基于配置法的局部重力场延拓模型构建与应用分析

在大地坐标系下利用Forsberg局部扰动位协方差模型（即DPM模型）导出了实用的局部重力异常协方差模型（即GAC模型）和局部扰动重力协方差模型（即GDC模型）,两种模型形式完全一致.针对GAC模型,提出了两种模型参数的拟合方法,即按照泊松积分向上延拓获得的不同高度数据进行拟合以及按照测量区域的平面实测数据进行拟合,通过某地区的实测数据检验得出两种参数拟合方法得到的参数值相差不大,这种差别在向上和向下延拓过程中的影响可以忽略.依据本文的算例,GAC模型作为配置法的协方差模型用于延拓时,其向上延拓的精度在1.8×10^－5 m·s^-2左右,向下延拓的精度在5×10^－5 m·s^-2左右,完全满足局部重力场在中等山区的延拓要求.通过对不同高度下GAC模型用于延拓效果的对比,可以得出基于GAC模型的延拓精度随着高度的增加而衰减,在满足测量精度要求下其最大向下延拓高度约为7 km.总体而言,本文推导的GAC模型能够很好地利用地形数据,较好地满足了航空重力测量在局部重力场的延拓要求.     

确定地球重力场模型的最小二乘配置法与调和分析法的精度评析

本文给出了利用卫星重力梯度张量TT_(zz)分量恢复地球重力场模型的最小二乘配置法与调和分析法的基本原理公式,通过数值实验对两种方法确定地球重力场模型的精度进行了比较,最后总结评述了两种方法在反演地球重力场模型时的优缺点.     

利用CHAMP卫星几何法轨道恢复地球重力场模型

介绍了利用CHAMP几何法轨道恢复地球重力场模型的基本原理和算法,提出了基于牛顿数值微分公式并辅助移去-恢复方法计算卫星速度的算法.利用现有重力场模型标定CHAMP加速度计数据的差分算法,采用Technical University of Munich（TUM）提供的CHAMP几何法轨道,计算出了三组50×50地球重力场模型.与GRIM5_C1、EIGEN_1S和EIGEN_2模型的比较表明,无论位系数差值阶方差或大地水准面差值,恢复出的模型与EIGEN_2模型都最接近.利用北极实测重力数据对上述模型进行了检验,结果显示,本文得到的三组模型均优于GRIM5_C1模型,且与EIGEN_1S、EIGEN_2模型精度相当.     

扰动重力梯度张量单分量和组合分量最小二乘配置法模型的建立

建立了利用扰动重力梯度张量T_zz分量和T_xx+T_yy、T_zz-T_xx-T_yy组合分量确定地球重力场的调和分析法模型,进一步推导了扰动重力梯度张量对角线三分量的自协方差和互协方差函数的级数展开式,推导了单分量、组合分量与重力位系数之间协方差函数的实用计算公式,给出了利用单分量和组合分量解算地球重力场模型的最小二乘配置法基本原理公式.结果表明,最小二乘配置法具有一定的抗差能力,随着观测数据误差的不断增大,其恢复的重力场模型有效阶次不断降低,精度也不断下降;T_zz-T_xx-T_yy组合分量解算重力场模型的精度最高,其次为T_zz分量,T_xx+T_yy组合分量最差.     

中亚热带人工针叶林CO_2通量组分统计不确定性分析

以ChinaFLUX千烟洲中亚热带人工针叶林2003~2005年连续3a涡度相关CO2通量观测数据为基础,采用"单塔日变化法(Daily-differencingapproach)"分析了CO2通量观测数据的随机误差,研究比较了不同生态过程模型、不同参数优化方法对模型关键参数及CO2通量组分(Reco,NEE,GEE)的影响,并利用不确定性分析方法—自助法(Bootstrapping)系统地分析了生态过程参数和CO2通量组分的不确定性.结果表明:(1)CO2通量观测随机误差更多服从双边指数分布(Laplace分布),而不是高斯正态分布;(2)不同参数优化方法获取的生态过程参数存在明显差异,最大似然参数优化方法获取的参数结果不确定性低于普通最小二乘参数优化方法;(3)最大似然参数优化方法与普通最小二乘参数优化方法模拟的Reco,NEE,GEE结果分别相差12.18%(176.47gC·m?2·a?1),34.33%(79.175gC·m?2·a?1),5.4%(91.955gC·m?2·a?1);而TW_model与T_model模拟Reco,NEE,GEE结果分别相差1.31%(17.825gC·m?2·a?1),2.1%(5.745gC·m?2·a?1),0.26%(4.28gC·m?2·a?1).这说明参数优化方法的选择对CO2通量的影响高于模型的选择,因此选择适当的误差分布假设(参数优化方法)对CO2通量的确定和评价很重要;(4)最大似然法参数优化方法获取结果的相对不确定性低于普通最小二乘法参数优化方法.且CO2通量组分估计结果的不确定性随时间尺度变化,时间尺度越大,CO2通量的相对不确定性越小.Reco,NEE,GEE年尺度上的相对不确定性分别为4%~8%,7%~22%,2%~4%.     

