GRACE时变重力场滤波方法

针对GRACE时变重力场模型高阶项误差较大导致的"南-北"条带噪声,该文利用模拟的GRACE数据分析了去相关滤波、Gaussian滤波、组合滤波和平滑先验信息滤波方法对噪声的滤除效果和对真实信号的衰减程度。实验表明:4种滤波算法均能有效降低条带噪声,但单独使用去相关滤波时效果较差,需与其他算法结合使用;Guass滤波和组合滤波在减小噪声条带的同时,也在一定程度上牺牲了空间分辨率;平滑先验信息滤波在移除噪声、保留有效信号方面比其他3种算法有较为明显的优势。     

GRACE时变地球重力场模型反演全球质量变化

根据GRACE卫星所得到的2008年1～12月份的重力场模型数据反演各种质量变化的分析结果,求出等效水高。对全球和局部地区的等效水高进行分析,得出关于时变重力场模型能够在较大的时间尺度范围和地理范围内很好地反演全球质量变化的结论。     

应用GRACE时变地球重力场模型探测地震重力变化

根据GRACE时变重力场模型和高斯平滑原理,编写了全球任意一点的重力异常计算程序,计算2011日本地震区域前后共7个月的重力异常值。结果显示,在大地震前后,地震区域重力异常呈现正负异常交替和迁移现象,并随着地震的临近,这种现象会越来越明显。最后绘制全球1°格网的等效水高速率变化图,借此分析地震影响产生的全球质量变化。     

EIGEN-GL04C重力场模型的精度分析

本文对GFZ发布的GRACE EIGEN-GL04C重力场模型从球谐系数分析、误差阶方差分析两方面进行了精度评价。研究表明,相较于以往的重力场模型,EIGEN-GL04C重力场模型精度对120阶以下(未包含J2项)的地球中长波部分具有明显的改善。GRACE重力卫星测量已经成为获取地球重力场信息的重要手段。     

利用GRACE时变重力场反演黑河流域水储量变化

黑河流域水储量变化对该区域的生态环境和经济建设等具有重要影响。本文利用2002年8月至2011年6月GRACE（Gravity Recovery and Climate Experiment）时变重力场模型GRGS-EIGEN-GL04,采用去相关滤波P3M6与300km高斯滤波相结合的滤波方法反演了黑河流域陆地水储量变化,扣除GLDAS（Global Land Data Assimilation System）水文模型计算的土壤水和冰雪变化,给出了黑河流域地下水储量的时空变化,并利用张掖地区23口地下水测井数据对地下水反演结果进行了初步验证。研究结果表明：（1）黑河流域陆地水储量整体上呈现减少趋势,与该流域气候变化和CPC水文模型的计算结果具有较好的一致性,其减少速率为2.3cm/a等效水高;（2）黑河流域地下水储量呈现长期减少趋势,其减少速率为2.5cm/a等效水高,上、中游区域地下水储量减少速率相当,下游区域地下水储量减少速率明显小于中上游区域。     

时变重力场的非各向同性高斯滤波比较

使用GRACE反演地球表层的质量异常,其结果取决于构造的平滑函数即滤波方法。本文阐述了两种在经典高斯滤波基础上构造的Fan滤波和Non-isotropic Gaussian(Non)滤波,两者均对GRACE的阶和次起作用。在同一阶下,两者的权重随着次数的升高而衰减,但衰减的趋势不同,比如在20阶时,Fan滤波呈抛物线变化,而Non滤波则为线性衰减;在40和60阶,两者均呈抛物线变化。使用CSR发布的GRACE Level-2 RL05数据反演地表质量异常,两者的结果相近。     

GRACE时变重力场滤波方法研究

用3种不同的滤波方法获得了2007年相对于2005年的卫星重力变化图像,并与同期地面重力测量的结果进行比较,对比分析GRACE月重力场滤波方法的优缺点。结果表明,去相关平滑滤波算法优于高斯滤波和直接截断法,且去相关平滑滤波DDK5处理得到的卫星重力动态变化图像与地面观测结果符合最好,表明GRACE卫星时变重力场可以用来分析大区域重力动态变化。     

各向异性组合滤波法反演陆地水储量变化

地球时变重力场模型反演陆地水储量变化已为全球气候变化研究作出巨大贡献,考虑到时变重力场模型球谐系数中存在相关性,其高阶次项具有较大的误差,需采用最优的滤波方法进行空间平滑。本文提出一种新的各向异性组合滤波方法,其基本思想是将改进的高斯滤波法与均方根(root mean square,RMS)滤波法组合,即对球谐系数的低阶次采用改进的高斯滤波法,而高阶次采用RMS滤波法。首先分析了最新的GRACE RL05系列时变重力场模型系数误差特性,基于全球水储量变化反演结果,分析比较了高斯滤波、改进的高斯滤波、RMS滤波和DDK滤波与本文提出的组合滤波法的有效性及精度,并利用模型结果进行了验证,计算结果表明,组合滤波法的中误差最小。研究结果表明,本文提出的组合法相比于先前的滤波方法,可有效地过滤高阶次的噪声,消除南北条带误差,同时减少信号泄漏,提高信噪比,保留更多有效的地球物理信号,进而提高反演精度。     

