The ellipsoidal corrections to the topographic geoid effects

The topographic effects by Stokes formula are typically considered for a spherical approximation of sea level. For more precise determination of the geoid, sea level is better approximated by an ellipsoid, which justifies the consideration of the ellipsoidal corrections of topographic effects for improved geoid solutions. The aim of this study is to estimate the ellipsoidal effects of the combined topographic correction (direct plus indirect topographic effects) and the downward continuation effect. It is concluded that the ellipsoidal correction to the combined topographic effect on the geoid height is far less than 1 mm. On the contrary, the ellipsoidal correction to the effect of downward continuation of gravity anomaly to sea level may be significant at the 1-cm level in mountainous regions. Nevertheless, if Stokes formula is modified and the integration of gravity anomalies is limited to a cap of a few degrees radius around the computation point, nor this effect is likely to be significant.AcknowledgementsThe author is grateful for constructive remarks by J Ågren and the three reviewers.     

航空重力测量数据向下延拓中空间协方差函数特性研究

本文通过对航空重力测量数据的分析,建立起具有空间相关特性的空间协方差函数模型。利用所建立的模型,将航空重力测量试验数据采用最小二乘配置的方法向下延拓到地面,与地面已知重力数据进行比较。由比较结果,分析了空间协方差函数模型对航空重力测量数据向下延拓结果的影响,并表明所建立的空间协方差函数模型,满足协方差函数特性,且在局部区域使用能够达到满意的精度要求。     

雷暴大风过程中对流层中低层动量通量和动能通量输送特征研究

2014年5月31日北京发生一次雷暴大风过程。以雷达资料同化结果为初始场,对此次过程进行高分辨率数值模拟。采用非静力平衡和非地转平衡的经向动量方程和质量权重动能方程,利用模拟资料,对雷暴大风过程中经向动量和质量权重动能进行收支分析,以此来研究雷暴过程中对流层中低层动量通量和动能通量输送特征,讨论地面大风的可能成因。分析结果表明,在对流层中低层,经向动量通量散度是影响经向动量局地变化的主要强迫项。雷暴系统后部的入流把中低层的经向动量倾斜向下输送,系统前部对流云区中低层的下沉气流也向下输送经向动量。这两支下传动量通量先后与近地面经向动量的水平通量汇合,向系统前沿输送经向动量。在北京西北部地形阻挡作用下,经向动量通量在系统前端近地面辐合,促进那里的经向动量局地增长,有利于增强那里的南风。质量动能收支的特征与经向动量收支类似,在近地面层质量动能的局地变化主要是由质量动能通量散度引起的。系统后部入流把中层质量动能向下传输到近地面层,然后与近地面质量动能的水平通量汇合,向系统前沿输送质量动能。相对来说,近地面层经向动量和质量动能的水平通量比下传通量更重要,这主要与低层较强的东南急流有关。     

重力场向下延拓Milne法

重力场向下延拓能够突出局部和浅部的异常信息,分离叠加的异常特征.但是向下延拓通常具有过程不稳定、下延深度小、结果不准确等问题.针对向下延拓所存在的不足,本文利用重力场及其垂向一阶导数,基于辛普森(Simpson)求积公式,推导出重力场向下延拓米尔尼(Milne)公式.将本文向下延拓方法应用于模型数据,向下延拓模型结果及误差曲线表明,相对于向下延拓快速傅里叶变换(FFT)法和积分迭代法,向下延拓Milne法的深度更大,相对误差更小;相对模型值,向下延拓Milne法能够获得稳定且准确的结果.对加拿大乃查科(Nechako)盆地地区实测航空重力数据进行本文方法向下延拓验证,处理结果表明,相对于实测异常,本文方法向下延拓结果能够很好还原实测数据,并且在进一步向下延拓中反映原始异常的趋势,增强局部和细小异常信息.     

二维位场在有源空间的解析延拓

位场的向下延拓对重、磁等位场资料的处理与解释具有重要意义,但现有的延拓方法在位场向下接近场源时会产生剧烈震荡,计算过程很不稳定,而且理论上都不能越过场源.本文在复数域里定义了一个具有位场和几何双重特性的新函数PFGR,提出了一套新的延拓方法,在理论上实现了位场在包含场源的下半空间里的解析延拓,经过模型试算验证,表明该方法可以延拓越过场源,准确确定场源奇点,计算过程稳定,对测量中的随机噪声也具有较好的抗干扰能力.     