新一代GRACE重力卫星反演地球重力场的预期精度

基于低低卫卫跟踪模式,本文主要探讨利用动力学法融合精密轨道数据和星间测距或距离变率数据求解地球重力场的基本原理与方法,该方法既可对两颗低低跟踪卫星的初始状态误差进行有效校正,也可充分利用低轨卫星轨道所包含的低频重力场信息.为探讨适合我国国情的低低跟踪模式下的重力卫星指标,本文以不同星载设备精度指标的组合进行模拟计算,模拟结果显示:(1)把GRACE卫星的星间距离变率指标提高一个量级,其余指标保持与GRACE卫星设计指标一致时,可使地球重力场的精度获得同量级的提高;(2)若星间距离变率为1.0×10^-8 m·s^-1,轨道高度为300 km,加速度计精度为3.0×10^-10 m·s^-2,轨道精度为0.03 m, 星间距离100 km,与利用GRACE的设计指标反演出的重力场精度相比,可提高约121倍,并建议我国未来低低跟踪重力卫星计划参考此指标.     

基于残余星间速度法精确和快速反演下一代GRACE Follow-On地球重力场

基于新型残余星间速度法(RIRM)反演了120阶GRACE Follow-On地球重力场.第一,由于GPS定轨精度相对较低,通过将激光干涉测距仪的高精度残余星间速度(测量精度10-7 m·s-1)引入残余轨道速度差分矢量的视线分量构建了新型RIRM观测方程.第二,基于2点、4点、6点和8点RIRM公式对比论证了最优的插值点数.如果相关系数和采样间隔一定,随着插值点数的增加,卫星观测值的信号量被有效加强,而卫星观测值的误差量也同时增加.因此,6点RIRM公式是提高下一代地球重力场精度的较优选择.第三,相关系数对地球重力场精度的影响在不同频段表现为不同特性.随着相关系数的逐渐增大,地球长波重力场精度逐渐降低,而地球中长波重力场精度逐渐升高.第四,基于6点RIRM公式,通过30天观测数据和采样间隔5s,分别利用星间速度和残余星间速度观测值,在120阶次处反演下一代GRACE Follow-On累计大地水准面精度为1.638×10-3 m和1.396×10-3 m.研究结果表明:(1)残余星间速度观测量较星间速度对地球重力场反演精度更敏感;(2)GRACE FollowOn地球重力场精度较GRACE至少高10倍.     

基于B spline和正则化算法的低轨卫星轨道平滑

本文提出了一个利用纯几何轨道和力模型的新算法来计算精确且相对平滑的卫星轨道. 该法将一个纯几何轨道表达为一个B spline的线性组合，线性组合的系数可以由最小二乘法估计获得. 力模型通过计算加速度来附加约束. 为了平衡几何轨道的点位误差和加速度的不精确，一个基于“广义交互确认（GCV，generalized cross validation）”的正则化算法运用其中. 由于B spline的本地控制性，该方法的计算效率相当高. 本文的数值分析表明了该法的有效性. 模拟计算的结论是：带加速度约束较不带加速度约束的平滑效果好. 力模型越精确，平滑的轨道就越精确. 三个月的CHAMP实测轨道数据处理结果表明，平滑后的轨道改进了重力场模型.     

