下一代重力卫星任务研究概述与未来展望

近20年来,利用重力卫星研究地球系统的质量分布得到了广泛的发展,使人类对发生在大气、水圈、海洋、极地冰盖等地球圈层的动态过程有了更为深刻的理解。现阶段重力卫星主要包括挑战性小卫星有效载荷计划、地球重力场恢复及气候探测计划（gravity recovery and climate experiment,GRACE）,地球重力场稳态海洋环流探测计划和GRACE后续任务,回顾其发展历程,简要说明其在地球重力场解算的研究进展及存在的问题。为了改善现阶段重力卫星的缺点,国际上各研究机构为下一代重力卫星任务（next generation gravity mission,NGGM）提出众多远景规划和模拟分析,梳理了国际上提出的12种下一代重力卫星任务的任务概念、预期精度及任务状态。为了更加清晰介绍NGGM和整体把握其进展,根据星座构型和卫星载荷技术将其划分为4类,即Sharifi型重力卫星星座、Bender型重力卫星星座、星链型重力卫星星座和量子型重力卫星星座,并综合分析其性能,尝试性地给出相应的参考性实施建议。     

利用卫星重力测量确定地球重力场模型的进展

卫星重力测量是当前探测全球一致、高精度和高分辨率地球重力场的高效技术手段,主要包括高低卫星跟踪卫星测量（satellite-to-satellite tracking in high-low mode, SST-hl）、低低卫星跟踪卫星测量（satellite-to-satellite tracking in low-low mode, SST-ll）和卫星重力梯度测量（satellite gravity gradiometry,SGG）。系统总结了利用卫星重力测量技术（包括SST-hl、SST-ll和SGG及多模式组合）反演地球重力场的主要方法,评述了利用挑战性小卫星有效载荷（challenging mini-satellite payload, CHAMP）、重力恢复与气候实验（gravity recovery and climate experiment, GRACE）/ GRACE继任者（GRACE follow-on, GRACE -FO）和地球重力场和海洋环流探索器（gravity field and steady-state ocean circulation explorer, GOCE）卫星重力数据构建静态和时变重力场模型的最新进展,并对当前具有代表性的地球重力场模型精度进行了分析和评估,以期对未来的地球重力场研究及其地学应用提供参考。     

高低卫-卫跟踪模式主要技术指标的模拟分析与验证

基于重力场信号的频谱特性建立了SST-hl加速度计和星载GPS等有效载荷的解析误差分析模型.以CHAMP卫星的相关技术指标为例,对卫星高度、加速度计精度和GPS定轨精度等技术指标与恢复重力场的性能作了模拟分析.将模拟分析结果与EGM96和EIGEN-CHAMP03S模型进行了比较,验证了解析模拟分析模型的有效性.     

石家庄冬小麦需水量变化特征及气象影响因子

利用石家庄地区9个气象站1964—2012年的气象数据,以彭曼-蒙蒂斯(Penman-Monteith)公式以及作物系数修订公式为基础,计算了冬小麦各生育阶段的需水量;运用趋势分析、5年滑动平均、变异系数、Morlet小波分析、Pearson相关系数等方法分析了各生育阶段需水量的变化规律及影响因子。结果表明:石家庄地区冬小麦各生育阶段需水量总体呈下降趋势,1965—1987年,播种至越冬期、抽穗至成熟期以及全生育期下降趋势尤为明显,1988—2012年,返青至拔节期的需水量表现为显著上升趋势,其余生育阶段以及全生育期的需水量趋势变化不明显;近48年来,各生育阶段的需水量均存在4年以上的振荡周期;各生育阶段需水量的空间分布均由东北向西南递增,变化趋势由北向南递减;日照时数与冬小麦各生育阶段需水量呈最大正相关,相对湿度呈最大负相关。     

