基于EEMD分解的气压改正方法研究

利用超导重力仪观测数据精确测定低于1 mHz的地球自由振荡简正模式的分裂频率,是在不与任何弹性系数发生联系的情况下改善一维密度模型的有效方法.但在该频段台站局部气压变化对重力观测数据的影响成为主要干扰来源,且具有频率依赖特性,因此精细地开展气压改正成为利用超导重力数据检测低频自由振荡信号的必要手段.本文基于EEMD方法,提出了一种具有频率依赖特性的气压改正方法.该方法将重力观测和气压变化分解成处于不同频段的本征模态函数,并在相应频段上分别进行重力-气压变化的回归分析,计算得到具有频率依赖特性的气压导纳值,精细地消除气压变化对重力观测的影响,并以此对微弱低频地球自由振荡信号开展高分辨率分析.基于本文提出的气压改正方法,利用大地震后的超导重力数据检测了频率小于1.5 mHz的低频地球自由振荡及其频谱分裂现象.研究结果表明：利用该方法进行气压改正后检测得到的各简正模具有更高的信噪比,估计的本征频率误差水平明显降低,获得的基频球型振荡₀S₂和₀S₃以及一阶球型振荡₁S₂的分裂谱峰的估计精度更高,同时还检测到了部分环型振荡在重力观测中的耦合现象.对低频地球振荡的高分辨率检测结果验证了基于EEMD分解提出的气压改正方法的有效性,同时再次证明了超导重力仪观测数据在低频地球自由振荡检测中的优势.

     

基于辛-谱元方法的地球自由振荡保弥散衰减数值模拟

对大地震激发的全球自由振荡的研究是探查地球内部结构的重要研究方向之一.以地球自由振荡数值模拟高精度、长时程、全球模拟的需求为导向,本文提出了一种适用于地球自由振荡高精度模拟的辛格式-谱元保弥散数值模拟方法.真实地球介质中弹性波能量的衰减成因复杂,对于甚低频情形,地球自由振荡的弥散衰减不容忽视.本文将保结构数值方法拓展至非保守动力学系统,发展了适用于弥散-黏弹阻尼介质弹性波方程的保弥散低阶辛格式数值模拟方法,将其应用于全球尺度地球自由振荡衰减效应数值模拟.数值模拟结果表明等效弥散衰减为地球深部（地核）自由振荡衰减的重要成分,并得出地球外核的等效弥散衰减系数.本文提出的方法为通过自由振荡研究探索地核非均匀性提供了一条的新途径.

     

地震激发的地球自由振荡研究综述

地球自由振荡的研究已成为探查地球内部结构的重要手段之一.影响地球自由振荡的因素有很多,如地球物理学结构横向不均匀性及径向不均匀性、地球自转、地球椭率、地球内部各向异性、非弹性性以及震源机制性质,还有地球外界如引潮力等.本文详细介绍和总结了近几十年来关于地球自由振荡理论研究、实验及观测资料方面的研究,重点是数值模拟方法方面的研究工作.通过观测和理论分析对比,以数值实验的方式推测地球内部更详细的结构分布,如地球内部密度分布以及波速度等特性;并从弹性波理论出发结合高性能并行计算对全球自由振荡过程进行数值模拟研究.     

利用本溪自流井水温观测资料检测地球自由振荡

用本溪自流井数字化水温观测资料,采用直接计算功率谱密度的方式对印尼苏门答腊9.0级大地震激发的球型自由振荡进行了提取,准确检测到了0S2～0S9低频基型球型振荡,并且还检测到了2个谐频球型振荡:1S2、1S3。用该井数字化水温观测资料提取了0S2、0S3、0S4共3个振型的分裂,虽然3个振型均只得到2个单峰,但地球自由振荡谱线分裂现象的检测为研究地球的深内部结构提供了新的、不同类型的观测资料。研究表明,用本溪自流井数字化水温观测资料可以提取到苏门答腊大地震激发的地球球型振荡,这就为地球自由振荡的研究提供了一种新的观测手段。     

钻孔差应变仪观测的苏门答腊大地震激发的地球环型自由振荡

我们率先用钻孔应变仪观测资料研究了地球自由振荡. 泰安地震台有差应变和体应变两种钻孔应变观测仪器,都观测到2004年12月26日苏门答腊大地震激发的地球自由振荡. 体应变仪观测到地球的球型振荡,而差应变仪观测到地球的环型振荡. 两种观测还记录到环型振荡与球型振荡相互的耦合作用. 观测也记录到明显的一些振型的谱线分裂现象. 用直接观测到的高质量的环型振荡资料求解了0T8～0T19等主要振型的Q值. 根据两个方向的剪应变观测数据,求解了环型振荡的最大剪应变方向,发现这个方向是相当稳定的. 这种研究表明,高精度钻孔应变观测仪是一种理想的地壳形变观测仪器,可以为地球自由振荡研究提供更丰富的信息.     

