冰雪探测雷达层析成像技术与应用:现状、挑战与展望

冰川、积雪是冰冻圈的重要组成部分,冰下地形、冰雪浅层结构、积雪厚度探测对于水资源调查、冰雪灾害预警及全球海平面预测具有重要意义。冰雪探测雷达对冰川或积雪类半透明介质具有很好的穿透性,已成为冰冻圈领域重要的探测手段。雷达层析成像是一种透视冰雪三维成像的新技术,在冰厚、雪深、浅层结构等关键要素反演中应用前景广阔。本文首先介绍了基于冰雷达和合成孔径雷达(SAR)的三种层析成像技术的基本原理与方法,重点梳理了过去20年国内外地、空、天基平台的冰雪探测雷达层析成像系统及其应用研究进展,归纳分析了三种层析成像技术的特点与适用性,并对当前面临的挑战与发展趋势进行了讨论。本研究可为我国冰雪层析成像雷达系统研制、全球冰雪关键要素反演及月球或火星冰层探测提供参考。

基于Sentinel-1的门源Ms 6.9三维同震形变提取与分析

基于Sentinel-1升、降轨合成孔径雷达(SAR)数据,利用SAR差分干涉测量(D-InSAR)、像素偏移量追踪(POT)技术,获取了2022-01-08青海门源Ms 6.9地震多角度地表形变,并采用三维形变估算模型提取了三维同震形变场。结果表明:(1)升、降轨D-InSAR最大形变分别为0.56 m和0.6 m,POT最大形变分别为0.65 m和0.72 m;(2)地震导致的地表破裂带长度超过20 km,整体呈NWW方向分布,同震形变场呈蝴蝶状,形变按幅度大小相近,方向相反的规律沿对称轴分布;(3)此次地震以东西向位移为主,水平最大位移超过1.1 m,垂直最大位移幅度约为0.5 m,符合走滑地震的特征。本文结果与实地踏勘结果较为吻合,丰富了该地震同震形变观测结果,并补充查明了地表破碎带的特征。

基于GRACE时变重力场的三峡水库补给水系水储量变化

利用22个月的GRACE时变重力场,反演了三峡水库补给水系的水储量变化,并按月给出了数值结果.与水文学同化模型(CPC)的两组比较说明基于GRACE重力的反演结果是合理的.当高斯平均半径为1000km时,该区总水储量变化的峰谷差为14cm,其年变化振幅为5.8cm,相位为-40.8天,与CPC模型合成重力数据的反演结果进行比较,其总水储量变化均方差为1.3cm,年变化振幅相差0.1cm,相位相差1.0天.为进一步检验GRACE能否监测该区真实水储量变化,还将其反演结果与CPC模型的真实平均结果进行比较,结果发现总体均方差为2.1cm,年变化振幅相差1.7cm,相位相差9.3天.因此,第一种比较过高地估计了GRACE监测该区水储量变化的能力,第二种比较则较真实地反映了实际情况,尽管反演结果与水文学的结果差别较大,但仍然显示GRACE能监测该区每月的水储量变化.

大地测量观测和相对海平面联合约束的冰川均衡调整模型

利用大地测量和历史相对海平面变化数据,结合地震剪切波层析模型,联合确定了新的末次冰期冰川均衡调整(GIA)模型,其中地慢黏滞度不仅沿径向而且沿横向变化.研究思路是,先尝试性地选择比例系数β,利用与地震剪切波速异常的线性关系,计算地幔黏滞度横向扰动,并与横向均匀的黏滞度参考模型叠加给出3D地慢黏滞度模型;再利用耦合拉普拉斯方程的有限元法算法进行GIA预测;然后,重复该过程,直到预测与观测之间的吻合满意为止.主要结论有:(1)给出了横向非均匀的地幔黏滞度模型(RF3L20(β=0.4)),发现了黏滞度显著的横向非均匀性和其对GIA预测的显著影响,指出横向非均匀不完全是由热效应引起的,可能还与化学组分等其他因素有关,该模型可用于地慢动力学研究.(2)给出了全球现今多种GIA预测速率,可为板块运动、陆地水储量、海水质量变化和冰川冰雪质量非平衡监测提供重要的改正.

SNREI地球模型负荷勒夫数数值计算的新进展

基于Ｌｏｎｇｍａｎ和Ｆａｒｒｅｌｌ的表面负荷形变理论，深入研究计算ＳＮＲＥＩ弹性地球模型表面负荷勒夫数的数值计算方法，取得新的进展：采用了一种新的代换方法─ｒ￣ｎ因子法，比传统的无量纲化法简单易行，且能达到很高的计算精度；确立了检验表面边界条件、微分方程积分线性性和计算结果的收敛性，用于评价数值计算结果精度的有效准则；给出了ＰＲＥＭ地球模型的一组高精度计算结果．

