卫星测高与卫星重力对洋流的研究

卫星测高与卫星重力的发展为进一步研究洋流提供了前所未有的机遇。本文从EGM 96 ,GGM0 1与未来的GOCE任务获取的高精度高分辨率海洋大地水准面的角度对洋流的研究方法与可行性进行了分析     

青藏高原及其周边地区水储量变化的独立成分分析

采用2003年1月至2013年12月共132个月的GRACE卫星数据反演得到的水储量变化信息,利用独立成分分析方法将水储量变化信息分解成多个信号成分,然后与NOAH和WGHM两个水文模型的分析结果进行比较。成分对比结果表明,GRACE反演得到的水储量变化与NOAH和WGHM水文模型在第一个主成分方面符合很好,相关系数分别是0.884和0.877。说明GRACE反演的水储量变化和水文模型在青藏高原及其周边区域具有很强的一致性。从空间模式上看,GRACE反演水储量变化信号的强度比水文模型信号要大,可能与GRACE反演的水储量变化还包括地下水的变化情况等有关。     

多通道奇异谱组合滤波反演水储量变化

针对GRACE时变重力场球谐系数的高阶次项中含有的较高噪声会造成反潢结果产生误差的问题,该文采用多通道奇异谱分析和高斯滤波相结合的方案来滤除GRACE数据中的噪声,并与普遍使用的去相关滤波和高斯滤波相结合的方案进行了对比验证。首先利用这两种方法分别计算了2007年4、10月份的全球水储量变化,结果显示,这两种方法反演的结果基本相同,而多通道奇异谱分析与高斯滤波相组合的方法提高了信噪比,减弱了信号泄露误差,验证了该组合方案的可行性。然后又分别计算了亚马逊流域2004—2010年的水储量时间变化序列,并与GLDAS水文模型进行了对比验证,结果显示,这两种方法得到的水储量时间序列变化趋势基本相同,各自之间具有强相关性,进一步说明了该文方案在GRACE数据滤波中的可行性。     

利用解析法有效快速估计将来GRACE Follow-On地球重力场的精度

本文首次利用解析法有效快速估计了将来GRACE（Gravity Recovery and Climate Experiment） Follow-On地球重力场的精度. 第一,基于功率谱原理分别建立了新的GRACE Follow-On卫星激光干涉星间测量系统星间速度、GPS接收机轨道位置和轨道速度以及加速度计非保守力误差影响累计大地水准面的单独和联合解析误差模型. 第二,利用提出的GRACE卫星关键载荷匹配精度指标和美国喷气推进实验室（JPL）公布的GRACE Level 1B实测精度指标的一致性,以及估计的GRACE累计大地水准面精度和德国波兹坦地学研究中心（GFZ）公布的EIGEN-GRACE02S地球重力场模型实测精度的符合性,验证了本文建立的解析误差模型是可靠的. 第三,论证了GRACE Follow-On卫星不同关键载荷匹配精度指标和轨道高度对地球重力场精度的影响. 在360阶处,利用轨道高度250 km、星间距离50 km、星间速度误差1×10^-9m/s、轨道位置误差3×10^-5m、轨道速度误差3×10^-8m/s和非保守力误差3×10^-13m/s²,基于联合解析误差模型估计累计大地水准面的精度为1.231×10^-1 m. 本文的研究不仅为当前GRACE和将来GRACE Follow-On地球重力场精度的有效快速确定提供了理论基础和计算保证,同时对国际将来GRAIL（Gravity Recovery and Interior Laboratory）月球卫星重力测量计划的成功实施具有重要的参考意义.     

基于GRACE卫星和地表流动重力的汶川MS 8.0地震前重力时空变化

利用GRACE卫星重力场模型和地表流动重力观测资料,计算2008年汶川M_S 8.0地震发生前6年的重力变化,对卫星和流动重力段差结果与卫星重力反映的重力场动态变化特征进行研究,结果表明：①GRACE卫星重力段差受滤波半径影响显著,与地表流动重力观测结果相比,在重力变化数值上差异较大,在变化率上较为一致;②在汶川地震孕育阶段,川滇地区重力等值线呈“增大—减速增大—减小”的特征,震前2年形成近似垂直于龙门山断裂带的重力变化梯度带。     

南极和格陵兰岛GPS连续台站背景噪声时空特性

基于GPS观测数据获取的陆地垂向运动对研究现今两极区域的冰川质量变化具有重要的科学意义.受地表环境负荷对GPS时间序列中背景噪声空间异质性的影响, 在利用GPS时间序列获取垂向速度场时, 估计结果存在较大不确定度.本文针对南极和格陵兰岛区域的GPS连续观测时间序列中背景噪声的空间特性对速度场及其不确定度的影响问题, 利用地表环境负荷模型(包括大气、非潮汐海洋和水文负荷)和重力卫星GRACE/GRACE-FO观测数据反演的地表弹性形变对GPS时间序列进行了改正.通过对改正前后的数据进行背景噪声特性分析, 揭示出修正环境负荷形变能够有效降低极区GPS时间序列背景噪声幅度, 但是大气和非潮汐海洋负荷改正造成了大多数台站背景噪声谱指数的减小, 南极和格陵兰岛分别约为其GPS台站总数的46.1%和84.6%, 直接导致了对GPS速度不确定度估计的改善效果不明显.对背景噪声空间异质性的研究结果表明, 极区台站的背景噪声参数主要表现为随纬度变化的空间特性.

