基于重力卫星数据监测地表质量变化的三维点质量模型法

利用卫星重力测量手段监测全球质量变化取得了巨大成功,本文基于牛顿万有引力定律在三维空间直角坐标系中导出利用重力卫星观测数据监测全球质量变化的三维点质量模型法,该方法可直接利用重力卫星的轨道和星间观测数据或时变重力场模型计算全球质量变化,由于利用卫星观测数据计算地表质量变化的向下延拓过程以及观测数据噪声的影响,需要采用合适的空间约束方程或正则化技术对解算结果进行约束或平滑处理.利用合成全球质量变化模型模拟一个月的GRACE双星轨道和星间距离变率数据计算全球质量变化,对三维点质量模型法进行分析验证,采用零阶Tikhonov正则化技术处理病态问题.结果表明,三维点质量模型法可有效用于重力卫星观测数据监测全球质量变化,为利用重力卫星观测数据监测全球质量变化提供一种可选的途径.     

联合GRACE、GRACE-FO重力卫星数据监测华北地区水储量变化

本文在三维加速度点质量模型法的基础上,融合不等式约束处理条带噪声,模拟计算结果表明该方法相比零阶Tikhonov约束,信噪比提高4.23%.利用不等式约束的三维加速度点质量模型法,采用GRACE与GRACE-FO重力卫星数据对2002年4月至2021年4月华北地区水储量进行了估算.研究结果表明,2002年4月至2021年4月,附有不等式约束的三维加速度点质量模型法计算的华北地区水储量以-1.36 cm/a的速率下降,Mascon与球谐系数法所获得的亏损速率分别为-1.52 cm/a、-0.80 cm/a,表明华北地区水储量处于明显的亏损趋势,并由亏损速率空间分布可知,水储量在河北省与山西省交界处亏损最为明显,亏损中心区域超过-3.0 cm/a.将研究时间段分为两部分分别进行拟合后发现,2011年至2021年华北地区水储量亏损趋势大于2002年至2010年.研究时间段内,2003年水储量存在明显的上升趋势,结合TRMM降雨数据对该时间段降雨时空分布进行研究,结果表明重力卫星数据计算结果相比降雨数据较为滞后,2003年春季时期的水储量的上升主要由于2002年下半年降雨的影响.     

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.     

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.     

利用GRACE重力卫星观测数据反演全球时变地球重力场模型

本文基于短弧长法开发了一套由低轨卫星数据解算重力场的系统ANGELS（ANalyst of Gravity Estimation with Low-orbit Satellites）,成功用GRACE Level1B数据解算出全球时变重力场模型（第一版IGG-CAS系列模型）,并与国际三大知名重力卫星相关研究机构：美国德克萨斯大学空间中心CSR （Center for Space Research）、德国GFZ地学研究中心（GeoForschungsZentrum）和美国宇航局JPL喷气推进实验室（Jet Propulsion Laboratory）发布的全球时变重力场模型（RL05模型）进行了详细的比较分析.通过每阶大地水准面差距的对比结果表明,IGG-CAS模型的精度接近RL05模型的精度.对以上四家机构在2004-2010年的时变重力场模型经过相同的去条带和高斯滤波处理,可以发现四家GRACE反演陆地水时变信号的空间分布十分接近,在长江流域反演的陆地水时变信号,两两之间的相关系数均大于0.8.通过反演撒哈拉沙漠干旱地区的时变信号来评估反演的精度水平,IGG-CAS、CSR-RL05、GFZ-RL05和JPL-RL05反演结果的均方差分别为1.5 cm、1.1 cm、1.1 cm和1.2 cm等效水柱高.综合表明IGG-CAS时变重力场反演模型的精度接近于目前国外主要机构最新公布的时变重力场模型.     

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.     

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.     

利用卫星跟踪卫星观测数据确定时变重力场球谐解的发展趋势

时变重力场综合反映了地球内部及表层物质的迁移特性,在地球科学领域应用广泛.21世纪以来,多个重力卫星相继成功发射,为实现全球时变重力场连续监测提供了数据支撑.利用重力卫星观测数据建立高精度时变重力场模型,是开展时变重力场相关科学应用的重要前提.自重力卫星计划提出以来,国内外学者致力于卫星时变重力场建模理论及方法的研究,...     