基于新型主成分加权平均归一化法优选水下重力匹配导航适配区

本文开展了水下潜器重力匹配导航的匹配区适配性评价研究.第一,本文综合考虑了重力异常标准差、坡度标准差、粗糙度、重力异常差异熵、分形维数等重力场主要特征参数,联合主成分分析准则和加权平均原理,提出了新型主成分加权平均归一化法;第二,基于新型主成分加权平均归一化法,计算可评价重力异常基准图各区域匹配效果的总体特征参数指标,依据总体特征参数指标进行优良适配区、一般适配区和非适配区划分;第三,在相同条件下,在划分的优良适配区、一般适配区和非适配区内,分别进行重力匹配数值模拟验证比较,结果表明,优良适配区的重力匹配效果显著,匹配概率约为98%,匹配稳定性高,位置误差小于1个重力异常基准图格网.     

基于下一代三向车轮双星编队改善地球重力场空间分辨率研究

由于当前GRACE(Gravity Recovery and Climate Experiment)串行式编队存在"南北向条带误差"等缺陷,因此本文基于星间速度插值法开展了利用下一代三向车轮双星编队ACR(Along-Cross-Radial)-Cartwheel提高地球重力场空间分辨率的可行性研究论证.第一,采用GRACE卫星轨道参数和关键载荷精度,利用三向车轮双星编队ACR-Cartwheel-A/B反演了120阶地球重力场.结果表明:基于ACR-Cartwheel-A/B双星编队反演地球重力场的模拟精度较德国波茨坦地学研究中心(GFZ)公布的EIGEN-GRACE02S地球重力场模型的实测精度平均提高2.6倍,从而检验了基于下一代三向车轮双星编队ACR-Cartwheel-A/B反演地球重力场精度优于当前GRACE串行式双星编队的可行性.第二,通过星间速度插值法,采用卫星轨道参数(初始轨道高度350km、平均星间距离100km、初始轨道倾角89°、初始轨道离心率0.0046)、卫星关键载荷精度指标(星间速度10-7 m·s-1、轨道位置10-3 m、轨道速度10-6 m·s-1、非保守力10-11 m·s-2)、观测时间30天和采样间隔10s,基于经向车轮双星编队Lo-AR(Longitudinal-Along-Radial)-Cartwheel-A/B、纬向车轮双星编队La-AR(Latitudinal-Along-Radial)-Cartwheel-A/B和三向车轮双星编队ACR-Cartwheel-A/B,分别反演了120阶地球重力场;在120阶处,累计大地水准面精度分别为5.115×10-4 m、4.923×10-4 m和3.488×10-4 m.结果表明:(1)由于La-AR-Cartwheel-A/B编队的轨道稳定性优于Lo-AR-Cartwheel-A/B编队,因此基于La-AR-Cartwheel-A/B编队反演重力场精度高于Lo-AR-CartwheelA/B编队;(2)由于ACR-Cartwheel-A/B编队可以同时获得轨向、垂向和径向的重力场信息,卫星观测数据具有各向同性优点,因此ACR-Cartwheel-A/B编队是建立下一代高精度和高空间分辨地球重力场模型的优化选择.     

青藏高原东北缘岩石圈变形及其机理

为了解青藏高原东北缘岩石圈变形特征,进一步研究该地区地壳运动的壳-幔耦合机理,本文通过处理分析该地区1999～2007年多期GPS观测数据、1972~2000年水准测量数据和1992年及2007年相对重力测量资料,获得了该区域地壳水平运动速度场、较长时间段的垂直形变场和相对重力变化场.分析发现青藏高原东北缘东西部的变化特征存在明显差异：西部以北东向地壳缩短运动为主,而东部以顺时针旋转为主;东部以地壳隆升为主,速率在2.1 mm/a左右,而西部隆升的速率小于1 mm/a;相对重力变化则表现为在整体增大的背景下东部升高速率较大,平均为9.0×10^-8 m·s^-2·a^-1,而西部较小,平均值为3.1×10^-8 m·s^-2·a^-1.我们还发现,地壳不同变形形式的转换不是渐变的,而是发生在较窄的一个转换带内.这个转换带的整体走向为NEE,北部位于金昌与武威之间,中部在祁连山东部、门源以西,南部位于德令哈以东青海湖以西.最后结合前寒武纪构造格架、重力均衡异常资料和地震SKS分裂结果对形成这种运动态势的机理进行了探讨,我们认为岩石圈物质侧向流动、岩石圈结构及壳-幔耦合方式差异可能是导致东部与西部岩石圈变形差异主要动因.     

