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。     

利用谱组合法实现GOCE卫星的SST和SGG数据融合处理

不同类型重力测量数据的融合处理,是地球重力场模型化研究的难点和热点问题之一.基于调和分析方法推导了由GOCE卫星SST和SGG数据构建地球重力场模型的谱组合公式及对应谱权的具体形式,给出了多种类型重力测量数据联合处理的谱权及谱组合的通用表达式.结果表明,SST数据能够有效改善SGG数据解算模型在低阶部分的精度,从而提高了解算的地球重力场模型的质量和可靠性并拓宽了其频谱范围,使其精度和空间分辨率有更进一步的提高.      

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。     

确定卫星重力场中的海潮负荷影响问题

概要综述了确定卫星重力场恢复中的海洋负荷潮汐改正理论和精度估算问题。利用TPXO6海潮模型计算了海潮对卫星重力恢复的影响，与GRACE观测误差实施了对比。结果说明海潮M2波对卫星重力场恢复的影响最大，并主要体现在40阶以下的位系数上。海潮模型误差对低阶卫星重力场恢复的影响也是比较明显的。相关结果可有效降低GRACE恢复的低价重力场位系数的潮汐成分，为我国相应的学科研究提供有效参考。     

高精度空间加速度计在轨引力标定方案

高精度静电悬浮加速度计是地球重力卫星的关键载荷之一，其灵敏度参数直接关系到非保守力的精确测量，最终将影响地球重力场反演精度。文中，讨论了精度静电悬浮加速度计在轨灵敏度引力标定方案的可行性。理论分析结果表明，通过回转台旋转一个球体吸引质量，可以对分辨率达到10^-10m／s^2的GRACE卫星SuperSTAR静电悬浮加速度计的2个高灵敏轴进行在轨标定。     

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.     

中国南海卫星重力数据Butterworth滤波处理

通过对重力模型数据进行Butterworth滤波处理,发现该方法对高频噪声具有很好的滤波效果。对Geosat和ERS—1卫星提供的重力数据进行了网格化和Butterworth滤波处理,得到中国南海自由空气重力异常值为-42~89 m Gal。经与GRACE卫星提供的数据进行比较,发现该方法得到的结果具有更好的精度和分辨率。     

卫星重力发展及应用

卫星重力资料在恢复地球重力场方面具有全球高覆盖率、高空间分辨率、高精度和高时间重复率等优点,为大地测量和地球物理学科的发展开辟了新的途径。本文简要回顾了卫星重力的发展历程,介绍了四种卫星重力探测技术的原理和发展状况,并分析了三颗重力卫星的优点和不足,最后对卫星重力在地球科学中的的应用情况进行了简要总结。     

Scientific Reports:利用重力数据进行三维模拟青藏高原深部

<正>2015年6月26日,Scientific Reports发表了题为《利用全球重力场模型和GOCE卫星数据综合分析西藏深部莫霍面地形、范围和褶皱》(Moho topography,ranges and folds of Tibet by analysis of global gravity models and GOCE data)的文章,来自韩国、美国、意大利和中国的研究团队采用最新的GOCE卫星重力梯度仪和GRACE卫星重力仪对青藏高原下方50英里进行了综合重力测量,并对其地球动力学进行了地球物理解释。     

CHAMP计划及其在地球科学中的应用

CHAMP计划是由德国的波茨坦地球科学研究中心 (GFZ)提出 ,而且 ,目前已经付诸实施的科学计划之一。其目的在于通过获取大量近地观测资料来精化地球重力场模型 ,同时开展地球电磁场及地球大气重要参数的确定等研究。详细而全面地介绍该计划的科学目标 ,并评述了它将在建立地球重力场模型、地球电场模型、地球磁场模型和监测地球大气等方面所起的作用。     

Application of the GRACE satellite mission for solving geological and geographic problems

In this paper we provide a literature review of the geological and geographic problems that were successfully solved via the application of the Gravity Recovery And Climate Experiment (GRACE) satellite mission data. GRACE is a gravitational satellite mission whose purpose is the precise mapping of variations of the Earth’s gravity field. The data have high resolution, which provides the opportunity to solve many geological and geographical problems.     

Sensitivity of the Gravity Recovery and Climate Experiment (GRACE) to the complexity of aquifer systems for monitoring of groundwater

The Gravity Recovery and Climate Experiment (GRACE) satellite mission is aimed at assessment of groundwater storage under different terrestrial conditions. The main objective of the presented study is to highlight the significance of aquifer complexity to improve the performance of GRACE in monitoring groundwater. Vidarbha region of Maharashtra, central India, was selected as the study area for analysis, since the region comprises a simple aquifer system in the western region and a complex aquifer system in the eastern region. Groundwater-level-trend analyses of the different aquifer systems and spatial and temporal variation of the terrestrial water storage anomaly were studied to understand the groundwater scenario. GRACE and its field application involve selecting four pixels from the GRACE output with different aquifer systems, where each GRACE pixel encompasses 50–90 monitoring wells. Groundwater storage anomalies (GWSA) are derived for each pixel for the period 2002 to 2015 using the Release 05 (RL05) monthly GRACE gravity models and the Global Land Data Assimilation System (GLDAS) land-surface models (GWSA_GRACE) as well as the actual field data (GWSA_Actual). Correlation analysis between GWSA_GRACE and GWSA_Actual was performed using linear regression. The Pearson and Spearman methods show that the performance of GRACE is good in the region with simple aquifers; however, performance is poorer in the region with multiple aquifer systems. The study highlights the importance of incorporating the sensitivity of GRACE in estimation of groundwater storage in complex aquifer systems in future studies.     