数字化水位仪观测的苏门答腊大地震激发的地球球型自由振荡

利用LN-3型数字化水位仪的观测资料,采用功率谱密度估计方法,在没有对资料进行去固体潮处理的情况下,获得了2004年12月26日苏门答腊大地震激发的0S3～0S30基频球型自由振荡,并检测到2S1、1S2、1S3、2S5和2S6等5个谐频球型振荡,同时记录到一些明显的振型的谱线分裂现象。用水位观测资料提取了0S3、0S4和2S1等3个振型的谱线分裂周期,虽然3个振型均只得到2个单峰,但地球自由振荡谱线分裂现象的检测为研究地球的深内部结构提供了新的、不同类型的观测资料。研究表明,用数字化水位仪的观测资料可以提取到苏门答腊大地震激发的地球球型振荡,为地球自由振荡的研究提供了一种新的观测手段。     

基于分层结构参数变化的地球自由振荡简正模研究

大地震激发导致的地球自由振荡可为获得地球深部结构提供重要手段,通过理论计算自由振荡简正模的本征周期,并与实测结果进行比较,可为地球深内部结构和新地球模型的研究提供有效约束.采用微分方程数值积分技术和G-D1066A地球模型,本文计算了0~48阶的187个球型自由振荡简正模的本征周期,将计算结果与Gilbertt和Dziewonski等3组模型理论结果及Ness等4组观测结果进行比较,相对偏差在0.3%以内.分析说明由于考虑了地幔、外核和内核等不同分层密度和拉梅参数变化的影响,获得了较高精度的地球自由振荡简正模周期.本文提供的理论计算结果可为修正真实地球内部参数提供有效参考.     

核幔边界地幔侧不同尺度横向非均匀对地球自由振荡的影响

地球自由振荡携带着丰富的地球内部结构信息,地球内部核幔边界的横向非均匀性问题是当今地球物理学相关学科研究的热点和难点.为了研究不同尺度横向非均匀结构对地球自由振荡的影响,本文在PREM地球模型中分别引入具有横向非均匀结构的D"区和超低速异常带(ULVZ),构建了有针对性的、新的不同尺度横向非均匀结构地球模型,采用波动方程的谱元解法开展地球自由振荡与地震波传播的长时程数值模拟、频谱分析及功率谱密度分析,以评估不同尺度横向非均匀结构对地球自由振荡的影响,从而为研究地球自由振荡的影响因素、优化地球内部结构模型等提供参考.本文的数值结果及其分析显示,除0S27、0S28、0S29和0S30振型外,核幔边界的这两类横向非均匀结构对自由振荡大部分基频振型的特征频率几无影响,仅对幅值有不同程度的影响.这一结果表明:基频振型中0S27、0S28、0S29和0S30振型适合于利用地球自由振荡谱线分裂现象分析核幔边界地幔侧横向非均匀结构的研究,而其余基频振型则不适合此类研究.     

地球重力场的精细频谱结构及其应用

综述了近年内在全球地球动力学合作观测和研究网络框架下开展的重力场观测、频谱结构和应用研究方面的成果. 内容涉及精密大气、海潮负荷信号检测, 重力潮汐和自由核章动参数测定, 海潮模型和重力固体潮模型有效性检验, 重力潮汐实验模型构制, 地球球型基频和低阶震型谱峰分裂现象和地球Chandler摆动等方面. 文章还介绍了综合现代大地测量技术, 全球超导重力仪的长期、连续观测在地表水循环、同震和震后形变、地球慢形变和地壳垂直运动等方面将发挥重要作用的情况.     

苏门达腊大地震激发的地球自由振荡及其谱线分裂的检测与讨论

2004年12月26日的苏门达腊大地震不仅产生了印度洋大海啸, 还激发了地球自由振荡. 武汉台C0-32超导重力仪记录到这次大地震激发的地球自由振荡信号. 通过对C0-32超导重力仪观测资料的预处理和谱分析, 不仅检测到42个基频振型和2个径向振型, 还较系统地检测到49个谐频振型和12个振型的谱峰分裂. 通过对检测到的谐频振型及异常谱峰分裂现象的讨论, 发现内核顶部的刚度是低于目前地球模型的理论估值, 但内核顶部压缩波速的各向异性却是高于目前学者的估测值. 这表明地球内核的各向异性远比目前所认识的复杂, 可能在地球内核的形成及演化过程中还存在新的地球物理现象.     