Derivation of the CHAMP-only global gravity field model TUG-CHAMP04 applying the energy integral approach

A global gravity field model TUG-CHAMP04, derived from CHAMP (CHAllenging Minisatellite Payload) satellite-to-satellite GPS tracking observations in the high-low mode (SST-hl) in combination with CHAMP accelerometry, is presented and described in detail in this paper. For this purpose the energy integral approach was applied to precise kinematic orbits and accelerometer data. The advantage of these kinds of orbits is that they are derived from purely geometrical information, hence no external gravity field information is used for the determination of the positions. The disadvantage of precise kinematic orbit information is, that no velocities are delivered and hence a procedure has to be elaborated to deduce the velocities from kinematic positions. This work is done in preparation for ESA’s GOCE (Gravity field and steady state Ocean Circulation Explorer) satellite mission (scheduled launch November 2006), aiming at a high precision and high-resolution gravity field model on a global scale. This paper concentrates on the CHAMP data processing, where, in contrast to the usual standard method (processing in the Earth fixed frame), an approach in the inertial frame is chosen. Focus is taken on the data preprocessing of both accelerometer and orbit data, emphasising on the correct treatment of data-gaps and outlier detection. Furthermore an arc-wise weighting strategy is introduced and the advantages/disadvantages of this approach are discussed. Finally, the TUG-CHAMP04 model, calculated from one year of CHAMP data is compared with the official CHAMP gravity field model EIGEN-3p and terrestrial data (GPS levelling data).     

2004~2006年奄美大岛以东的琉球海流

基于2004~2006年12个航次的水文资料,用逆方法计算得到了奄美大岛以东AE断面琉球海流的流速和体积流量.再次证实琉球海流具有较稳定的次表层流核结构,流核位于110～600 m深度,并沿AE线分布于27.2°～28.2°N,流核的最大流速为15.1～80.0 cm·s^-1. 12个航次的平均流速断面显示了一个完整的次表层流核,其流核的最大流速为21.3 cm·s^-1, 流核的垂直和水平尺度分别为800 m 和 30 km. 观测结果表明,2004~2006年之间,琉球海流冬季、春季、夏季、秋季和年平均的流量分别为10.9,10.1,5.9,23.9和12.7×10⁶ m³·s^-1,秋季最强,夏季最弱.日本以南黑潮净流量为52.7×10⁶ m³·s^-1, 其中源于吐噶喇海峡黑潮和琉球海流的流量平均比为0.40.     

起伏地形条件下流动重力数据处理方法研究

以地震监测为目的流动重力重复测量获取的重力年变信号通常在十几到几十微伽量级.但由于重力测点所处的地形高程不同,将空间测点直接插值得到的重力异常空间图像会叠加由于地形起伏引起的异常畸变.本文通过6面体模型定量计算了不同规模和埋深场源的地形效应;对青藏高原东缘地区测网的重力观测数据进行了分析处理,并通过位场曲面延拓校正技术消除了地形影响.结果表明,位场曲面延拓校正技术可以有效地改善重力数据质量,有利于更准确地圈定和认识异常的空间形态特征.     

重力场动态变化与汶川MS8.0地震孕育过程

基于中国大陆1998～2007年（复测周期2～3年）流动重力观测数据,结合GPS、水准观测成果和区域地质构造动力环境,分析研究了汶川8.0级地震区域重力场动态变化演化特征和孕震机理.结果表明：区域重力场动态演化大体反映了青藏高原物质东流的动态效应和汶川大震孕育的中长期（2～10年）信息;汶川大震孕育的显著重力标志为震中西南持续多年的正重力变化（上升）和出现较大规模的重力变化梯级带,前者有利于地震能量的不断积累,后者有利于地震剪切破裂的发生;与地震孕育相关重力场变化总体呈增大—加速增大—减速增大—发震的过程;8年累积重力变化幅差最大约200×10^-8m·s^-2;2001年昆仑山口8.1级地震孕育发生和震后恢复调整,对区域重力场动态变化和汶川大震的孕育发展具有重要影响;松潘—甘孜块体一般呈现负重力变化,可能反映深部壳幔局部上隆、壳内温度较高而膨胀,有利于逆冲或推覆体运动的形成和大震的发生.     

