一种局部海域扰动重力数据反演海底地形的非线性序列相关方法

在不考虑地壳均衡条件下,从重力场基本理论出发推导了重力异常/扰动与海深信息之间的近似解析关系,其中扰动重力反演海底地形的模型较之重力异常更加简洁.通过对反演模型级数展开式的深入分析表明,在重力数据分辨率数值小于海深分辨率时并不明显收敛,因此在用重力数据反演高分辨率海底地形时应顾及展开级数的高阶项并采取相应处理方法.在大量统计分析基础上,构建了局部海域扰动重力数据反演高分辨率海底地形的非线性序列相关方法,该方法利用少量船测重力/水深测线数据获取非线性相关参数,而后利用卫星测高重力数据按非线性相关函数模型反演海底地形.试验分析表明,2次非线性相关函数反演效果表现较优,对于海底地形平缓海域,1°×1°区域内单条船载测线数据获得的相关参数即可达到2%相对精度.对于海底地形复杂海域,论文方法适用范围应该尽量缩小,30′×30′区域范围基于单条船载测线数据反演的相对精度可优于7%.从论文试验结果分析,海底地形与重力数据之间存在2次非线性相关函数特征,且这种特征在高分辨率情况下仍然适用,利用非线性函数模型并结合稀疏船载测量数据、密集卫星测高重力数据可为局部海域高分辨率海底地形反演提供一种可行的解算方...     

海底地形探测和模型研制现状及精度分析

海底地形影响着海洋自然灾害、资源开发以及军事国防.海底地形的探测手段由过去传统的船载声呐技术发展到依靠重力数据反演水深.国外从1980年代就开始利用船载和卫星测高数据开发全球水深模型,截至目前发布的水深模型空间分辨率达到15″.本文总结了声呐、激光测深雷达、卫星测高重力数据和遥感影像反演水深的研究现状,并分析每种测深手...     

顾及海底地形坡度的南海海底地形分区GGM反演

利用重力地质法(Gravity-Geologic Method, GGM)反演海底地形时,海水与海底洋壳的密度差异常数是影响反演精度的一项关键参数.由于海底地形复杂程度的影响,不同区域密度差异常数存在差异.针对于此,本文以南海局部海域(113°E—119°E, 12°N—19°N)为实验区,依据区域内坡度及地形分布,将研究区域划分为6个子区域,分别求取每个子区域的最佳密度差异常数,以改善海底地形反演的精度.基于HY-2A测高数据获得的重力异常数据,反演了研究区域格网间隔1′×1′的SGGM海底地形模型.结果表明,将SGGM模型与检核点实测水深进行比较,其差值的标准差为101.46 m,相对精度为2.82%,优于GEBCO＿2021模型、V19.1模型对比实测水深差值的标准差(131.50 m、129.81 m)与相对精度(3.64%、3.59%).结合各子区域不同的坡度及船测点分布,统计各子区域相对精度为2%～4%,并分析得出反演较差结果集中分布在地形突变区域,而坡度平缓区域的标准差可达到42.20 m.此外,同未进行区域划分而采用一个密度差异常数反演的结果相比,反演精度提高了9.68...     

基于重力梯度的模拟退火法反演中国南海海底地形

模拟退火法是一种全局寻优算法,在地球物理反演中得到广泛应用.本文应用快速模拟退火法对中国南海海域的重力垂直梯度进行反演来获得中国南海高分辨率海底地形,首先推导出密度界面与重力垂直梯度的对应关系,然后利用理论模型试验证明快速模拟退火法能成功地根据重力垂直梯度来计算密度界面的变化,最后将其应用于由Geosat,ERS-1/2,T/P,Jason-1,EnviSat-1卫星测高数据计算得到的中国南海海域重力垂直梯度异常,反演得到的中国南海海底地形与LDEO船测海深相接近,两者之间差的最大值为0.24 km.     