利用ERA-Interim数据计算GRACE大气去混频模型

针对欧洲中程天气预报中心实时大气数据中由于水平及垂直分辨率变化所引起的大气压跳跃,利用再分析大气数据（ERA-Interim）及去平滑球谐分析方法计算重力恢复与气候实验卫星（gravity recovery and climate experiment,GRACE）大气去混频模型,从谱域、空域角度及利用主成分分析方法比较其与标准大气与海洋去混频模型的差距,并采用星间距离变率残差作为标准衡量两种模型的优劣。结果表明:两种模型之间精度相近,用于计算时变重力场模型时其影响可忽略,但在用于计算下一代卫星重力场模型时,需考虑其影响。     

利用重力卫星GRACE监测亚马逊流域2002-2010年的陆地水变化

基于2003～2012年的GRACE卫星重力资料,采用最小二乘拟合的方法,构建了时变重力场统一模型IGG-TVG2013。该模型以球谐系数的形式表达,在考虑趋势项和周期项等经验参数的基础上,还考虑了加速度项和潮汐模型误差、大地震等因素的影响。将IGG-TVG2013模型与GRACE资料进行了比较分析,在全球92%以上的区域二者符合精度优于±1 ugal;利用该模型外推预测了2013年1～6月的重力场变化,结果与GRACE实测数据符合较好。这表明IGG-TVG2013模型不但能较好地描述重力场的连续时空变化,而且具有一定的短期预测能力。     

GRACE时变重力场位系数相关误差的滤波消除技术

针对美国德克萨斯大学空间研究中心(UTCSR)发布的GRACE Level-2 RL04版本时变重力场模型位系数,分析了GRACE重力场位系数中存在的系统相关误差,并确定了相关误差滤波策略。利用JASON-1卫星测高数据与WOA05海洋模型对滤波效果进行了定量评价,研究结果表明,相关误差滤波技术能够有效消除位系数中存在的相关误差,可提高利用GRACE重力场模型获取地球表面质量变化短波分量的能力。     

GRACE时变重力数据的后处理方法研究进展

重力场是反映地球介质密度变化和在各种环境(固体地球潮汐、内部热流、固体和液体之间质量的交换、表面负荷和地震构造运动等)下动力学特征的最基本和最直接的物理量。GRACE(Gravity Recovery and Climate Experiment)卫星作为探测全球重力场的工具已经为科研工作者提供了超过10 a的全球时变重力场数据。由于GRACE数据存在固有误差,GRACE数据产品需要进行后处理对局部重力场进行研究。回顾整理了GRACE数据后处理中的处理方法,包括高斯滤波法及非各向同性滤波法,位系数去相关法,主成分分析法,小波分解法,Slepian方法,以及顾及先验信息的改进算法等,并对GRACE后处理算法的后续改进和发展进行了展望。     

GRACE卫星时变重力场的小波多尺度分解——以2008年汶川Ms8.0大地震为例

根据UTCSR发布的GRACE卫星资料,计算了汶川及其周边地区的卫星时变重力场,并利用小波多尺度分析方法对卫星重力场进行分解,得到了反映不同深度的重力场细节和逼近。通过研究各个细节和逼近成分的重力场变化,结合区域构造运动的特点,对GRACE观测的时变重力场及汶川地震的动力机制进行了初步解释和讨论。结果表明,4阶细节和4阶逼近较好地揭示了汶川地区构造形变和深部物质流动引起的重力变化,而且这种震前重力变化特征满足地震孕育发生的条件。     

根据人卫激光测距、GRACE和地球物理模型求解地球低阶重力场季节变化

本文利用2002年4月至2010年10月的Lageos1和Lageos2两颗激光卫星观测数据、GRACE以及地球物理模型三种独立的方法计算地球低阶重力场系数J 的变化,根据大气压强数据计算 J 时分别按反变气压计（IB）和非反变气压计(NIB)两种假设进行计算。通过分析 J 的季节特性表明,大气在NIB假设下得到的周年振幅比在IB假设下得到的振幅大3倍左右,相位相差47°;大气和陆地水的质量变化对 J 周年变化的贡献占主导地位,海洋的影响最小;大气、海洋和陆地水得到 J 半年振幅和相位值与SLR得到的振幅和相位值吻合较差,尤其是在IB假设下大气得到的结果与SLR结果相差最大; SLR、GRACE和地球物理模型三种独立方法得到的 J 周年项之间吻合相对较好,GRACE得到的周年振幅比SLR得到的周年振幅大50%左右, SLR观测得到的 J 周年振幅介于在NIB和IB两种假设下地球物理模型得到的结果之间;GRACE与SLR得到的 J 半年项的振幅相同,在IB假设下AOW得到的 J 半年振幅和相位与SLR结果差异最大。     