卫星重力梯度恢复地球重力场的频谱分析

根据仪器功率谱密度和重力位系数阶方差的定义,本文建立了卫星重力梯度测量噪声功率谱密度与重力场模型的误差阶方差的直接对应关系,并基于此讨论了重力梯度测量精度、卫星轨道高度以及运行时间对地球重力场恢复精度的影响.相比于传统的基于最小二乘法评估卫星载荷噪声对地球重力场恢复精度的影响而言,本文提出的方法简单、直接,有助于快速设计和确定卫星重力测量计划的有关参数.     

JCZ-1型地震仪观测的地球环型自由振荡

本文首次采用JCZ-1型地震仪观测资料研究地球环型自由振荡, 并在2011年日本9.0级地震、 2010年智利8.8级地震和2005年印尼8.6级地震后武汉地震台JCZ-1型地震仪观测到了其激发的环型自由振荡, 从中检测了基振型₀T₂~₀T₆₇和一次振型 ₁T₂~₁T₅₀等振型的本征周期, 与PREM的理论值比较, 误差比小于0.5%, 补充了PREM中未提到的几次振型的本征周期: ₀T₁₁、 ₀T₁₅、 ₀T₁₉、 ₁T₄、 ₁T₅、 ₁T₁₄, 并观测到了日本地震 ₀T₂、 ₀T₆、 ₀T₇和 ₀T₈振型的多峰值现象。 研究结果表明, JCZ-1型地震仪具有良好的观测超低频长周期地球自由振荡的能力。     

地磁场中电子束结构运动的横向约束与周期振荡

地球空间环境中的电子束结构能够对空间辐射环境产生重要影响.自由空间中运动的电子束主要受空间电荷效应支配,其结构同时在纵向方向上产生拉伸和在横向方向上产生发散效应.利用所建立的动力学粒子云模型方法,我们研究了平行于地球背景磁场(L~2,L代表磁赤道上空磁力线到地心的距离与地球半径的比值)运动的电子束结构的时空演化情况,发现地磁场中运动的电子束在横向方向上产生明显的边界约束和周期性振荡现象.通过追踪单粒子,明确了电子在横向方向上同时受到自场的静电斥力和地磁场的洛伦兹力作用,静电斥力主要在电子束运动的初始阶段起支配作用,而电子束结构的振荡效果由地磁场的洛伦兹力所支配.通过不同背景地磁场强度下的参量分析,我们进一步验证了这一推论,且电子束结构的振荡周期与电子回旋运动周期基本一致.该研究结果表明地球磁场能够对运动电子束结构产生重要的影响,这对于加深理解地球空间环境中的电子束结构时空演化有着重要参考意义.

     

中国大陆精密重力潮汐改正模型

利用理论和实验重力固体潮模型,充分考虑全球海潮和中国近海潮汐的负荷效应,建立了中国大陆的精密重力潮汐改正模型.结果表明,采用不同的固体潮模型会对重力潮汐结果产生相对变化幅度小于0.06％的差异;在沿海地区海潮负荷的影响约为整个潮汐的4％,而中部地区约为1％,其中中国近海潮汐模型的影响约占整个海潮负荷的10%,内插或外推潮波的负荷约占海潮负荷的3％.通过比较实测的重力数据表明,本文给出的重力潮汐改正模型的精度远远优于0.5×10-8 m·s-2,说明了本文构建的模型的实用性,可为中国大陆高精度重力测量提供有效参考和精密的改正模型.     

贝叶斯算法在拟合自由核章动参数中的应用

用高精度重力技术检测地球自由核章动(FCN)参数(包括周期和Q值等)的难点是资料观测信噪比低,传统的方法是使用最小二乘拟合,但是获得的FCN共振参数精度不理想.本文利用武汉国际潮汐基准站高精度超导重力仪和全球超导重力仪观测的时变重力资料,根据贝叶斯算法拟合地球自由核章动(FCN)参数.我们将贝叶斯拟合方法与传统最小二乘法实施了对比分析,研究了不同台站资料差异.讨论了潮波选择和不同海潮模型等因素对FCN参数的影响.结果表明用贝叶斯算法获得的FCN品质因子与空间大地测量VLBI结果吻合的更好,这说明贝叶斯算法可靠性高,为研究地球深内部构造参数(核幔边界粘滞系数等)提供了有效依据.     

