青藏高原及邻区地幔对流应力场及地球动力学含义

基于改进的Runcorn模型 ,利用布格重力异常计算了青藏高原及邻区地幔对流应力场。数值结果显示 ,青藏高原中部、北部和天山为应力发散区 ,对应地幔上升流 ,而塔里木、柴达木、四川盆地等地区则为应力汇聚区 ,对应下降区。地幔对流形态与地表特征之间的相关性表明 ,青藏高原下小尺度地幔对流可能是控制该区区域性构造过程的重要因素之一     

利用卫星重力数据计算地幔对流应力场

针对我国东南边缘及其邻近区域地幔对流应力场分布形态与地表构造活动特征的相关性问题,提出利用Runcorn模型及高阶卫星重力球谐系数计算欧亚板块与菲律宾板块复合接触带及其邻近区域的地幔对流应力场。结果显示,地幔对流应力矢量特征与地震应力场分布具有较好的一致性。在两大板块的接触部位均出现了显著的应力增强与汇聚趋势,同时在琉球海沟的弧后扩张带上出现的较强的地幔对流应力发散带。而在各板块相对稳定的内部区域存在微弱的地幔发散流。通过计算和分析得出,该区域下地壳小尺度的地幔对流可能是控制这一区域型构造过程的重要因素之一。     

地幔对流诱发的莫霍面起伏与下地壳塑性流动

本文用定量模型研究了在地幔对流作用下下地壳物质流动过程和莫霍面起伏的变化。数值结果表明莫霍面起伏与岩石层弹性厚度（hel）和载荷波长（λ）相关。对于相同的λ,hel越大,莫霍面起伏越小,反之亦然。而对于相同的hel,λ越大,莫霍面起伏调整到最终状态所需时间越长,其达到的幅值也越大。本文结果暗示,地幔对流形态与地表地形起伏可能并非直接相关。同时,本文结果为解释地球上存在与Airy均衡相偏离地区提供了一种可能的动力学机制。     

大地构造是从顶部向下驱动的吗?

目前存在两种相互对立的地幔对流模型。第一种模型对地幔进行了分层,分出两个或更多的独立对流区。第二种模型则把整个地幔对流看成一个统一单元。最近在板块构造学、地震学、固态物理学和地幔对流方面取得的进展,对分层对流提供了有力的支持。其成果可以帮助解释板块构造与地幔对流的关系。上地幔对流可能是由板块构造驱     

机载LiDAR测深中海底地形坡度的影响及改正EI北大核心CSCD

机载LiDAR测深ALB(Airborne LiDAR Bathymetry)是测量沿海地区地形图和水深图的最有效的技术之一,其通常是利用ALB海面和海底反射回波的峰值位置来计算水深值。然而,当绿色(532 nm)激光光束到达海底时,光斑范围内的具有坡度的海底地形会导致海底反射回波波形展宽、峰值位置偏移等现象,从而产生海底位置的不确定性,进而直接影响海底地形测量的准确性。为了减小这种影响,本文提出了一种机载LiDAR测深的海底地形坡度影响改正方法。通过考虑ALB激光光斑内海底地形的连续性,基于ALB激光光斑范围内局部地形参数模型FTPM(Footprint-scale Topography Parameters Model)构建ALB海底反射回波模型,通过定量分析不同水深、不同海底地形坡度所引起的海底反射回波峰值位置变化,以确定海底地形坡度对ALB测深的影响规律,进而构建ALB测深误差方程针对性地改正海底地形坡度引起的测深误差。本文采用中国南海甘泉岛附近海域所测ALB和多波束测深数据对所提方法进行了验证。结果表明,海底地形坡度影响改正后,平均绝对误差MAE(Mean Absolute Error)和中误差RMSE(Root Mean Square Error)分别减小到9.4 cm和12.3 cm,较改正前分别降低了35.6%和33.5%,对ALB测深数据处理具有参考意义。     

青藏高原地壳东-西向拉张及力学机制

基于GPS观测约束下的数值模拟结果 ,分析了青藏高原内部的应力状态 ,然后利用重力异常计算了青藏高原下上地幔对流产生的应力场 ,进而分析了地幔对流应力场对青藏高原区域构造过程的作用 ,并讨论了高原东_西向拉张的动力学机制及背景。     