基于重力地质法的南中国海海底地形反演

根据重力地质法（GGM）,利用南中国海海域内63179个船测控制点水深将测高自由空间重力异常划分为长波参考场和短波残差场,并反演出了该海域112°E—119°E,12°N—20°N范围的1’×1’海底地形模型,该过程中使用的海水和海底洋壳密度差异常数1.32 g·cm-3通过实测水深估计得到.利用反演得到的GGM模型对剩余的10529个检核点船测水深插值计算后与实测水深进行比较,其较差结果的均值为-1.64 m,标准差为76.95 m,相对精度为4.06%.此外,根据船测点数量、分布和海底地形的不同,选择了三个海域进行统计,结果表明：在船测控制点分布均匀的海域,GGM模型精度优于ETOPO1模型,在控制点过于分散的海域其精度会有所下降,但好于船测水深的直接格网化结果.为进一步探究检核点的较差结果中出现较大数值的成因,本文对精度较差的点位进行了单独分析,选择了两条船测航迹剖面进行了研究,并分析了检核点的水深较差、相对精度与水深和重力异常的关系,结果表明：GGM模型精度受水深和重力异常的相关性影响较小,受海底地形复杂程度影响较大,地形坡度变化平缓海域的预测精度明显高于海山地区.最后,综合GGM模型和ETOPO1模型优势,利用所有船测水深作为控制,生成了综合的海底地形模型.     

基于卫星测高的海域大地水准面

利用测高数据的一次差分计算海域垂线偏差，有效降低了动力海面地形和系统残差对垂线偏差的影响；然后根据扰动场元间的协方差函数是具有各态历经性的平稳随机函数这一特征，提出了利用垂线偏差精确逼近海域大地水准面的协方差函数. 而海域大地水准面的精确确定，为从测高数据中精确分离动力海面地形提供了条件. 本文还利用Topex/Poseidon、ERS 1/2测高数据计算了全球海域大地水准面和动力海面地形，证明了本文所述方法是科学合理的.     

南海海面高度、动力地形和环流的周年变化——TOPEX/Poseidon卫星测高应用研究

用1993~1999年的TOPEX/Poseidon卫星测高资料, 分析了南海海面高度距平场(SSHA)的平均周年变化; 结合历史水文资料, 反演了多年平均的逐月海面动力地形; 探讨了南海动力地形及其所反映的上层环流季节特征和演变规律. 分析表明, 南海大尺度环流的周年演替可分为4个阶段. 冬季(11~2月)南海环流表现为以北部气旋环流为主的气旋型双圈结构, 相关的特征还包括吕宋海峡的黑潮入侵和加里曼丹岛西北外海的东北向离岸流. 春季(3~4 月)气旋型双圈结构解体, 北部的气旋型环流依然维持, 南部环流则向反气旋型演变, 大尺度环流结构呈现偶极子特征. 夏季(5~7 月)和秋季(8~10月)海盆内部不存在明显封闭的大尺度环流, 环流以西南-东北流向的季风急流为主要特征, 但夏、秋流态有较大差别. 5~7 月季风急流贴中南半岛北上, 在海南岛东南18°N附近沿地形折向东形成反气旋型弯曲, 穿越南海后再折向东北. 8~10 月季风急流在13°N附近即离开中南半岛海岸进入海盆中部, 其流态转变为气旋型. 在春、夏、秋三季, 黑潮的入侵都不明显. 上述变化规律显示南海环流的动力调整在季风盛期过后就已经开始.     

