GPS/重力边值问题的求解及应用

从分析GPS技术在确定地球形状中的作用入手，论述了建立一类新的大地边值问题——GPS/重力边值问题的意义，给出了GPS/重力边值问题的定义及数学描述，推导出GPS/重力边值问题的逼近解式，并给出了应用GPS/重力边值问题确定（似）大地水准面、地面垂线偏差及外部重力场的基本公式. 对GPS技术用于物理大地测量的优势及有待解决的问题进行了简要归纳.     

应用Bjerhammar方法确定GPS重力似大地水准面

GPS技术的发展提出了新的大地边值问题——GPS重力边值问题.本文将Bjerhammar方法应用于GPS重力问题的求解,并在给出理论公式的基础上,针对实际计算中虚拟场元的分布和求解、虚拟球半径的确定及奇异积分等问题提出了具体的解决方案.文中通过比例因子k在虚拟球半径和GPS重力数据密度间建立起联系,并推导出其近似值.在此基础上,利用收集到的某地区的4870个GPS重力数据计算了该地区的似大地水准面,65个高精度GPS水准点进行的外部检核表明其精度为±2.4 cm.经二次多项式拟合后,另外29个GPS水准点外部检核精度达到±1.4 cm.不同分辨率GPS重力数据的计算结果表明,尽管比例因子k的近似值不是最优值,但其对重力场逼近效果影响不是很大.这些结果说明了将Bjerhammar方法应用于GPS重力边值问题求解的合理性及本文计算方法的可行性和可靠性.     

地面扰动重力垂直梯度的确定

鉴于扰动重力垂直梯度在大地测量和物探中有重要作用,在未直接测量的情况下,对如何由地面重力异常及地形数据求取扰动垂直梯度进行了研究和分析,认为在被研点附近要求重力点分布密集,且精度不低于1×10-6ms-2;对中央区域积分奇异性问题也作了讨论;此外,扰动重力垂直梯度如何在大地测量和地球物理中进一步得到应用,以及为何用扰动重力垂直梯度代替重力异常垂直梯度也给予了简明的论述.     

应用GPS/重力数据确定（似）大地水准面

作为GPS/重力边值问题理论及方法的应用,本文在对GPS/重力方法确定（似）大地水准面的原理进行简要介绍与分析的基础上,利用收集到的N区的702个GPS重力数据以及52个高精度的GPS水准数据,计算出该区域的似大地水准面. 通过拟合法和系统差直接改正法进行的精度分析表明,应用GPS/水准方法确定的该地区似大地水准面的精度达到厘米级.     

精化大地水准面的一种间接方法——异常及其梯度在其中的应用

随着GPS/水准及全球重力测量的加密和扩展,获取高精度的似大地水准面或高程异常(ξ)已比较容易,如何进一步研究它和大地水准面或大地水准面高(N)之间的关系(即所谓间接的方法)使大地水准面得到精化,这就是本文的目的,文中对已推导的公式在模型作了验证,对如何利用地形等数据确定扰动重力垂直梯度也作了研究,结果表明:在海拔4000 m的高山地区,当似大地水准面的精度达到cm级时,大地水准面的精度也与之比较接近.     

利用日本GPS网探测2011年Tohoku海啸引发的电离层扰动

海平面的海啸波会产生大气重力波进而引发电离层扰动.本文利用日本GPS总电子含量数据来探测2011年3月11日Tohoku海啸引发的电离层扰动.观测结果表明,在日本上空的电离层中存在两种重力波信号,分别由海平面的海啸波以及地震破裂过程产生.地震产生的电离层重力波分布在震中周围（包括海洋上空以及远离海洋的区域）,而海啸引发的电离层重力波主要分布在海洋上空.地震产生的电离层重力波具有不同的水平速度,包括约210 m·s^-1以及170 m·s^-1,其频率为1.5 mHz;而海啸引发的电离层重力波水平速度快于前者,约为280 m·s^-1,其频率为1.0 mHz.此外,海啸引发电离层重力波与海平面上的海啸波有相似的水平速度、方向、运行时间、波形以及频率等传播特征.本文的研究将电离层中的海啸信号与地震信号区分开来,进一步确认电离层对海啸波的敏感性.