GRACE星体和SuperSTAR加速度计的质心调整精度对地球重力场精度的影响

本文利用改进的能量守恒法开展了GRACE星体和星载加速度计检验质量的不同质心调整精度影响地球重力场精度的模拟研究论证. 结果表明：第一,在120阶处,当质心调整精度设计为0 m,恢复累计大地水准面精度为17.616 cm;当质心调整精度分别设计为5×10^-5 m、1×10^-4 m和5×10^-4 m时,恢复精度各自降低至18.106 cm、19.033 cm和27.329 cm. 第二,以德国GFZ公布的EIGEN-GRACE02S地球重力场模型的实测累计大地水准面精度为标准,当质心调整精度设计为(5～10)×10^-5 m时,其和K波段星间测量系统、GPS接收机、SuperSTAR加速度计、恒星敏感器等GRACE核心载荷的精度指标相匹配,对地球重力场恢复精度的影响较小,因此建议我国将来研制的首颗重力卫星的星体和星载加速度计检验质量的质心调整精度设计为(5～10)×10^-5 m较优.     

Free core nutation period inferred from the gravity measurements at Józefosław

The Free Core Nutation (FCN) is an important eigenmode which affects both Earth rotation and body tide. The FCN parameters, the resonance period and the quality factor are important for understanding the dynamics of the Earth at nearly diurnal periods. Those parameters are usually estimated either from the Very Long Baseline Interferometry (VLBI) observations of nutation, or from the tidal gravity measurements. In this paper we investigate the determination of the FCN parameters from gravity records covering a period of more than three years, collected with the use of a LaCoste&Romberg Earth Tide no. 26 gravimeter, located at Józefos?aw observatory near Warsaw. From the resonant enhancements of gravimetric factors and phases of diurnal tidal gravity waves, we could infer the FCN period to be equal to 430 sidereal days. This result is in very good agreement with previous gravimetric and VLBI nutation results, confirming the discrepancy in the dynamic flattening of the outer liquid core from its theoretical value based on the hydrostatic equilibrium assumption. The estimated FCN quality factor (Q ≈ 1300) is considerably smaller than the VLBI nutation result, which confirms that the local gravity measurements are more sensitive than VLBI global analyses to site-dependent phenomena (such as atmospheric and indirect ocean tidal effects). We also investigated the importance of gravimetric corrections in the FCN analysis, including numerical tests and simulations. This allowed us to estimate the uncertainty of FCN parameters due to improper or incomplete set of environmental corrections. We took also into account the impact of gravimetric factor errors and tidal wave selection on estimated FCN parameters. We demonstrated that despite relatively noisy measurements due to unfavorable gravimeter location, we were able to obtain very good results in case when proper correction and tidal wave selection were applied.     

GRACE和地面重力测量监测到的中国大陆长期重力变化

自2002年以来,GRACE卫星探测计划可提供高精度的时变地球重力场,用以探测地球系统的物质分布.自1998年中国大陆重力监测网建立以来,利用FG5绝对重力仪和LCR-G型相对重力仪每2年对该网进行重复测量获取重力场时变信息.基于此,本文利用GRACE和地面重力测量获得了中国大陆重力场的长期年变率,利用位错理论根据USGS发布的断层模型计算了2008年汶川Ms8.0级地震的同震重力变化并进行了300 km高斯滤波.GRACE卫星重力和地面重力结果均表明华北地区地下水流失严重,在绝对重力基准站上,GRACE卫星重力与绝对重力变化率较为一致,汶川区域的地面重力变化结果可视为大地震前兆信息.     

The December 26, 2004, tsunami on Sumatra Island as a source of internal gravity waves in the earth’s atmosphere

Records of the coastal mareographs during the December 26, 2004, tsunami are used to study the fine structure of the tsunami wave power spectra. It is shown that a series of maxima is observed in their spectra near the source in a range of internal gravity wave frequencies of 0.2–1.2 mHz, which coincides with the frequencies of the natural oscillations of the Earth. This experimental finding enables us to propose a possible physical mechanism for the formation of tsunami waves as a result of oscillations in the sea bottom at these frequencies. Internal gravity waves in the Earth’s atmosphere excited in this way are found in the variations of the total electron content that resulted from this powerful earthquake.     

Correctives to the scheme of the Earth’s structure inferred from new data on nutation,tides, and free oscillations

When analyzing the new high-accuracy observations of the forced nutation and tidal variations in the acceleration of gravity, it was found that they are in sharp contradiction to the present-day models of the Earth’s interior based on seismic data and the data on the periods and damping constants of the free oscillations of the Earth. The elimination of these contradictions requires analyzing the uniqueness of the interpretation of the free oscillations of the Earth, taking into account the new data.