融合多源海洋大地测量数据的南海海底地形多层感知机反演

本文融合SIO(Scripps Institution of Oceanography)发布的垂线偏差、重力异常和垂直重力梯度数据及NCEI(National Centers for Environmental Information)发布的船载测深数据, 利用多层感知机神经网络(Multi-Layer Perceptron, MLP)建立南海海域(108°E—121°E, 6°N—23°N)分辨率为1'×1'的海底地形模型(MLP_Depth).首先, 将642716个船载测深控制点的位置信息与周围4'×4'格网点处的地球重力信息(垂线偏差、重力异常、垂直重力梯度)作为输入数据, 将船载测深控制点处实测水深值作为输出数据, 训练MLP神经网络模型, 训练结束时决定系数R²为99%, 平均绝对误差MAE为39.33 m.然后, 将研究区域内1'×1'格网正中心点处的输入数据输入于MLP模型中, 可得格网正中心点处的预测海深值.最后, 根据预测海深值建立研究区域范围内分辨率为1'×1'的MLP_Depth模型.将MLP_Depth模型预测水深与160679个检核点处实测水深对比, 其差值的标准差STD(75.38 m)、平均绝对百分比误差MAPE(5.89%)与平均绝对误差MAE(42.91 m)皆优于GEBCO_2021模型、topo_23.1模型、ETOPO1模型与检核点实测水深差值的STD(108.88 m、113.41 m、229.67 m)、MAPE(6.11%、6.94%、18.37%)与MAE(47.33 m、52.24 m、130.08 m).同时, 为了研究不同区域内利用该方法建立的海底地形模型的精度, 本文在研究区域内分别建立了A、B区域的海底地形模型(MLP_Depth_A、MLP_Depth_B).经过验证得: MLP_Depth_A、MLP_Depth_B相比于MLP_Depth模型具有更高的精度, 更能反应海底地形的变化趋势.

     

单层/双层地壳物理参数对重力数据反演海底地形影响分析

针对利用海面重力数据构建海底地形模型质量受诸多地壳地球物理参数影响现状,以重力异常反演海底地形的频率域算法模型为基础,讨论了不同地球物理参数对单层/双层地壳仿真结构和不同均衡补偿模式下导纳函数各频段影响程度,推导给出了不同地球物理参数及其组合对海底地形反演结果影响的定量数学表达.仿真试验结果表明,单层地壳的密度变化导致单层导纳函数和双层导纳函数明显分离;双层地壳仿真结构中海山载荷密度对导纳函数影响显著且几乎为全频段影响;因此,建议应用解析法开展数值试验分析时,重点考虑海山载荷密度(双层地壳)或者地壳密度(单层地壳)变化.就当前海底地形反演精度而言,运用相关解析算法建立海底地形数值模型时,应重点关注有效弹性厚度、平均海深、海山和海水密度差异参数取值准确性,特别是顾及地壳均衡补偿恢复海底地形,岩石圈有效弹性厚度(通过有效弹性厚度可获取挠曲刚度)取值准确程度将较大程度影响最终海底地形模型效能高低.     

利用多年卫星测高资料研究南海上层环流季节特征

利用10年高精度卫星测高海面高异常网格资料,联合EGM96稳态海面地形模型,构成南海海域合成海面地形的时间序列,并计算了各个时期的南海表层地转流场. 利用卫星跟踪漂流浮标观测结果与相应时期南海地转流场进行对比验证,结果显示本文结果可以很好地反映南海海域一些中小尺度的环流特征. 根据南海各季节多年平均表层环流场结构,对南海环流周年变化规律和季节特征进行了初步的探讨. 研究结果表明,南海表层环流始终处在不断演变过程之中,在时间和空间上都表现出明显的多尺度特征.     

新近月球重力场模型与地形模型的局部导纳和相关性分析

本文利用三个高阶重力场模型LP150Q、GLGM-3和SGM150j以及嫦娥地形模型CLTM-s01,在频率域内使用固定窗口的方法,研究了不同重力场模型的重力/地形局部导纳谱与局部相关谱的全球分布,以及典型质量瘤盆地重力/地形局部导纳谱与局部相关谱分布的特征.结果表明:加入远月面重力场信息有助于增强重力场模型在中高频段的信号强度;三个重力场模型LP150Q、GLGM-3和SGM150j均适合于作近月面重力/地形局部导纳与局部相关性的分析和近月面地球物理参数的估计;重力场模型LP150Q和GLGM-3较适合作远月面大范围的研究,不适合于作远月面重力/地形局部导纳谱与局部相关谱的分析以及作远月面局部区域地球物理参数的估计,SGM150j较适合于作远月面局部区域地球物理参数的估计;近月面大型质量瘤盆地异常质量的尺度比远月面质量瘤盆地异常质量的大,而深度也比远月面的深.     