     

海拉尔地震台重力潮汐扰动分析

基于前兆数据跟踪及分析应用,对海拉尔台重力潮汐滤波观测值在远震前后有向下扰动的现象进行分析,对海拉尔地震台和乌加河地震台的重力潮汐滤波观测值在全球Ms7.0以上地震、中国大陆Ms6.0以上地震的震后效应及同震响应进行统计。得出,海拉尔台重力潮汐滤波值中叠加向下扰动属非地球物理事件。     

震前重力扰动与台风引起的重力扰动主频率特征分析

基于中国大陆构造环境监测网络的连续重力观测数据, 对于田M_S7.3地震、 鲁甸M_S6.5地震、 景谷M_S6.6地震和皮山M_S6.5地震前几天的重力扰动信号主频率特征及2014年台风“威马逊”、 “麦德姆”和“黄蜂”引起的重力扰动主频率特征进行了研究。 结果表明: 震前重力扰动信号和台风引起的重力扰动信号频率范围很接近, 对应周期为4~7 s, 单从频率大小无法对两者进行区分; 在不受台风影响的情况下, 不同台站震前重力扰动信号主频率极差和标准差均小于0.02 Hz, 而台风引起的不同台站重力扰动信号主频率极差和标准差均大于0.02 Hz; 通过主频率极差和标准差这两个指标可以很好地将震前重力扰动与台风引起的重力扰动进行有效区分, 这将大大推进连续重力观测在强震短临监测中的应用, 为构建地震预报定量指标体系提供相关依据。     

广义逆Stokes公式、广义逆Vening-Meinesz公式以及广义Molodensky公式

根据重力位W, 正常重力位 以及扰动位 之间的相互关系, 定义了扰动位T与大地水准面起伏N、重力异常Δg, 垂线偏差ε 之间的算子运算关系. 在边界面为球面的条件下, 运用球谐函数求解物理大地测量边值问题的方法, 通过算子变换, 推导了广义逆Stokes公式、广义逆Vening-Meinesz公式和广义Molodensky公式. 广义公式突破了经典公式必须在大地水准面上应用的限制. 当边界面定义为大地水准面时, 广义公式自然退化为经典公式.     

地球外部扰动重力严密改化模型及分析检验

直接积分模型是计算地球外部扰动重力的主要数学工具,将全球积分模型改化为局域积分模型是实现地球外部重力场赋值的前提条件.相比表层积分模型和向上延拓积分模型,Stokes积分模型要求的输入信息种类最少,故在减轻数据保障压力方面具有比较明显的优势.在实施Stokes积分模型工程化应用过程中,我们发现扰动重力径向分量积分模型从地球外部逼近边界面时存在比较严重的数值不连续性问题,本文研究并指出了存在该问题的内在原因,同时提出了保持该模型连续性的修正方法;针对三分量计算模型存在的积分奇异性问题和传统改化方法存在的理论缺陷,提出综合采用移去恢复运算和积分恒等式转换技术,同时依据实测数据保障条件,分步实施扰动重力三分量全球积分模型改化的技术流程和方法,推出了三分量积分模型的分步改化公式,提出了补偿传统改化模型缺陷的修正公式.以超高阶地球位模型EGM2008作为检核参考位场,开展模型对比计算数值试验,分别对本文推出的扰动重力三分量不同阶段改化模型的计算精度进行了分析检验和评估,验证了采用严密改化模型的必要性和有效性.

     

电离层诸参量对大气重力波的响应与重力波参数反演

本文利用欧洲非相干散射雷达数据,分析研究了电离层不同等离子体参量对大气重力波的响应之间的关系.应用这种关系,发展了一种在垂直于地磁场的电场可以忽略等简化假设下,由电子密度和离子沿场速度的同时测量数据,反演求解较高（约250km以上）F区中引起TID的重力波传播参数的方法.用此法对一典型TID事件进行分析计算,所得结果与全波解数值研究结果很好符合.     

电离层诸参量对大气重力波的响应与重力波参数反演

本文利用欧洲非相干散射雷达数据,分析研究了电离层不同等离子体参量对大气重力波的响应之间的关系.应用这种关系,发展了一种在垂直于地磁场的电场可以忽略等简化假设下,由电子密度和离子沿场速度的同时测量数据,反演求解较高（约250km以上）F区中引起TID的重力波传播参数的方法.用此法对一典型TID事件进行分析计算,所得结果与全波解数值研究结果很好符合.     