末次冰期冰盖消融对东亚历史相对海平面的影响及意义

基于新的末次冰期冰川均衡调整(GIA)模型,利用有限元算法模拟了盛冰期以来东亚相对海平面的变化,并与观测数据进行比较分析.研究表明,早期相对海平面上升由盛冰期后全球冰盖消融控制,后期的变化则由地壳黏性均衡调整控制;每个时期的结果均具有显著的区域性差异,与地壳均衡作用及远场均衡效应的区域性差异有关;模拟的不确定性主要来自冰盖消融模型差异的影响,量级在观测误差范围内.此外,利用本文的GIA模拟结果,对东亚海岸历史相对海平面观测进行改正,揭示了华南全新世以来不同阶段的地壳垂直运动,其中3—8kaBP地壳以较稳定的速率(1～4mm/a)下沉,之后则以较小速率下降或隆升,推测可能与东南部菲律宾板块的俯冲有关;揭示近千年来粤东海岸和珠江三角洲地壳垂直运动有长期隆升趋势,而近三十年的观测结果则显示下沉,推测该差异与人类活动导致的沉降有关.

冰川均衡调整对东亚重力和海平面变化的影响

新的全球冰川均衡调整(GIA)模型RF3L20(β=0.4)+ICE-4G考虑了地幔黏滞度沿横向的变化,其黏滞度参数得到大地测量、历史相对海平面变化观测和地震剪切波层析模型的较好约束.本文利用该模型预测了东亚现今重力变化和海平面变化,根据当前末次冰川时空变化和黏滞度参考模型中下地幔下部黏滞度认识的差异,评估了预测的不确定性.结果表明,GIA对东亚地区重力场和海平面长期变化有显著的影响:例如,在哈尔滨、长春、泰安、蓟县、郑州、武汉等测站,GIA重力影响达几十纳伽,可用超导重力仪和未来原子重力仪观测出来;在东亚大陆GIA对GRACE监测的等效水柱长期变化的影响为3%～10%,其中青藏高原西部、华北和三峡地区的影响较大.在东海—太平洋区,GIA的相对影响高达20%～40%;GIA使东亚海域绝对海平面以0.27～0.37mm/a的速率在长期下降,在黄海、东海卫星测高监测的绝对海平面长期变化中,GIA的相对影响分别达6.9%和7.5%;在58个验潮站,平均相对海平面长期上升速率为2.22mm/a,GIA影响为—0.17mm/a,其中14个测站GIA的影响达—0.3～—0.4mm/a.本文GIA预测的结果,对在东亚地区发现弱的地球动力学过程信号、监测水质量长期变化、监测海平面长期变化和分析其机制,提供精密的改正模型.

SNRVEI地球模型连续分布的简正模及其意义

基于Peltier等建立的粘弹地球表面负荷形变理论，运用简正模分析法，实现了SNRVEI粘弹地球模型表面负荷勒夫数从拉氏域至时间域的变换．数值结果印证了韩大仲关于真实地球存在“连续分布的简正模”的结论，同时还表明在保证较高计算精度前提下，为便于计算，将地球核慢边界以上部分划分成较少个物性均匀层是可行的．本文的方法和结果经过数值检验，可用于冰后相对海平面变化、地球自转非潮汐加速度变化等地表负荷均衡动态响应观测量的研究．

冰川均衡调整(GIA)的研究

冰川均衡调整对固体地球物理学、大地测量学、地貌学、海洋学、冰川学、气候变化、水资源、天文学和考古学等学科具有重要的意义,通过其综述性介绍,以吸引我国地学界的注意和兴趣.本文结合作者和国内外研究成果,全方位地阐述了冰川均衡调整研究的完整内涵,首先给出了冰川均衡调整的完整概念,探讨了冰川均衡调整对冰后地壳运动、全球海平面变化、地球重力场、地球旋转运动和应力状态的影响,再分析了冰川均衡调整研究的科学目标和冰川均衡调整研究的历史与现状,最后指出了冰川均衡调整研究的未来发展方向.

深部大尺度单一密度界面重力异常迭代反演

对于深部大尺度单一密度界面的重力异常反演,需顾及球形观测面和重力铅垂线变化的影响。为此,本文通过球谐展开,得到重力异常的级数展开式,并推导出积分形式的反演迭代解。该迭代方法要求设法分离出单一密度界面的重力异常,已知界面上、下层的密度差和尽可能多的深度控制点。模型和实例显示其效果良好,可用于莫霍界面、岩石层底界面等深部密度界面重力异常的反演。

横向非均匀地球负荷问题的CLFE有限元算法的有效性

本文设计了三个数值算例分别模拟径向分层黏弹地球对二阶球谐负荷、均厚圆盘负荷和全球末次冰期真实冰负荷的响应.利用耦合位扰动Laplace方程的三维有限元法(CLFE),计算出地球表面的位移、大地水准面的变化、冰后海平面变化和这些量的现今变化速率,并将其结果与传统谱方法的结果进行对比.结果表明,两种方法的结果总体上表现出良好的一致性,因此,CLFE方法被证实是正确的、有效的、能被用于研究地幔横向非均匀性的影响.值得注意的是,新的方法完全没有横向非均匀小扰动假设的限制.