利用GRACE数据反演东海沉积物变化

GRACE卫星的成功发射为海底沉积物的监测提供了新的方法.利用2003-2014年间的GRACE RL05数据,采用同期的测高数据对海面高变化进行改正,使用水文模式数据和基于均一假设的尺度因子估计方法处理泄漏误差,反演了东海地区的沉积物变化情况,并对GIA效应进行了改正.结果表明：东海入海口处沉积物的平均变化速率为5.44±0.88 mm·a^-1,最大值出现在浙江沿海地区,变化速率为6~7 mm·a^-1;在空间分布上,呈现河口处沉积速率大,远离河口的大洋地区沉积速率小的特征.在时空分布上均与实测数据很好的吻合.沉积物变化时间序列的周年项振为6.8 cm,周年变化主要与东海泥沙扩散路径相关的海洋环流模式有关;半周年项和两周年项振幅分别为0.6 cm和0.7 cm,这两项变化主要与长江流域降水引起的土壤侵蚀变化有关.最后,分析讨论了本文沉积物监测方法推广到其他地区的适用性和局限性.

     

分体式宽频带海底地震仪的研制、测试和数据质量分析

宽频带海底地震仪（OBS）是进行海洋岩石圈结构成像等地震学基础研究的核心仪器设备.本文介绍了南方科技大学自行研制的分体式宽频带OBS（命名为磐鲲）的设计特点及其在南海深海区的测试状况;并对于设备性能和数据质量进行了细致分析.除了分体式结构以外,磐鲲还具有独特的抗底流设计、地震计自动分离装置、宽频带地震计（100 Hz~120 s）、以及低功耗和长工作时间等特点.与2012年在南海进行的地震观测实验中的OBS设备相比,磐鲲在回收率、水平方位确定、调平装置以及时钟精度等OBS设备的基本性能方面都有了明显的提高;更为重要的是,得益于独特的抗底流结构,磐鲲记录的地震波形质量有了较大改善,尤其是水平分量,达到了与附近陆地台站相近的数据质量,而低频成分（>10 s）的噪声水平低于国际同类OBS.这些分析说明磐鲲记录的数据可以实现绝大多数地震学研究目标,包括应用于接收函数和各向异性等需要使用三分量地震数据的常用方法.此外,其数据的宽频带特征,尤其是较高质量的低频信号（如长周期面波的频散特征和低频体波的有限频效应）,将更有利于研究海洋岩石圈和上地幔的深部结构和过程.

     

浅海区域Topex/Poseidon测高卫星数据波形重构方法

根据测高卫星返回波形的特征,给出了由Topex/Poseidon卫星波形数据进行波形重构的方法,并采用函数逼近算法确定波形重构改正量,进而改善测高卫星近海岸海面高观测值的精度.在中国南海区域计算了四圈T/P测高卫星经过波形重构后的海面高数据.近海岸海面高数据与相近时刻验潮站数据相比,精度比波形重构前有了很大提高,证明该方法的有效性.     