数字水深模型建模技术研究进展与展望

水深是反映海底地形起伏形态的基本要素,是人类认识和利用海洋并进行科学决策的重要依据。数字水深模型是用离散水深数据实现对海底地形起伏变化的一种数字化表达。数字水深模型建模技术与所构建模型的质量、特点及应用领域密切相关,直接决定了海底地形表达的真实可靠性和精度,并将对舰船航行的安全性及其他相关应用产生重要影响,一直是海道测量和海图制图人员科学研究与海洋测绘地理信息产品生产实践关注的核心内容。本文在总结数字水深模型概念内涵的基础上,结合国内外数字水深模型建模技术现状,重点阐述了数字水深模型在航海和非航海领域的研究进展及取得的成果,并对数字水深模型建模技术的未来发展方向做出了展望。     

采用重力异常的导纳理论推估海底地形

系统探讨了采用重力异常的导纳理论推估海底地形的方法。在频率域内对海底地形和重力异常的相关性进行了分析,确定在20~300 km波段内两者相关系数最高,适合通过重力异常反演。以皇帝海山链为例,分别采用未补偿导纳模型和顾及挠曲补偿的导纳模型开展研究,其中涉及的地壳厚度和有效弹性厚度等参数通过均衡响应函数法得到。引入余弦低通滤波器,有效地解决了向下延拓过程中产生的高频震荡问题。算例结果表明,采用重力异常的导纳理论能够有效地反演海底地形,结果真实可靠,反演模型的相对精度在6%左右,与ETOPO1模型相当,且能够刻画出ETOPO1模型中未显现的地形细节。由于地形变化剧烈,反演模型在海山链沿线附近精度不甚理想。     

顾及海底地形非线性项的最小二乘配置反演方法

针对目前常用的反演海底地形方法主要考虑海底地形和卫星测高重力数据线性趋势项而忽略非线性项影响现状,提出了顾及海底地形非线性项的最小二乘配置反演方法.选择日本海某海域作为目标海区,利用卫星测高重力异常和重力异常垂直梯度数据作为输入源进行了方法试算并构建了相应的海深模型,然后以实际船测海深作为外部检核参考,评估了反演模型效能,同时分析了反演模型频谱特征.目标海区试验结果表明:相较于本文仅仅考虑海底地形和重力数据线性趋势项采用最小二乘方法建立的海深模型,基于最小二乘配置方法,利用相同重力异常和重力异常垂直梯度数据获得的目标海区反演海深模型检核精度最低分别提高了大约2.5倍和3.5倍,相对精度最高分别提升了9.76％ 和13.07％,极大地提升了海底地形建模质量;采用本文方法建立的海底地形模型在研究海域表现良好,反演模型与S&S V18.1、ETOPO1、GEBCO和BAT_VGG模型在研究海域相关系数均达到了0.95以上;在研究海区本文模型检核精度与S&S V18.1相当,远远优于ETOPO1等海深模型;本文模型可有效改善船测海深相关波段信息(本文反演波段范围为15～160 km),其中重力异常垂直梯度构建的海深模型相比重力异常为输入源建立的海深模型改善船测海深相关波段信息更为明显,验证了本文方法的可行性和有效性.     

海洋测深中凸形海底测量数据失真与改正

在海洋测深中,由于回声测深仪波束角效应的影响,对凸形海底的测量会带来较大的失真.在数学意义上推证了波束角效应在凸形海底地形的作用规律与海底地形是否连续可导有关,结合测深仪的测量机制和海底底质对声波反射特点,在物理意义上分析了实际测量中波束角效应的影响为近似"双曲线增伪效应".针对波束角效应改正中出现的定位点错位问题,提出了凸形海底地形波束角效应改正模型的补充原则,能够较好地处理改正后定位点错位的问题.     