     

融合GOCE和GRACE卫星数据的无约束重力场模型Tongji-GOGR2019S

本文在法方程层面融合GOCE卫星的V_xx、V_yy、V_zz和V_xz重力梯度分量观测数据和GRACE卫星观测数据,采用直接法解算了220阶次的重力场模型Tongji-GOGR2019S.首先利用ⅡR带通滤波器在5~41 mHz的重力梯度带宽范围内对约24个月的GOCE重力梯度观测方程进行无相移滤波处理,并组成解算220阶次重力场模型的法方程,各梯度分量根据相对于参考模型统计精度进行定权;然后与13.5 a GRACE数据建立的180阶次Tongji-Grace02s重力场模型的法方程进行叠加,解算了220阶次的无约束纯卫星重力场模型Tongji-GOGR2019S.利用EIGEN-6C4重力场模型、GNSS/水准数据、DTU15重力异常数据以及欧洲区域似大地水准面模型EGG2015等数据对Tongji-GOGR2019S模型精度进行全面的检核评定,结果表明：引入GOCE卫星梯度数据后,高于72阶的位系数精度优于Tongji-Grace02s模型,Tongji-GOGR2019S模型的整体精度接近同阶次的DIR-R6等GOCE卫星第6代模型.     

利用GRACE重力卫星观测数据反演全球时变地球重力场模型

本文基于短弧长法开发了一套由低轨卫星数据解算重力场的系统ANGELS（ANalyst of Gravity Estimation with Low-orbit Satellites）,成功用GRACE Level1B数据解算出全球时变重力场模型（第一版IGG-CAS系列模型）,并与国际三大知名重力卫星相关研究机构：美国德克萨斯大学空间中心CSR （Center for Space Research）、德国GFZ地学研究中心（GeoForschungsZentrum）和美国宇航局JPL喷气推进实验室（Jet Propulsion Laboratory）发布的全球时变重力场模型（RL05模型）进行了详细的比较分析.通过每阶大地水准面差距的对比结果表明,IGG-CAS模型的精度接近RL05模型的精度.对以上四家机构在2004—2010年的时变重力场模型经过相同的去条带和高斯滤波处理,可以发现四家GRACE反演陆地水时变信号的空间分布十分接近,在长江流域反演的陆地水时变信号,两两之间的相关系数均大于0.8.通过反演撒哈拉沙漠干旱地区的时变信号来评估反演的精度水平,IGG-CAS、CSR-RL05、GFZ-RL05和JPL-RL05反演结果的均方差分别为1.5 cm、1.1 cm、1.1 cm和1.2 cm等效水柱高.综合表明IGG-CAS时变重力场反演模型的精度接近于目前国外主要机构最新公布的时变重力场模型.     

地震重力异常形成机理及其在地震预报中的作用

分析了地震重力异常的形成机理,结合玉树、唐山和汶川三个地震实例阐述了重力异常现象与地震之间的对应关系。认为重力异常可以用来预报地震。流动重力观测和GRACE卫星观测是地震预报中常用的两种重力预测方法,前者可以进行较准确的中短期预报,后者可以进行长期预报。     

利用GRACE重力和重力梯度变化估计2012年苏门答腊地震断层参数

2012年4月11日苏门答腊北部附近海域发生M_W=8.6地震,国际上采用不同数据获得了该地震的断层滑动模型,但断层走滑性质存在较大差异.卫星重力GRACE（Gravity Recovery and Climate Experiment）观测覆盖震中区域,可以提供很好的断层参数估计约束.本文采用GRACE月重力场模型数据提取了此次地震同震重力和重力梯度变化,表明了北向分量的优越性.并与断层模型理论计算结果进行了比较,分析了T_xx（北-北向重力梯度）分量对断层参数的敏感性,以及基于粒子群算法以及Okubo位错模型反演了该地震断层参数.结果表明GRACE观测到的同震重力梯度变化在空间形态分布上与断层模型模拟结果符合较好,但振幅差异较大.重力和重力梯度的北向分量可以很好地压制条带误差,其中g_N（北向重力变化）和T_xx的误差最小,其次是T_xz（北-上向重力梯度）,误差最大和对条带误差抑制效果最差的是T_xy（北-东向重力梯度）.T_xx对断层的深度不敏感,对其余断层参数较敏感.基于GRACE反演得到的断层的走向角为113.63°,倾角为89.99°,滑移角为175.26°,平均滑移量为28.18 m,相应的矩震为8.71级,且此次地震的走滑性质为右旋走滑.