“鸟巢”海底丘——我国第一个国际海底地形命名支撑技术研究

近年来,国际海底地形命名分委会(SCUFN,Sub-Committee on Undersea Feature Names)以不涉及国家间的主权争端为原则,开展全部或者主体(50%以上)位于领海以外的海底地形特征命名的审议工作.提案申请的地形名称一经采纳,将直接被写入     

用GRACE卫星跟踪数据反演地球重力场

利用141天GRACE卫星观测资料,包括K波段、星载加速度和卫星轨道数据,反演了80阶地球重力场模型IGGGRACE01S,该模型在半波长为500km的空间分辨率上,确定大地水准面的精度约为0012m,中长波(<80阶)精度优于重力卫星发射以前研制的重力场模型. 与EIGEN_GRACE02S、EIGEN_CHAMP03S和EGM96模型的位系数相比,该模型系数最接近于EIGEN_GRACE02S,与另两个模型差异较大. 比较几种模型确定的全球重力异常和大地水准面起伏,结果发现IGGGRACE01S与EIGEN_GRACE02S模型的计算结果比较接近,与EGM96模型结果差异较大,差别较大地区主要在南极等地区. 对于中国大陆,比较IGGGRACE01S模型（前72阶）计算的重力异常和NIMA重力异常数据（25°×25°网格）,两者之间的标准偏差为48mGal.     

利用卫星测高数据推求中国近海及邻域大地水准面起伏和重力异常研究水

首先对中国近海及邻域（0°-40°N,105°─135°E）内4年的T／P卫星测高数据（1992－10-03-1996－10－09）和1年多的ERS－1卫星测高数据（1992－10－23-1994－01－20）进行了预处理以剔除数据中的粗差影响．然后,对卫星的重复轨迹采用"共线"处理方法得到该海域的平均海平面．在扣除海面地形的影响后得到该海域30'×X30'大地水准面起伏。再分别采用Stokes公式逆运算加FFT技术和最小二乘配置法恢复出该海域30'×30'海洋重力异常．所得到的海洋大地水准面起伏精度为8．5cm,恢复出的重力异常的精度为35×10－5m／s2．     

利用卫星测高数据推求中国近海及邻域大地水准面起伏和重力异常研究

首先对中国近海及邻域（0°-40°N,105°─135°E）内4年的T／P卫星测高数据（1992－10-03-1996－10－09）和1年多的ERS－1卫星测高数据（1992－10－23-1994－01－20）进行了预处理以剔除数据中的粗差影响．然后,对卫星的重复轨迹采用"共线"处理方法得到该海域的平均海平面．在扣除海面地形的影响后得到该海域30'×X30'大地水准面起伏。再分别采用Stokes公式逆运算加FFT技术和最小二乘配置法恢复出该海域30'×30'海洋重力异常．所得到的海洋大地水准面起伏精度为8．5cm,恢复出的重力异常的精度为35×10－5m／s2．     

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.     

基于GRACE KBRR数据的动力积分法反演时变重力场模型

基于动力积分法恢复了一组60阶的时变重力场模型WHU-Grace01s,且在位系数解算过程中仅使用KBRR数据.通过与CSR、GFZ和JPL发布的Release 05模型的阶方差和位系数误差谱对比可知,WHU-Grace01s模型在高阶次部分的阶方差较小,且对轨道共振现象不敏感.将WHU-Grace01s时变重力场模型与CSR、GFZ、JPL、DEOS、Tongji、ITG、AIUB和GRGS等8家机构发布模型通过相同的滤波处理,获得了全球地表质量变化的时空分布,从结果可以看出:各个模型计算的时变信号在空域上分布十分接近,且WHU-Grace01s模型计算的太平洋中心和撒哈拉沙漠区域的质量变化较小;对比几个典型质量变化区域,WHU-Grace01s模型和JPL模型计算的长江流域和珠江流域时变信号呈强相关,其相关系数分别为0.948和0.976,且与上述8个模型计算的两个流域时变信号的相关系数均达到0.9以上;在南极区域和格陵兰岛,WHU-Grace01s模型和其他各个模型均能反映区域冰川质量的积累或消融,且各模型计算获得的长期趋势变化结果相当.研究结果表明,WHU-Grace01s模型和国内外已发布机构模型具有很好的一致性,且受到轨道共振影响较小.