异构并行算法快速构建全球扰动重力梯度全张量图

扰动重力梯度是扰动重力位的二阶导数,相对于其他重力场元素能更多地反映变化的不规则地球产生的高频信息。在使用高阶次球谐系数模型获取大范围高分辨率的扰动重力梯度数据时,存在重复运算多、计算效率低下、耗时较长的问题。针对该问题,推导了简化计算公式,将中间变量提取出来作为全局参数和局部参数单独进行计算、存储,从而有效减少重复运算;并在简化公式的基础上,提出了扰动重力梯度张量快速异构并行算法,利用CUDA（compute unified device architecture）实现了梯度全张量在GPU端的并行计算。根据Txx、Tyy、Tzz三个分量满足Laplace条件验证了算法可靠性,并与传统串行算法进行了计算效率对比,实验结果表明,相较于串行算法,所提算法可减少90%以上计算耗时,可将计算效率提高60倍以上。最后利用该算法基于2 190阶EIGEN6C4模型快速构建了5′×5′分辨率的全球扰动重力梯度全张量图,计算结果显示了扰动重力梯度同地形、地球质量分布变化的相关性及其在全球范围内的数值特征。     

基于GRACE卫星测量得到的中国及其周边地区陆地水量变化

GRACE卫星成功开辟了空间大地测量对地观测的新途径。利用GRACE卫星得到的时变地球重力资料,分析估计了中国及其周边地区陆地水量的变化趋势,较为清晰地揭示了该地区季节性变化特征。进一步采用13点滑动平均的方法扣除了季节性变化,提取了4个特征区域(喜马拉雅南部,新疆与西藏及其周边的亚洲高山区域,中国华北、东北地区和中国南部地区)的陆地水量变化特征信息,这4个区域陆地水量的变化趋势分别为-12.7±0.7、-60.4±2.7、-12.5±0.5和6.6±0.9 km³/a。其中：喜马拉雅南部和亚洲高山区域陆地水量呈现明显的衰减趋势,与Matsuo和Heki模拟冰川质量损失源得到的结果较为一致;但近10年来亚洲高山区域西北部冰川加速融化趋势并不明显。中国华北、东北地区和南部地区水量变化比较复杂,具不稳定的变化趋势。     

Advances, Problems and Prospects of Modern Geodesy Applied in Tibetan Geodynamic Changes

Modern geodetic techniques have developed rapidly in recent years, providing reliable observation data and new effective approaches, and greatly enhancing studies of the Tibetan geodynamics. For instance, the well-known GPS technique has been employed to measure seismic slips for many faults in the Tibetan Plateau. GPS data agree well with the hypothesis of a thickening crust and eastward mass flow. Moreover, absolute gravimetric data have been applied to interpret geophysical phenomena such as crust movement, co-seismic gravity change, GIA, and ground water change. The satellite gravity mission GRACE launched in 2002 provided global gravity models with unprecedentedly high precision and high spatial resolution. It has been used in implementing temporal gravity changes and improving our knowledge of the Earth’s interior, including lithosphere dynamics, mantle viscosity and rheology, plateau uplift, and subduction processing. It is noteworthy that gravity presents unique advantages for the study of Tibetan geodynamics because of its sensitivity to mass migration and dynamic redistribution. To date, great advances have been made in applying modern geodetic data in studying dynamic changes of Tibetan plateau. For instance, the horizontal displacement field from GPS data revealed dynamical characteristics of the present-day Tibetan plateau. The combination of gravity anomalies and topographic data describe the tectonic characteristics of Tibetan plateau. The combination of gravity data and GPS data show present properties of the Tibetan plateau such as crust thickening, Moho’s subsidence, and plateau uplift. GRACE data were used to estimate the distribution of ice/snow melting.     

“地球空间双星探测计划”及其与全球环境变化的关系

本文论述了“地球空间双星探测计划”(简称双星计划)及其与全球环境变化的关系。地球空间双星探测计划包括两颗小卫星,分别运行于目前国际上地球空间探测卫星尚未覆盖的近地赤道区和近地极区。双星计划的主要科学目标是用高分辨率的仪器在近地空间的主要活动区探测场和粒子的时空变化;研究磁层空间暴(磁层亚暴、磁暴和磁层粒子暴)的触发机制及其对太阳活动和行星际扰动的响应过程;建立地球空间环境的动态模式。为了实现科学目标,赤道区卫星和极区卫星上各载有8台探测仪器。近地赤道区卫星的轨道是:近地点550km左右,远地点60000km左右,倾角约28.5°;近地极区卫星的轨道是:近地点700km,远地点40000km,倾角约90°。为了使双星计划与欧洲空间局ClusterII卫星相配合,赤道区卫星计划于2003年6月发射,极区卫星计划于2003年12月发射。双星计划与ClusterII卫星相配合,可形成地球空间6点探测计划,这将成为21世纪初国际上重要的地球空间探测计划。本文概要讨论了双星计划与地球系统各圈层的关系,包括与大气圈、生物圈、地球内部各圈层及全球环境变化的关系。