂直分量及北向分量的初相位与GRACE模型解算结果相近,而部分GPS台站的东向分量与GRACE模型存在明显不同,由此导致GPS与GRACE监测到的形变指向存在差异.通过对GRACE估算精度以及GPS垂直与水平分量幅值比的深入分析,发现GPS对局部周边地区的河流、谷地及农田灌溉等负荷变化造成的形变效应较为敏感,而GRACE由于截断阶次及平滑滤波等影响因素,不仅造成在水平分量上的分辨率远低于垂直分量,而且整体估算精度要低于GPS观测得到的形变信息.     

基于主成分分析的GRACE重力场模型等效水高

本文使用主成分分析在空间域提取GRACE重力场模型的等效水高,假设信号与噪声之间统计不相关,把由CSR、GFZ和JPL的GRACE重力场模型计算得到的等效水高值作为统计量,通过线性变换来分离信号和噪声.选择2007年3月份GRACE重力场模型作为实验,在直接分离没有取得预期结果后,对GRACE作半径为300km、400km和500km的高斯平滑,然后利用主成分分析得到了3个模式.结果显示,3种平滑半径下,主成分的第1模式的贡献率分别为79%、90%和93%.从主成分3个模式的统计结果以及等效水高图判断,第1模式对应于水文变化信号,其他2个模式为南北条带状噪声.由主成分的第1模式估算了CSR、GFZ和JPL的等效水高,与经验去相关方法进行了对比,结果较为一致.2010年12个月的结果显示,第1模式的贡献率不仅与平滑半径有关,而且与时间有关.     

利用独立成分分析检测2004年和2012年印度洋地震的重力变化

2004年12月苏门答腊发生M_W9.3地震,造成巨大的质量重新分布.利用GRACE卫星月重力场数据计算了研究区域地面1°×1°网格点上的重力变化时间序列,采用主成分分析和独立成分分析两种方法,提取了重力变化的空间与时间特征,结果显示震中两侧区域的重力变化呈两极分布,其中东侧重力下降,西侧重力增加.相较于传统的主成分分析方法,独立成分分析能更好地从原始信号中提取地震的信息,能分解出具有显著阶跃变化的独立成分.除了2004年的苏门答腊大地震外,独立成分分析还分解得到了2012年Andaman地震的特征,与该次地震的空间特征与时间序列基本一致.相较于适合定量分析的多项式拟合方法,独立成分分析更适合大范围区域的定性分析,建议将两种方法相结合,取长补短,从而为GRACE地震监测提供一种更为客观、有效的方法.     

GRACE卫星重力场同震变化的经验正交函数分解:以日本M_W9.0地震为例

2011年3月11日日本东海发生MW9.0地震,造成日本岛整体东移、下沉并伴随巨大的质量重新分布。对于海底地震的震中区域,空间观测的GRACE卫星重力数据很好地弥补了GPS、InSAR等形变资料的缺失。利用GRACE卫星月重力场数据计算了地面0.5°×0.5°网格点上的重力变化时间序列,采用最小二乘拟合、经验正交函数(EOF)2种方法,提取了同震重力变化,结果显示震中两侧区域的重力变化呈两极分布,其中弧后区域重力下降,最大降幅约6μgal,海沟区域重力增加,最大增幅约3μgal。EOF方法避免了最小二乘拟合方法所需的地震发生时刻等先验信息,但卫星重力信号是由多种地球物理过程引起的重力变化的叠加,EOF结果的可靠性及其反映的真实物理来源往往随着事件的规模、观测时间的长短等而改变。文中第2,3,4主成分主要反映了非构造因素的影响,通过第1主成分空间一致性提取的同震重力变化与位错理论模型计算结果较为接近,因此较真实地反映了地震引起的重力变化特征。     

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GRACE观测数据研究苏门答腊区域的黏滞性结构

本文尝试利用卫星重力观测资料和震后黏弹性松弛理论研究苏门答腊地区的区域流变结构,为更好地认识区域地球动力学环境提供依据．利用GRACE卫星重力资料,计算了2004年苏门答腊Mw9．3地震的同震及震后的重力变化．计算中使用平滑半径为500km的高斯滤波器．结果显示苏门答腊Mw9．3地震破裂东侧以陆地为主的上盘同震下沉量很大,造成约9x10＾-8mS＾－2的重力下降阶变,而西侧处于海水下的下盘重力同震上升较小约2x10＾－8mS＾－2,但其震后上升较快．流变结构对岩石的变形有很大的影响,是地球动力学数值模拟取得可靠科学结果的基础．本文尝试了利用卫星重力变化时间序列来反演苏门答腊地区的黏滞性结构;即基于GRACE时变重力场,利用自重力、黏弹性、平面分层模型模拟了该地震的同震和震后变形,并将获得的空间固定点的重力变化与GRACE重力场及点位时间序列进行比较,估计该地区的黏滞性系数在1．0x10＾18PaS的量级,且断层两侧的流变参数存在差异．最后结合苏门答腊区域的构造特点讨论了黏滞性系数的影响因素．     

利用GRACE卫星数据研究汶川地震前后重力场的变化

介绍了利用GRACE卫星数据计算和分析重力场变化的方法.以EIGEN-GRACE02S重力场模型为背景,对高斯平滑处理前后中国大陆月重力场的变化作了比较,认为取平均半径为666 km作高斯平滑,能够得到合理的重力变化结果.以3个月时间尺度计算了2008年汶川地震前后中国大陆的重力场变化,将结果与2006年和2007年相同时间尺度的变化结果进行比较,发现三者相符合,并且同震重力的负变化可用地壳膨胀模型理论来解释.     