基于轨道扰动引力谱分析的方法确定低低观测重力卫星反演重力场的空间分辨率

基于低低卫-卫跟踪重力卫星的轨道特性,从垂直和水平两个方向计算了重力卫星高空扰动引力,并根据其谱特性及星载加速度的测量噪声水平分析了重力卫星能反演重力场的阶数.利用EGM96重力场模型分别计算了400 km、450 km和500 km 轨道高度处重力卫星受到的扰动引力谱及扰动引力谱的平均量级,分析其垂直特性表明:在三个轨道高度处能分别能反演150、140和130阶的重力场模型.利用两颗同轨重力卫星相距220 km的特性,计算了400 km、450 km和500 km 轨道高度处纬度相差2°的两颗卫星纬向扰动引力差,即扰动引力水平分量,分析其谱特性,表明:重力卫星能反演至117阶的地球重力场模型.     

航空重力测量数据向下延拓方法比较

首先介绍了空中重力异常向下延拓的直接代表法、正则化法、点质量法和基于球内Dirichlet问题的调和解法,分析了它们各自的特点.然后利用这些方法对中国大同航空重力测量数据进行向下延拓计算.通过对延拓结果与地面实测数据的比较分析,比较客观地评价了不同延拓方法的计算精度、可靠性及适应性.实际计算结果表明,直接代表法和正则化法的延拓结果具有较高的精度和可靠性,而球内Dirichlet问题调和解法的精度较差.     

On regularized time varying gravity field models based on grace data and their comparison with hydrological models

Determination of spherical harmonic coefficients of the Earth’s gravity field is often an ill-posed problem and leads to solving an ill-conditioned system of equations. Inversion of such a system is critical, as small errors of data will yield large variations in the result. Regularization is a method to solve such an unstable system of equations. In this study, direct methods of Tikhonov, truncated and damped singular value decomposition and iterative methods of ν, algebraic reconstruction technique, range restricted generalized minimum residual and conjugate gradient are used to solve the normal equations constructed based on range rate data of the gravity field and climate experiment (GRACE) for specific periods. Numerical studies show that the Tikhonov regularization and damped singular value decomposition methods for which the regularization parameter is estimated using quasioptimal criterion deliver the smoothest solutions. Each regularized solution is compared to the global land data assimilation system (GLDAS) hydrological model. The Tikhonov regularization with L-curve delivers a solution with high correlation with this model and a relatively small standard deviation over oceans. Among iterative methods, conjugate gradient is the most suited one for the same reasons and it has the shortest computation time.     

On inversion of the second- and third-order gravitational tensors by Stokes’ integral formula for a regional gravity recovery

A regional recovery of the Earth’s gravity field from satellite observables has become particularly important in various geoscience studies in order to better localize stochastic properties of observed data, while allowing the inversion of a large amount of data, collected with a high spatial resolution only over the area of interest. One way of doing this is to use observables, which have a more localized support. As acquired in recent studies related to a regional inversion of the Gravity field and steady-state Ocean Circulation Explorer (GOCE) data, the satellite gravity-gradient observables have a more localized support than the gravity observations. Following this principle, we compare here the performance of the second- and third-order derivatives of the gravitational potential in context of a regional gravity modeling, namely estimating the gravity anomalies. A functional relation between these two types of observables and the gravity anomalies is formulated by means of the extended Stokes’ integral formula (or more explicitly its second- and third-order derivatives) while the inverse solution is carried out by applying a least-squares technique and the ill-posed inverse problem is stabilized by applying Tikhonov’s regularization. Our results reveal that the third-order radial derivatives of the gravitational potential are the most suitable among investigated input data types for a regional gravity recovery, because these observables preserve more information on a higher-frequency part of the gravitational spectrum compared to the vertical gravitational gradients. We also demonstrate that the higher-order horizontal derivatives of the gravitational potential do not necessary improve the results. We explain this by the fact that most of the gravity signal is comprised in its radial component, while the horizontal components are considerably less sensitive to spatial variations of the gravity field.     

基于时空域混合法利用Kaula正则化精确和快速解算GOCE地球重力场

为了研究卫星重力梯度技术对中高频地球重力场反演精度的影响,本文基于时空域混合法,利用Kaula正则化反演了250阶GOCE地球重力场.模拟结果表明:第一,时空域混合法是精确和快速求解高阶地球重力场的有效方法;第二,Kaula正则化是降低正规阵病态性的重要方法;第三,基于改进的预处理共轭梯度迭代法可快速求解大型线性方程组...     