A synthetic Earth for use in geodesy

 A synthetic Earth and its gravity field that can be represented at different resolutions for testing and comparing existing and new methods used for global gravity-field determination are created. Both the boundary and boundary values of the gravity potential can be generated. The approach chosen also allows observables to be generated at aircraft flight height or at satellite altitude. The generation of the synthetic Earth shape (SES) and gravity-field quantities is based upon spherical harmonic expansions of the isostatically compensated equivalent rock topography and the EGM96 global geopotential model. Spherical harmonic models are developed for both the synthetic Earth topography (SET) and the synthetic Earth potential (SEP) up to degree and order 2160 corresponding to a 5′×5′ resolution. Various sets of SET, SES and SEP with boundary geometry and boundary values at different resolutions can be generated using low-pass filters applied to the expansions. The representation is achieved in point sets based upon refined triangulation of a octahedral geometry projected onto the chosen reference ellipsoid. The filter cut-offs relate to the sampling pattern in order to avoid aliasing effects. Examples of the SET and its gravity field are shown for a resolution with a Nyquist sampling rate of 8.27 degrees. Received: 6 August 1999 / Accepted: 26 April 2000     

随机森林回归模型的悬浮泥沙浓度遥感估算

三峡工程蓄水以来,清水下泄,坝下游河段发生了长时间、长距离的沿程冲刷,河流悬浮泥沙浓度发生改变,给沿岸生态系统带来了不利影响。随机森林算法灵活、稳健,已被广泛应用于各类生态环境变量的回归预测分析,但其在水体悬浮泥沙浓度估算方面的能力尚未得到充分认识。基于泥沙站点监测数据和MODIS卫星遥感反射率数据,通过构建随机森林非参数回归预测模型,对三峡工程坝下游宜昌至城陵矶河段在建坝前后14年间(2002年—2015年)各月的悬浮泥沙浓度进行遥感估算。研究表明:(1)基于随机森林的悬浮泥沙浓度估算模型表现较好,模型预测值与实测值间相关性好、预测精度高,优于其他模型(线性回归、支持向量机、人工神经网络模型)。(2)在参与模型构建的MODIS波段变量中,红波段被认为是最重要的预测变量,但不能单独使用它进行预测,悬浮泥沙遥感预测需要多变量共同参与。(3)将悬浮泥沙数据按季节分类所构建的随机森林模型,其平均误差为0.46 mg/L,平均相对均方根误差为12.33%,估算效果最优,能够满足较高精度下悬浮泥沙浓度估算的需求。综上,可以考虑以季节为划分依据,用随机森林回归模型估算悬浮泥沙浓度,并用于后期坝下游河道悬浮泥沙浓度时空反演。     

Numerical solution to the oblique derivative boundary value problem on non-uniform grids above the Earth topography

The paper presents a numerical solution of the oblique derivative boundary value problem on and above the Earth’s topography using the finite volume method (FVM). It introduces a novel method for constructing non-uniform hexahedron 3D grids above the Earth’s surface. It is based on an evolution of a surface, which approximates the Earth’s topography, by mean curvature. To obtain optimal shapes of non-uniform 3D grid, the proposed evolution is accompanied by a tangential redistribution of grid nodes. Afterwards, the Laplace equation is discretized using FVM developed for such a non-uniform grid. The oblique derivative boundary condition is treated as a stationary advection equation, and we derive a new upwind type discretization suitable for non-uniform 3D grids. The discretization of the Laplace equation together with the discretization of the oblique derivative boundary condition leads to a linear system of equations. The solution of this system gives the disturbing potential in the whole computational domain including the Earth’s surface. Numerical experiments aim to show properties and demonstrate efficiency of the developed FVM approach. The first experiments study an experimental order of convergence of the method. Then, a reconstruction of the harmonic function on the Earth’s topography, which is generated from the EGM2008 or EIGEN-6C4 global geopotential model, is presented. The obtained FVM solutions show that refining of the computational grid leads to more precise results. The last experiment deals with local gravity field modelling in Slovakia using terrestrial gravity data. The GNSS-levelling test shows accuracy of the obtained local quasigeoid model.     