大气重力波产生的大尺度赤道电离层扰动

本文研究了大气重力波产生的大尺度赤道电离层扰动的性质．当重力波的传播方向与磁场方向倾斜相交时,重力波在Ｆ区产生行进电离层扰动．当重力波垂直于磁场传播时,能触发等离子体Ｒａｙｌｅｉｇｈ－Ｔａｙｌｏｒ不稳定性,形成大尺度赤道扩展Ｆ不均匀体．重力波引起的扩展Ｆ主要出现于晚上,行进电离层扰动则可能出现于任何时间．本文建立了行进电离层扰动和大尺度赤道扩展Ｆ的统一理论模型,深入全面地揭示了电离层扰动的性质．     

利用GPS网观测反射海啸波引发的电离层扰动

震中产生的海啸波传播到海岸或者遇到水下障碍时会发生反射,从而形成反射海啸波.本文利用稠密的日本GEONET网,首次在电离层扰动图中观测到2011年3月11日Tohoku地震引发的反射海啸波信号.观测到的电离层扰动与海平面的反射海啸波具有相似的波形、水平速度、方向、周期以及到达时间等传播特征,表明观测的电离层扰动为反射海啸波所引起.本文的观测结果表明反射海啸产生的大气内重力波也能向上传播到电离层与等离子体作用.

     

大气重力波产生的大尺度赤道电离层扰动

本文研究了大气重力波产生的大尺度赤道电离层扰动的性质．当重力波的传播方向与磁场方向倾斜相交时，重力波在Ｆ区产生行进电离层扰动．当重力波垂直于磁场传播时，能触发等离子体Ｒａｙｌｅｉｇｈ－Ｔａｙｌｏｒ不稳定性，形成大尺度赤道扩展Ｆ不均匀体．重力波引起的扩展Ｆ主要出现于晚上，行进电离层扰动则可能出现于任何时间．本文建立了行进电离层扰动和大尺度赤道扩展Ｆ的统一理论模型，深入全面地揭示了电离层扰动的性质．     

Ionospheric effetcs of an intense geomagnetic storm

An investigation of the response of the mid-high, mid and low latitude critical frequency foF2 to the geomagnetic storm of 15 July 2000 is made. Ground-based hourly foF2 values (proportional to square root of peak electron density of F2-layer) from four chains of ionospheric stations located in the geographic longitude ranges 10°W–35°E, 60°E–120°E, 130°E–170°E, 250°E–295°E are used. Relative deviations of foF2 are considered. The main ionospheric effects for the considered storm are: long-duration negative disturbances at mid-high latitudes in summer hemisphere in sectors where the storm onset occurred in the afternoon/night-time hours; short-duration positive disturbances in the summer hemisphere at mid-high latitudes in the pre-sunset hours during the end of main phase-first stage of the recovery; small and irregular negative disturbances in the low latitude winter hemisphere which predominate during the main phase and first part of the recovery, and positive disturbances in both hemispheres at mid-high and mid latitudes prior to the storm onset irrespective of the local time. In addition, the validity of some physical mechanisms proposed to explain the F2 region behaviour during disturbed conditions is considered. gus-mansilla@hotmail.com     

安庆5.2级地震震前区域重力场动态变化特征

根据安徽省及周边区域地震动态重力监测网2009-2010年期间的3期绝对重力和相对重力观测成果,给出了监测区域重力场动态变化图像,并以此为基础从场变化的角度分析了安庆地震震前区域重力场的动态变化特征.     

大同—阳高地震前后重力变化分析

汇总了１９８９年１０月１８日大同—阳高６．１级地震前４个单位所观测到的重力异常变化资料，在叙述重力异常的基础上，讨论分析了此次地震的重力前兆特征。并结合形变资料、地震构造资料讨论了重力场的变化，得出这些变化可能与地震构造活动有关的结论。     

中国中部地区TID激发源的统计分布

利用武汉电离层观象台1985-1990年间的高频多普勒台阵观测资料,采用射线追踪方法,对观测到的电离层重力波扰动（TID）进行了定源研究,从统计上分析了扰动源的地理分布、季节变化以及与地磁活动的关系．结果表明,中国中部上空TID的激发源主要出现在春夏季的四川盆地和冬半年的山口地区．扰动的激发可能与青藏高原地形隆起对这两个地区的气象活动的影响有关．此外,有少部分尺度较大的扰动出现在冬半年,它们可能来自极区．