地球主磁场的NOC模型

从1900~2000年国际参考地磁场球谐模型系列出发, 建立一种新的地磁场模型──自然正交分量模型, 简称NOC模型. 首先, 由IGRF1900-2000的高斯系数求出地磁场的本征模; 然后, 以此作为基函数系, 将每一年代的磁场展开, 求出各本征模的强度系数, 即可得到表示地球主磁场空间结构和时间变化的NOC模型. 对NOC模型的收敛特征和基函数的稳定性进行了数值检验, 结果表明, 与传统的IGRF球谐模型相比, NOC模型具有级数短、收敛快的特点；在所研究的100年内, 低阶NOC基函数比较稳定, 而高阶基函数有较大的变化. 讨论了NOC模型基函数的物理内涵, 并揭示了地磁场的空间结构及其长期变化之间的内在联系.     

利用半参数核估计法预报全球电离层总电子含量

本文将半参数平差模型引入电离层球谐函数系数的预报中,建立了半参数球谐函数模型(Semiparametric-Spherical Harmonic,Semi-SH)来预测全球电离层总电子含量.首先,通过快速傅里叶变换获得球谐函数系数的周期和振幅,将振幅高的主周期归入趋势函数,振幅低的剩余周期归入随机信号,建立了半参数模型,同时利用核估计方法拟合趋势函数,解算随机信号,并在时间域上进行外推,得到了预报时间的球谐函数系数,代入15阶电离层球谐函数模型,最后得出电离层总电子含量(Total Electron Content,TEC)的预报值.本文基于欧洲定轨中心(CODE)发布的球谐函数系数进行电离层TEC长期预报和短期预报分析,其中长期预报采用四年预报两年的模式对球谐函数系数进行预报,短期预报设计了三个算例,采用前30天预报后一天的模式,分别预报1天、滑动预报7天和滑动预报30天.实验结果表明:长期预报能够较好地反映全球电离层TEC的变化趋势和波动情况,Semi-SH模型对全球电离层TEC平均值(Mean TEC global,MTECglobal)的拟合值和预报值与MTECglobal实际值的相关系数分别为0.8743和0.8010,呈现出高度相关性.短期预报中,在太阳活动高年和太阳活动低年,Semi-SH模型在中纬度地区预报精度较CODE发布的电离层TEC 1天预报产品(CODE′S 1-Day Predicted GIM,C1PG)有较大提升,在高纬度与低纬度地区两种模型预报精度相当;Semi-SH模型在太阳活动高年和太阳活动低年30天滑动预报精度的均值均高于C1PG模型.实验结果说明了Semi-SH模型预报电离层TEC值的有效性.     

弹道扰动引力无奇异性计算模型的建立

利用地球重力场模型来计算飞行器轨道扰动引力,当飞行器飞越两极及其附近地区时,由于Legendre函数的一阶导数以及分母上所含余纬的正弦函数,将导致扰动引力的计算出现无穷大.本文推导了Legendre函数一阶导数以及球谐函数m (P)mn(cosθ)/sinθ无奇异性的计算公式,建立了飞行器轨道扰动引力各分量无奇异性的详细计算模型,并通过数值试验分析了扰动引力各分量在两极地区的变化趋势,从而彻底解决了利用地球重力场模型计算两极地区飞行器轨道扰动引力时存在的奇异性问题.     

基于非均一场源的球坐标大地电磁模拟方法

大地电磁测深理论与数据处理解释均假定平面电磁波垂直入射地下空间,但随着研究尺度的逐渐扩大,使得因地球弧度产生的影响难以忽略.此时,传统笛卡尔坐标体系及平面波场源不再适用于大尺度的大地电磁数据正反演解释.本文提出并实现了一种基于球坐标系的大地电磁交错网格有限差分三维正演算法,并对电场进行极向-环向分解,结合球谐函数和贝塞尔函数构建了可取代平面波的场源模型.首先利用经纬度信息构建三维地电模型,将场源设置于模型空间正上方,然后通过直接求解球坐标系下麦克斯韦方程来获得大地电磁响应.在此基础上,本文设计了球坐标下具有不同分辨率的多个三维地电模型,阐述了由球体模型到笛卡尔模型的转换方法,详细对比了两种坐标体系在计算效率、所求得的电场和视电阻率方面的差异.结果表明二者差异度主要与电性横向分布和地图投影方法有关,与周期并不存在明显的单调递增关系.     