利用经优化的边界条件开展黄海海州湾潮汐场模拟

受海底地形、开边界驱动水位及底摩擦系数等边界条件的共同影响,当前中国沿岸和近海潮汐场模拟的精度仍显不足。利用精度和分辨率较海图高一级别的水深数据、包含长周期天文气象分潮Sa的由12个主分潮组成的开边界驱动水位及顾及水深空间变化的底摩擦系数等经优化的边界条件,运行二维潮汐数值模式2D-MIKE21,开展黄海海州湾潮汐场模拟。结果表明,天文潮模拟值与海州湾周边6个验潮站1年潮汐表相比,12个主分潮综合预报误差为5.52 cm;与中国海域现有潮汐模型CST1中24个随机点位相比,12个主分潮综合预报误差为7.10 cm。天文潮模拟值和CST1预报值二者与海州湾周边2个验潮站近1个月实测值相比,前者中误差要小于后者。这为在沿岸及近海开展面向海洋测绘应用的潮汐场模拟提供了新思路,同时也表明通过数值模拟的方式构建天文气象分潮Sa是可行的。     

杭州湾HJ CCD影像悬浮泥沙遥感定量反演

利用环境小卫星CCD(HJ CCD)影像对杭州湾悬浮泥沙浓度(SSC)进行了反演研究。通过对杭州湾水体遥感反射率(Rrs)与SSC进行相关性分析发现,在690nm和830nm左右出现显著的反射峰,分别位于HJ CCD影像的第3和第4波段范围内;大于700nm波长处的Rrs与SSC相关性较好。基于实测Rrs和SSC之间的相关关系,利用第4和第3波段比值作为遥感因子建立SSC反演模型,模型决定系数达到0.90。借鉴近红外-短波红外(NIR-SWIR)结合的大气校正方法反演出的准同步MODIS气溶胶数据,实现了HJ CCD影像的大气校正,第3、第4波段的大气校正结果相对误差分别为5.54%和6.97%。结果显示,HJ CCD影像反演的SSC相对误差为7.12%;杭州湾悬浮泥沙浓度要显著高于长江口,且内部差异明显。研究表明,通过适当的大气校正方法和反演算法,HJ CCD影像可用于杭州湾悬浮泥沙浓度的估计。     

月球Airy均衡状态与月壳厚度估计

月球水准面异常和表面地形变化是其内部密度不均匀和各个界面的起伏变化的体现,因此利用水准面和地形之比(geoid to topography ratio,GTR)可估计月球均衡和月壳厚度。本文基于月球重力场模型SGM100h和地形模型STM359_grid-02,经过去除表面玄武岩填充和深层异常质量影响,并结合理论Airy均衡模型中GTR与参考月壳厚度的关系,计算得到了新的月壳厚度模型。该模型的月壳平均厚度为36.9 km,背面比正面平均厚约13.5 km,Apollo12/14登陆点的月壳厚度分别是28.3 km和29.1 km。在各月海盆地存在着中央较薄、四周逐渐增厚的趋势。     

全球地幔密度异常及其构造意义

利用扣除地形、莫霍面和核幔边界起伏影响的中长波大地水准面异常和全球地震层析成像资料,采用阻尼最小二乘方法反演计算了全球地幔6个不同层面上的密度异常分布。分析了全球密度异常与板块构造的关系,探讨了全球密度异常分布对板块运动的作用。全球地幔密度异常结果表明存在两个主要的密度异常中心：一个位于东经80°,北纬0°;另一个位于东经240°,北纬10°附近。     

考虑自然邻点影响域的多波束测深数据趋势面滤波改进算法

针对传统趋势面滤波法在多波束测深数据粗差探测方面存在曲面拟合函数不确定、滤波不彻底以及部分水深点被不合理剔除的问题,通过引入散乱水深点局部最小范围——自然邻点影响域的概念,提出一种基于自然邻点影响域的多波束测深数据趋势面滤波改进算法。首先,通过对自然邻点影响域内的局部曲面进行分析,构造了影响域内特定局部坐标系下的统一曲面拟合函数;然后,利用该统一曲面拟合函数按照所提传递式迭代趋势面滤波法进行顺次迭代,逐步滤除影响正常水深点判定的粗差数据;最后,根据突变地形边界点在其相邻邻域地形内连续性不一致的特性,建立了面向突变地形边界点的判断准则。试验结果表明：该改进算法可适应不同复杂程度的海底地形,有效剔除多波束水深数据中的粗差点,同时对实际海底地形中的正常水深点和各种特殊水深点进行保留,显著提高了海底地形表达的精度。