用GRACE星间速度恢复地球重力场

本文首先给出了用星间速度恢复地球重力场的数学模型,然后用GRACE卫星30天的星间速度观测值计算了一个100阶的地球重力场模型DQM2006S2。为了对这一模型的精度进行评述,将它与EGM 96,EIGEN-CHAMP03S和GGM01S3个地球重力场模型作了比较,并用这一模型计算了高程异常与GPS/水准实际观测值进行了比较,结果表明:DQM2006S2模型精度优于EGM 96和EIGEN-CHAMP03S模型精度,但是不及GGM01S模型精度。精度不及GGM01S的原因是GGM01S模型使用了111天的星间速度数据,其数据量约为DQM2006S2模型使用数据量的4倍。     

利用参考重力场模型基于能量法确定GRACE加速度计校准参数

利用多个参考重力场模型分别对GRACE一个月的实测加速度计观测数据进行检校。数值计算结果的比较分析表明了利用参考重力场模型确定加速度计校准参数是有效的。     

联合GOCE卫星数据和GRACE法方程确定SWJTU-GOGR01S全球重力场模型

联合地球重力场和海洋环流探测器（Gravity Field and Steady-State Ocean Circulation Explorer,GOCE）和重力恢复与气候实验（Gravity Recovery and Climate Experiment,GRACE）卫星观测数据确定全球静态重力场模型是当前大地测量学的研究热点之一。联合近3 a的GOCE卫星梯度数据和7 a左右的GRACE星间距离变率数据计算的ITG-GRACE2010S模型的法方程恢复了210阶次的重力场模型SWJTU-GOGR01S。采用带通数字滤波方法处理GOCE卫星的4个高精度梯度观测分量,利用梯度数据恢复重力场模型的观测方程直接建立在梯度仪坐标系中,可以避免坐标转换过程中高精度的梯度观测分量受低精度分量的影响;联合法方程解的最优权采用方差分量估计迭代计算,GOCE数据的两极空白引起的病态问题采用Kaula正则化方法进行约束。基于EIGEN-6C2模型和北美地区的GPS水准网观测数据,对SWJTU-GOGR01S模型进行内外符合精度分析,结果表明,SWJTU-GOGR01S模型在210阶次的大地水准面误差和累计误差分别为1.3 cm和5.7 cm,精度与欧洲空间局公布的第四代时域法模型相当,略优于GOCO02S和GOCO03S模型的精度。     

关于动态航空重力测量中的理论模型的研究

当一个载体(比如飞机)处于一般运动状态时,它不仅“感受”到引力,同时还“感受”到惯性力。因此,在动态航空重力测量中(载体是飞机),为了提取出重力(或引力)信息,关键的问题是解决如何有效地将引力与惯性力分离开来。引力与惯性力的分离涉及到内部分离(不借助外部观测信号)和外部分离(仅利用外部观测信号)。本文的研究仅限于内部分离问题。本文以广义相对论为基础,在仔细研究了受力质点的世界线偏离方程之后得出结论,纯引力场信息可通过黎曼张量反映出来,而黎曼张量可以用重力梯度仪加惯性平台(惯性陀螺)来测定。同时,本文还讨论了黎曼张量与牛顿引力理论中的重力梯度之间的关系并建立了仅用内部观测手段实施航空重力测量的模型。     

应用卫星重力数据监测维多利亚湖流域水储量变化

维多利亚湖是非洲第一大淡水湖,也是全球十大湖泊中纬度最低的淡水湖,有利于GRACE的监测。维多利亚湖为其流域内的居民提供了赖以生存的淡水资源,监测其水储量变化有重要意义。利用2003年1月至2016年12月间的GRACE时变重力场数据反演其水储量变化,针对GRACE数据处理过程中产生的信号泄漏问题,采用Forward Modeling的方法恢复信号,结果表明:此方法能有效地减小泄漏误差,恢复初始信号;通过分析维多利亚湖流域水储量的变化趋势,发现其水储量在2003年至2016年有明显的阶段性变化,并且水储量易受到自然因素和人为因素影响;联合GRACE、卫星测高和GLDAS计算了流域内的地下水变化,其趋势与WGHM模式输出结果具有很好的一致性。     

基于时间序列分析的动态变形预测模型研究

提出了基于AR并将其推广到CAR模型对时间序列统一建模的新观点和方法,并以实例对动态模型与静态模型分别作了应用比较。结果表明,时间序列分析动态模型预测精度高,用途广泛