Comparison of methods for a 3-D density inversion from airborne gravity gradiometry

In this study, we apply Tikhonov’s regularization algorithm for a 3-D density inversion from the gravity-gradiometry data. To reduce the non-uniqueness of the inverse solution (carried out without additional information from geological evidence), we implement the depth-weighting empirical function. However, the application of an empirical function in the inversion equation brings the bias problem of the regularization factor when a traditional Tikhonov’s algorithm is applied. To solve the bias problem of regularization factor selection, we present a standardized solution that comprises two parts for solving a 3-D constrained inversion equation, specifically the linear matrix transformation and Tikhonov’s regularization algorithm. Since traditional regularization techniques become numerically inefficient when dealing with large number of data, we further apply methods which include the Simultaneous Iterative Reconstruction Technique (SIRT) and the wavelet compression combined with Least Squares QR-decomposition (LSQR). In our simulation study, we demonstrate that SIRT as well as the wavelet compression plus LSQR algorithm improve the computation efficiency, while provide results which closely agree with that obtained from applying Tikhonov’s regularization. In particular, the algorithm of wavelet compression plus LSQR shows the best computing efficiency, because it combines the advantages of coefficients compression of big matrix and fast solution of sparse matrix. Similar findings are confirmed from the vertical gravity gradient data inversion for detecting potential deposits at the Kauring (near Perth, Western Australia) testing site.     

储层重力密度反演后验约束正则化方法

本文针对蒸汽辅助重力泄油(SAGD)生产中开发监测问题,发展了综合应用地震及重力数据反演储层密度的联合反演算法.通过测井数据建立纵波阻抗与密度的直接关系,并推导出这种关系下重力与纵波阻抗数据联合反演的计算方法,从而计算出蒸汽腔体密度分布规律.文中应用密度反演后验约束正则化方法,采用Tikhonov正则化模型,通过波阻抗数据作为约束进行联合反演,在算法上提高了稳定性,同时得到较高的反演精度.文中对SAGD生产中的理论模型进行了方法试算,并分析了算法的误差,最终应用于SAGD生产的实际数据中,通过最终反演结果分析,该方法取得了很好的应用效果.     

Determination of the degree 120 time-variable gravity field in the Sichuan-Yunnan region using Slepian functions and terrestrial measurements

The terrestrial time-variable gravity measurements are characterized by a high signal-to-noise ratio and sensitivity to the sources of mass change in the Earth's crust. These gravity data have many applications, such as surface deformation, groundwater storage changes, and mass migration before and after earthquakes. Based on repeated terrestrial gravity measurements at 198 gravity stations in the Sichuan-Yunnan region (SYR) from 2015 to 2017, we determine a time series of degree 120 gravity fields using the localized spherical harmonic (Slepian) basis functions. Our results show that adopting the first 6 Slepian basis functions is sufficient for effective localized Slepian modeling in the SYR. The differences between two gravity campaigns at the same time of year show an obvious correlation with tectonic features. The degree 120 timevariable gravity models presented in this paper will benefit the study of the regional mass migration inside the crust of the SYR and supplement the existing geophysical models for the China Seismic Experimental Site.     

联合星载GPS和KBRR星间测速数据反演GRACE时变重力场模型

高精度GRACE卫星时变重力场反演一直是卫星重力测量中的难题.为了恢复高精度的时变地球重力场模型,本文联合GRACE卫星的星载GPS和KBR星间测速观测数据,在对GRACE卫星进行精密定轨的同时,解算出60阶月平均地球重力场模型.通过对GRACE卫星的定轨精度、星载GPS相位和KBR星间测速数据的拟合残差以及时变地球重力场模型解算精度等分析,表明:(1)与美国宇航局喷气推进实验室(JPL)发布的约化动力学精密轨道相比,本文确定GRACE卫星轨道三维位置误差小于5 cm.(2)星载GPS相位数据拟合残差为5~8 mm,KBR星间测速数据拟合残差为0.18~0.30μm·s~(-1).(3)解算的月平均重力场模型与美国德克萨斯大学空间研究中心(CSR)、德国地学研究中心(GFZ)和JPL发布的RL05模型精度接近,时变信号在全球范围内具有很好的空间分布一致性.通过计算亚马逊流域和长江流域的水储量变化,本文与上述三个机构的计算结果无明显差异,且相关系数均达0.9以上.可见,本文建立的卫星轨道与重力场同解算法具有反演高精度GRACE时变重力场能力,为我国卫星重力场反演提供了重要的技术支持.