球谐旋转变换结合非全次Legendre方法的局部六边形网格重力场球谐综合

本文首次提出基于六边形网格剖分的全球重力场结构,并解决了局部六边形网格点模型重力异常快速计算问题.首先,采用全新的方法给出缔合Legendre函数值从稳定振荡区到快速衰减区分界线的理论表达式,并基于该公式提出一种基于跨阶次递推的非全次Legendre方法,实现了高纬度地区点的快速球谐综合.其次,引入球谐旋转(Spherical Harmonic Rotation)理论,实现了 2160阶次的球谐系数在坐标系旋转下的变换,结合非全次Legendre方法,解决了中低纬度地区点的快速球谐综合.通过计算南极洲(高纬)低分辨率和加里曼丹岛(低纬)高分辨率六边形网格重力异常表明,非全次Legendre方法以10-19m·s-2精度水平与传统全阶次方法计算结果吻合,且计算效率提升1倍多,旋转变换结合非全次Legendre方法的计算精度在10-16m·s-2,效率提升近5倍.本文提出的方法不仅提升了球谐综合的计算效率,凡是有高纬度的缔合Legendre函数计算的问题,都可利用该方法提升效率,同时,超高阶次球谐旋转变量变换的实现将在地磁场模型构建、计算机视觉、量子物理等领域发挥重要作用.     

现今板块,块体运动定量模型的发展

从简单的几何不描述到刚性板块假设下的最小二乘法拟合,转动角速度的级数展开,弹性平面和球壳有限元模型,各向同性弹性地球的格林函数方程和粘弹－重力层状地球模型等数学力学模型的引入和发展,从地质数据的不断完善到空间大地测量数据的应用等方面阐述了现今板块运动定量和模型不断完善的发展过程。     

缔合勒让德函数的精度评定方法研究

勒让德方程是物理学和其他技术领域常常遇到的一类常微分方程.当试图在球坐标中求解三维拉普拉斯方程(或相关的其他偏微分方程)时,问题便会归结为勒让德方程的求解,解的形式是一系列勒让德多项式(函数).完全规格化缔合勒让德函数(fnALFs)的数值计算和精度评定,是地球重力场以及相关领域中的重要研究课题之一.本文利用缔合勒让德函数(ALFs)的三角函数级数展开式,研究了其定积分性质.基于球函数加法定理,给出了fnALFs定积分和fnALFs导数数值的精度评定公式.另外,利用连续函数在特定区间上的平均值概念,给出了计算fnALFs数值的精度评定方法.最后,利用引力场模型,给出了各种精度评定方法中相对误差数值确定的理论依据.     

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.     

复数矢量球函数的理论研究

给出了正交归一化的复数矢量球函数的定义和性质。复数矢量球面调和函数是球体位移的研究基础,采用复数矢量球面调和函数可把位移场的球形场和环形场一同表示出来,为各种动力学效应的统一研究提供了理论依据。同时还研究了在球坐标系下弹性就变张量与复数矢量球函数的一些关系,为地球弹性动力学方程的解算提供参考。     

区域面波群速度反演的球谐函数法

一个定义在球面局部区域的复杂的面波速度函数如果直接利用球谐函数拟合可能需要展开到很高阶的球谐系数．通过保角变换，把一个球面局部区域扩展到球面上更大的区域上，变换过程中面波速度保持不变，在变换后的球面域上用球谐函数来拟合速度函数，达到降低球谐系数阶数的目的，使面波群速度的反演变成了球谐系数的线性化反演.通过球谐系数分析，可得到反演的分辨率.该方法不仅适用于面波群速度反演，同样适用于各种球面区域场的分析.     