全球1°×1°海洋岩石圈有效弹性厚度模型

利用岩石圈挠曲均衡原理,联合海底地形模型和测高重力异常数据,采用滑动窗口导纳技术（moving window admittance technique,MWAT）计算了全球1°×1°海洋岩石圈有效弹性厚度模型。结果表明,海洋岩石圈有效弹性厚度总体较小,10 km以下区域约占70%,15 km以下约占85.4%,均值和标准差分别约为10 km和6.7 km。岩石圈有效弹性厚度20 km以上的区域主要位于海沟外隆地区,洋中脊岩石圈有效弹性厚度一般小于5 km;被动大陆边缘,如澳洲大陆南缘,岩石圈有效弹性厚度一般也较小;太平洋的海山密集分布地区,岩石圈有效弹性厚度一般为10~20 km。     

重力卫星精密星间测距系统滤波器技术指标论证

本文基于重力卫星精密星间测距测量模式,从星间测距观测值与地球重力场频谱关系的角度,建立了距离观测值关于重力位系数的敏感矩阵,分析了各阶次重力场位系数对应的敏感矩阵的频谱特性,讨论了星间测距信息中能反应地球重力场信息的有效信号频带,给出了能最大限度保留地球重力场信息的低通滤波器的通带截止频率、通带增益波纹和频率采样率技术指标设计方案,可为我国首期卫星跟踪卫星重力测量计划的主要技术指标的初步设计提供参考.     

利用M2潮波振幅因子精密测定gPhone弹簧重力仪的标定因子

用SG-C053超导重力仪长时间观测数据潮汐分析结果中的M2潮波振幅因子,对同址观测的28台gPhone重力仪标定因子进行了精密测定,结果表明,28台仪器标定因子的变化范围为0.999 9~1.019 6,反应出仪器的标定因子在出厂前已经过测定,但在新的观测位置产生了微小的变化。对经过改正后的观测数据重新进行分析,得到的M2潮波振幅因子精度均优于0.8‰,去除漂移后的残差时间序列中重力非潮汐变化为(4~10)×10^-8 ms^-2,周日波振幅小于0.1×10^-8 ms^-2,半日波振幅小于0.3×10^-8 ms^-2,较之测定前有明显的改善。因此利用精确的M2潮波振幅因子测定仪器的标定因子,能够保证所有gPhone弹簧重力仪在统一的潮汐基准下观测。     

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汶川地震与卫星重力变化

利用GRACE重力卫星的重力场模型,计算了中国大陆及周缘地区在汶川地震前后两年的重力变化,在剔除陆地水质量变化的影响后,研究了卫星重力变化与由位错模型模拟的同震重力变化之间的关系,结果表明:卫星重力变化揭示了汶川地震对中国大陆的影响。     

基于Forward-Modeling方法的黑河流域水储量变化特征研究

黑河流域陆地水储量变化对流域下游等周边区域水资源的合理利用以及经济和社会发展等有着重要的意义.本文利用2003年1月至2013年12月的GRACE RL05数据反演了黑河流域陆地水储量长时间序列的变化,并针对重力场模型和数据处理中产生的信号泄漏问题,采用Forward-Modeling方法进行了改正并恢复泄漏信号;将GRACE获得的泄漏信号恢复前后的黑河流域水储量变化结果与全球水文模型GLDAS和CPC进行比较分析,结果表明泄漏信号改正后的结果与水文模型结果的时间序列相关性均有明显提高,从其空间分布结果可以看出Forward-Modeling方法有效地恢复初始信号、增强被湮没的信号,泄漏信号误差减小;通过分析黑河流域水储量变化的长时间序列结果,发现其具有明显的阶段性变化特征,即2003—2006年呈明显下降趋势,约为-0.86cm·a-1,在2007—2010年趋于平衡状态,而2011—2013年则呈现缓慢上升趋势约为0.14cm·a-1;联合GRACE数据和GLDAS数据反演了黑河流域地下水储量变化,并与全球降雨数据GPCC进行了比较分析,两者相关性可达到0.88以上.