GRACE detection of the medium- to far-field coseismic gravity changes caused by the 2004 MW9.3 Sumatra-Andaman earthquake

Large earthquakes cause observable changes in the Earth's gravity field, which have been detected by the Gravity Recovery and Climate Experiment (GRACE). Since most previous studies focus on the detection of near-field gravity effects, this study provides the results from the medium- to far-field gravity changes caused by the 2004 Sumatra-Andaman earthquake that are recorded within GRACE monthly solutions. Utilizing a spherical-earth dislocation model we documented that large-scale signals predominate in the global field of the coseismic gravity changes caused by the earthquake. After removing the near-field effects, the coseismic gravity changes show a negative anomaly feature with an average magnitude of -0.18×10^-8 m·s^-2 in the region ranging ~40° from the epicenter, which is considered as the "medium field" in this study. From the GRACE data released by Center for Space Research from August 2002 to December 2008, we retrieved the large-scale gravity changes smoothed with 3 000 km Gaussian filter. The results show that the coseismic gravity changes detected by GRACE in the medium field have an average of (-0.20€±0.06)×10^-8 m·s^-2, which agrees with the model prediction. The detection confirms that GRACE is sensitive to large-scale medium-field coseismic gravitational effects of mega earthquakes, and also validates the spherical-earth dislocation model in the medium field from the perspective of satellite gravimetry.     

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.     

Gravitational effect of water circulation in the northwest Yunnan

ＧｒａｖｉｔａｔｉｏｎａｌｅｆｆｅｃｔｏｆｗａｔｅｒｃｉｒｃｕｌａｔｉｏｎｉｎｔｈｅｎｏｒｔｈｗｅｓｔＹｕｎｎａｎＭｉｎ－ＹｕＪＩＡ；（贾民育）Ｓｈａｏ－ＡｎＳＵＮ；（孙少安）Ａｉ－ＭｉｎＸＩＡＮＧ；（项爱民）ａｎｄＤｏｎｇ－ＺｈｉＬＩＵ（刘冬至）（...     

A supplementary approach for estimating reaeration rate coefficients

Different commonly used predictive equations for the reaeration rate coefficient (K₂) have been evaluated using 231 data sets obtained from the literature and 576 data sets measured at different reaches of the River Kali in western Uttar Pradesh, India. The data sets include stream/channel velocity, bed slope, flow depth, cross‐sectional area and reaeration rate coefficient (K₂), obtained from the literature and generated during the field survey of River Kali, and were used to test the applicability of the predictive equations. The K₂ values computed from the predictive equations have been compared with the corresponding K₂ values measured in streams/channels. The performance of the predictive equations has been evaluated using different error estimation, namely standard error (SE), normal mean error (NME), mean multiplicative error (MME) and coefficient of determination (r²). The results show that the reaeration rate equation developed by Parkhurst and Pomeroy yielded the best agreement, with the values of SE, NME, MME and r² as 33·387, 4·62, 3·58 and 0·95, respectively, for literature data sets (case 1) and 37·567, 3·57, 2·6 and 0·95, respectively, for all the data sets (literature data sets and River Kali data sets) (case 2). Further, to minimize error estimates and improve correlation between measured and computed reaeration rate coefficients, supplementary predictive equations have been developed based on Froude number criteria and a least‐squares algorithm. The supplementary predictive equations have been verified using different error estimates and by comparing measured and computed reaeration rate coefficients for data sets not used in the development of the equations. Copyright © 2003 John Wiley & Sons, Ltd.     

Genetic programming approach for flood routing in natural channels

In recognition of the non‐linear relationship between storage and discharge existing in most river systems, non‐linear forms of the Muskingum model have been proposed, together with methods to calibrate the model parameters. However, most studies have focused only on routing a typical hypothetical flood hydrograph characterized by a single peak. In this study, we demonstrate that the storage–discharge relationship adopted for the non‐linear Muskingum model is not adequate for routing flood hydrographs in natural channels, which are often characterized by multiple peaks. As an alternative, an evolutionary algorithm‐based modelling approach, i.e. genetic programming (GP), is proposed, which is found to route complex flood hydrographs accurately. The proposed method is applied for constructing a routing model for a channel reach along the Walla Walla River, USA. The GP model performs extremely well with a root‐mean‐square error (RMSE) of 0·73 m³ s^?1 as against an RMSE of 3·26 m³ s^?1 for routing the multi‐peaked hydrograph. The advantage of GP lies in the fact that, unlike other models, it establishes the routing relationship in an easy and simple mathematical form. Copyright © 2007 John Wiley & Sons, Ltd.