我国绝对重力观测结果和重力测量精度

文内给出全国３６个点绝对重力观测结果。观测结果表明，在国家重力基本网的一些点上，其重力值新测绝对重力值之间存在明显偏差。     

南北地震带中段深部构造与地震

南北地震带中段位于中国大腹部，是青藏块体、华北块体和扬子块体的中间枢纽部位。根据该区布格重力异常图，采用Ｐａｒｋｅｒ’ｓ三维位场方法进行莫氏面反演并计算该区不同窗口的剩余场推断和解释了条岩石圈断裂，进而研究它们与地震的关系。     

地震前后重力场变化的典型震例分析

系统总结了中国地震局地球物理勘探中心利用流动重力资料进行地震预报的实践经验,研究了8次地震的孕震环境、重力场变化、成因分析和预报实况等。结果表明,一次较强的地震前,处于不同地段的重力测点和测段都要出现上升-下降-上升或下降-上升-下降的较明显的中、短期异常变化;重力场的变化图象较清晰地反映了地震前后重力场的演化过程。     

地壳形变测项概论

回顾了地壳形变观测工作的发展历程,详细阐述了地壳形变观测手段、方法的变化,以及观测台网的布局,最后分析了测量误差。     

1976年唐山地震前的重力位二次微商变化

本文介绍了唐山大地震前在北京通县西集地震台用扭秤观测的重力位二次微商变化。这个资料与唐山地震前的重力异常符合得比较好。扭秤测量精度较高，仪器性能稳定，两秤臂的一致性好，它对唐山地震前观测的重力异常是一个很好的旁证和补充。说明唐山地震前的重力变化，尤其是１９７５年的加速上和临震前的得力下降是可信的。西集台第一次观测到与地震孕育过程有关的重力位二次微商异常，这对研究唐山地震的前兆，特别是重力场的变化原     

前庭系统功能与震前动物行为异常

震前重力异常与震前声发射所需的地球物理条件相同,大体是伴生现象。所有的生物(从植物到人类)都能测知重力,但都离不开钙。重力改变相当于动物居处发生了高程变更。震前重力异常与动物异常在时空上有相关性。前庭系统受重力作用后可引起行为模式的改变。这启示我们;①地声监测与重力监测台网应并设;②研制整合的重力—地声监测地震仪;③研究、开发钙在重力仪中的功用和部件;④加强动物失重研究;⑤震前动物骚动的原因可能主要是重力异常和声发射,响应者是位听系统。     

包头地区重力场变化与阴山带中强地震关系的初步分析

本文对包头地区的重力复测资料及重力变化、地震活动特征进行了分析，讨论了重力观测对阴山带地震监测的意义。     

华北平原沉降地区重力场变化分析

华北平原沉降带相对于西部太行山区,近几年观测到的重力值相对1989年同期呈上升状态、其中某些地区累计上升量相当大,比如,沧州地区达143×10~(-8)m/s~2,任丘地区103×10~(-8)m/s~2,巨鹿—南宫为(89—103)×10~(-8)m/s~2.对某些地区的重力变化量进行地下水下降量和地面沉降量校正,其校正量可达到变化量的1/3—1/2.校正后的重力值变化幅度减小,但有些异常依然存在.这种较大的剩余变化量,可能含有两个因素:其一可能与华北平原沉降带的继承性下降及某些地区构造断裂活动有关;其二可能是实际地面沉降量比推测的沉降量大.     

区域高阶重力场模型与青藏地区局部位系数模型

根据当今全球模型研究的Ｍｏｌｏｄｅｎｓｋｙ理论，推导了相应的区域高阶重力场模型系数修正公式．考虑了球近似边值条件引起的各种偏差，使用了椭球坐标系，按椭球调和展开．并利用中国青藏地区地面重力资料对原始全球模型ＯＳＵ９１Ａ１Ｆ的高阶部分系数进行修正，获得该地区的局部重力场模型ＱＺ９３Ｇ（完整到３６０阶），它对实测平均重力异常的恢复精度为±１１．８×１０^－５ｍ／ｓ^２．     

2014年云南鲁甸6.5级地震前重力变化特征与3维反演

利用西昌测网2012-2014年6期流动重力观测资料,分析了区域重力场差分动态变化和累积动态变化特征,以及近震源区测点的时序变化曲线,认为鲁甸6.5级地震前2年并没有出现明显的趋势性累积异常,而可能的前兆信号与断层滑动面两侧的测点2014-03-2014-06时段的重力点值差异性变化相关.针对此异常采用等效源模型反演至震源深度范围内的密度值变化在10-5g/cm3量级,推测该质量源在短期内的变化可能与地壳内部介质孔隙流体的充填或运移相关,在短期构造运动等动力条件下,孕震区可能由于流体物质运移、充填并诱发断层滑动,导致地震的发生.