位场各阶垂向导数换算的新正则化方法

位场垂向导数大量应用于位场数据处理与解释中.当前广泛采用的位场各阶垂向导数换算方法为基于Laplace方程并结合波数域和空间域方法的具有递推特性的ISVD(integrated second vertical derivative)算法.本文在位场垂向导数换算的正则化方法和径向平均功率谱的基础上,提出一种位场各阶垂向导数换算的新正则化方法.新正则化方法仅需通过分析位场径向平均功率谱来确定一个截止波数,即可稳定换算位场各阶垂向导数.理论模型和实测数据实验结果表明:(1)新正则化方法物理意义明确、计算简单,且各阶垂向导数换算的稳定性和精度明显优于ISVD算法;(2)在用新正则化方法求得各阶垂向导数的基础上,利用泰勒级数法可以获得大深度、高精度的位场向下延拓结果.     

地表温度和地表辐射温度差值分析

依据实验数据,研究利用标准黑体源对红外辐射计测定值进行标定的方法;分析天空比辐射率的变化特性;计算天空环境辐射,与长波辐射计测定值进行比较;推算考虑天空环境辐射和地表比辐射率后的地表温度,研究地表温度与地表辐射温度的差值。结果表明：①地表辐射温度未经标准黑体源标定与标定后的差值绝对值在0.1～1℃之间;②天空比辐射率的变化范围为0.75～0.85,不同下垫面天空比辐射率日变化趋势非常一致;③用空气温湿度计算的天空环境辐射与长波辐射计测定值的差值较小,相对误差平均为3.1%,但是天空37°热红外辐射计观测值与长波辐射计测定值差值较大,相对误差平均值达到38.1%;④地表温度高于地表辐射温度,差值在0.2～1.5℃之间。     

基于多尺度边缘约束的重力场信号的向下延拓

利用多尺度边缘检测理论,研究改善重力场信号向下延拓稳定性的新方法,简要介绍了小波多尺度边缘检测的基本原理,以EGM96重力场模型为例分析了地球重力场的多尺边缘。提出了基于多尺度边缘约束的向下延拓方法,并给出了模拟算例。计算结果表明,利用多尺度边缘约束改善向下延拓的稳定性是可行的,在观测值信噪比较差的情况下该方法的效果尤为明显。     

地面重力时空变化向卫星高度的解析延拓

为研究卫星在不同高度对地面重力变化的检测能力,利用地面获得的重力场时间和空间变化,采用空间域向上解析延拓原理,将地面数据向上解析延拓到数百千米的不同高度。计算分析表明,如果地表存在93×10-8ms-2的重力变化量,在450km高度可观测到20×10-8ms-2的重力变化。所以利用卫星重力观测技术进行地震监测,其观测精度应优于20×10-8ms-2。     

2007/2008年冬季平流层环流异常及平流层—对流层耦合特征

利用NCEP/NCAR再分析资料,分析了2007/2008年冬季平流层环流振荡的过程和异常特征,以及平流层—对流层的环流耦合特征。结果发现：2007/2008年冬季平流层极涡持续偏强,且极涡从12月下旬开始向东亚—大西洋地区偏心发展,同时在欧洲—地中海地区减弱向极区收缩,从而在欧亚地区的平流层高层最早形成“一脊一槽”1波型的环流形势;该平流层的环流异常信号逐步向低层传播;从平流层10 hPa向下传播到对流层中、低层需要约15~20天的时间;此时对流层500 hPa上,与平流层向下传播的信号相对应,呈现为高纬度“西高东低”和副热带“东高西低”的环流异常型,即分别对应着乌拉尔山阻塞高压、鄂霍茨克海低槽以及副热带高压异常偏强和副热带欧亚大陆中西部低槽活动频繁。这种环流异常配置即形成了有利于我国南方降雪持续的大尺度背景条件。进一步研究还发现,平流层异常信号存在由热带向极传播的趋势。2008年1月的平流层极涡振荡正异常所对应的环流异常信号可以追溯到2007年秋季10月份最早出现在热带地区的环流异常信号,该异常信号在向极传播过程中同时向东移动,2008年1月传播到极区,对应极涡振荡的正异常。说明前期平流层的异常信号及其演变,对2008年1月的气候异常具有重要指示意义。