附加GPS时序约束的GRACE陆地水储量反演

利用GRACE重力卫星反演陆地地球物理变化信息时,通常需要对位系数进行截断和空间平均滤波等处理,这将导致监测信息较实际值"缩减"一定的比例,从而造成反演结果可信度降低.针对此,本文提出了一种附加GPS时序约束的GRACE反演陆地水文信息修正法.利用2003-2015年RL05_GRACE月重力场数据,选取前60阶采用扇形滤波与去相关滤波组合法,获得了加州区域由于陆地水储量及地表荷载变化引起的垂向形变时间序列,并利用同时间段多个GPS测站资料获得了同尺度U方向形变时间序列,采用时频分析技术对比分析了两类垂向形变时间序列的振幅与季节性特征,获取了GRACE位系数处理中存在的"缩减系数",基于此修正并精化了GRACE反演水文变化信息,该信息能有效反映出研究区域较真实的陆地水文变化信息.     

利用震后黏弹性位错理论研究苏门答腊地震(M_w9.3)的震后重力变化

本文利用2003—2011年的GRACE RL05数据提取了苏门答腊地震(Mw9.3)引起的震后重力变化,发现断层两侧震后重力变化速率存在明显差异,断层下盘总体变化率为0.55μGal/yr,断层上盘为0.16μGal/yr.基于子断层叠加的编程思想,本文将Tanaka的黏弹球体位错理论配套计算程序(简称黏弹位错程序)加以改造,克服了其近场计算精度不足(甚至错误)的缺陷,可用来研究大地震引起的近场震后位移与重力变化.本文利用改造后的黏弹位错程序计算了2004年苏门答腊地震(Mw9.3)产生的同震重力变化,计算结果在空间分布和量级上均与利用弹性位错程序计算获得的结果一致,验证了我们对黏弹位错程序进行改造的正确性.最后,结合GRACE卫星观测数据,本文利用Tanaka的黏弹位错理论研究了苏门答腊地区的地幔黏性因子.结果表明,该地区地幔黏滞性具有显著的横向差异,当发震断层上下两盘的地幔黏滞性系数分别取8×1018 Pa·s和1×1018 Pa·s时,模拟的震后重力变化在总体空间分布和变化趋势上与GRACE卫星观测结果更接近.     

从GRACE卫星4.6年观测资料分离2004年苏门答腊—安达曼地震的同震和震后重力变化及利用简正振型叠加模拟同震变化

主要研究利用GRACE(重力恢复和气候试验)卫星恢复的时变全球重力场计算2004年12月26日苏门答腊大地震引起的同震和震后重力的变化。进而对于一个自重、弹性、球状分层的地球模型,利用简正振型叠加法比较观测到的同震重力变化制作它的完全弹性引力响应模型。需要特别关注海洋质量重新分布的影响。在对数据进行反演时要注意,海洋潮汐模型的误差及陆地水文和大洋环流产生的季节性和周年性信号会导致构造重力的变化,也就是要消除同震重力变化受到震后松弛的影响。我们使用了由测地空间研究组(GRGS)提供的4.6年时间尺度的全球重力解数据,其中包括震后26个月的数据。为了相互比较,也研究了空间研究中心(CSR)提供的用频谱窗或高斯空间平滑处理后的Release-04解。结果均以大地水准面高变化和重力变化给出。从两种不同的重力解计算的同震和震后重力变化在全球范围上是相似的,但它们的空间幅度和振幅与对GRACE重力场滤波处理时使用的滤波器种类相关。使用测地空间研究组解数据的信噪比最大。相比同震信号,震后信号的频谱含量更接近GRACE的带宽,因此能被GRACE卫星更好地观测到。在安达曼海巽他海沟以东,同震信号表现为重力明显减少的趋势。在该海沟以西,重力有小幅的增加。同震重力变化的模型与GRACE卫星数据计算出的重力信号相比,在总体形状和取向、相对于海沟的位置和量级上都非常吻合。同震重力变化后会出现震后松弛,该松弛可以用一个平均松弛时间为0.7年的指数增函数描述。总的震后重力变化的特征呈现出大范围的正异常,且主要分布在海沟正上方和沿着俯冲带扩展15个纬度。26个月后,同震重力的减小被震后松弛部分补偿,但在普吉岛南部依然有负异常出现。海沟西部15个纬度范围内的重力都是增加的,最大值出现在震中南部地区。通过研究分析两种全球水文模型和一种大洋环流模型,显示我们利用GRACE卫星对同震和震后重力变化做出的估计几乎没有因俯冲带和安达曼海中部地区的陆地水和大洋环流年度变化而产生偏差,而在马来半岛则产生了几微伽的偏差。     

卫星重力捕捉龙滩水库储水量变化

利用近7年的Gravity Recovery and climate Experiment(GRACE)重力卫星资料,采用改进的滑动窗去相关滤波和扇形滤波技术计算了红水河上游区域的重力变化,结果显示红水河上游区域重力场有明显的上升趋势,利用Global Land Data Assimilation Systems(GL...     

利用小波分析重力的长期变化

运用小波滤波方法估算Chandler和周年项的潮汐因子.本文分析了四个台站(Brussels, Boulder, Membach以及Strasbourg)的观测记录,运用合成潮方法得到重力残差后,用Daubechies小波带通滤波器滤波残差,得到256～512 d时间尺度上的序列,根据标准差最小原则确定观测极潮周年和Chandler项的周期,然后利用最小二乘法估算它们的潮汐因子,同时给出未经模型改正的周年重力.由于高阶Daubechies小波构造的滤波器具有良好的频率响应,且能压制信号中的高阶异常成分,使滤波的信号更加光滑,因此计算结果具有更小的均方差,更加可靠.