青藏高原更新世晚期冰川的均衡效应

本文基于Ｋｕｈｌｅ（１９８７，１９８９）关于青藏更新世晚期存在统一大冰盖的假说，构制冰负荷史模型，利用Ｐｅｌｔｉｅｒ（１９７４，１９７６）粘弹地球表面负荷形变理论，计算出冰盖负荷引起的地表垂直位移和重力变化，并将其作为该区冰川均衡效应的最大估计。数值计算结果表明，冰盖负荷的均衡作用对高原隆升有一定影响，在大冰盖中心的隆升速率在冰进期平均减少０．１～１．７ｃｍ／ａ，冰退期平均增加０．４～１．２ｃｍ／ａ，冰后期平均增加０．５～１．０ｃｍ／ａ，直到现在隆升速率仍增加０．３～０．４ｃｍ／ａ，重力减少０．５～０．７μＧａｌ／ａ。

南极冰盖部分消融对海平面的影响

本文假设地球具球对称、完全弹性和各向同性，推导了冰融相对海平面变化方程，采用汪汉胜等（１９９６）根据ＰＲＥＭ（１９８１）模型计算的地表弹性负荷勒夫数，估算了在今后５０年内。

三峡水库蓄水引起的地球自转扰动

本文利用较精细的三峡水库水负荷时空分布模型 ,模拟了该水库在蓄水阶段和蓄水后 ,水负荷激发的极移和地球引力位二阶球谐系数的变化。数值结果表明 ,蓄水过程中极移和δJ2 呈现准长期变化 ,幅值不断增加 ,在蓄水阶段的 2 0 0 0— 2 0 0 9年 ,线性回归的极移速率为0 .0 42 mas/a,方向为 73.6°W,δJ2 为 0 .0 2 5× 10 -1 2 a-1 ,分别是全球其他 88个较大型水库引起的准长期效应的 8.4%和 2 .5 %。

南极冰盖消融对全球大地水准面变化与海面的影响

根据世界气象组织预测,到2030年左右,大气中CO2的浓度将是上世纪工业发达前的2倍,全球气温将因此上升1.5～4.5℃。这可能对南极冰融产生一些影响,但目前还没有确实资料予以证实。本文基于这样的假定,即在今后50年左右的时间内,若南极冰盖将平均融化10m,冰融成水将使全球相对海平面普遍上升,平均约为30cm。由于地表负荷重新分布,地球的形状将会调整,因此研究该事件对全球大地水准面变化、特别是相对海平面变化的影响具有很重要的意义。

重磁异常有界变量线性规划反演

本文指出了重磁异常线性规划反演中存在的问题,在传统线性规划反演数学模型中引入有界变量,并化成有界变量线性规划的标准形式直接求解,从而提出了有界变量线性规划反演方法,模型与实例计算表明新方法具有较高的反演精度。

用重力异常反演地球深部密度界面的迭代法

利用重力异常反演地球深部密度界面,必须顾及重力铅垂方向的变化.那些常用的反演密度界面的方法,如Paker 的迭代法,sinx/x 法和压缩质面法,假设重力铅垂线为一不变的方向。

某岩体模式识别找矿预测

在某岩体综合信息找矿预测中,过去一直使用目视类比,其结果受人为因素影响,效果不好。近年来,我们使用计算机模式识别技术,研究处理了该岩体的综合找矿信息,判别出了四个找矿远景区。

水库重力测量检测非牛顿引力的实验数据分析新方法

本文提出水库重力测量检测非牛顿引力的实验数据分析新方法。利用近一天两重力仪的重力差值信号,基于同液面高度变化水体重力信号相等这一具有明显物理意义的准则,建立仪器零漂信号多项式系数矢量的矩阵方程,通过极大似然反演比较严格地计算漂移信号,并从中提取检测信号。实例计算结果表明:(1)当数据充分、漂移多项式阶数取值适当时,该方法完全有效;(2)在现有水库实验的设备和技术条件下,测定万有引力常数G对实验室值的偏离精度可达0.15％,优于矿井实验和先前水库实验的分析结果;若进一步改善水面高度测量,检测精度还可明显提高;(3)Hornberg水库实验重力仪G709在0.4％的精度范围内,未发现G对实验室值的偏离。

冰川均衡调整对南极冰质量平衡监测的影响及其不确定性

本文研究了新的全球冰川均衡调整(GIA)模型对南极冰盖质量平衡监测的影响,考虑现有冰川负荷模型和地幔黏滞度模型的差异,完整评估了结果的不确定性,最后结合GRACE和卫星测高的结果进行了对比分析.结果表明,GIA对GRACE监测的等效水柱变化有重大影响,较大的GIA影响出现在西南极,沿罗斯冰架-卡姆布冰流-罗尼冰架-南极半岛分布,最大值在卡姆布冰流,达到29.8 mm/a;GIA对南极整体冰质量平衡的影响达到134±28 Gt/a.在不确定性的方差中,西南极和东南极分别以冰负荷模型差异和地幔黏滞度差异影响为主,对整个南极,冰模型差异影响占88.4%;在一些典型地区,GRACE监测的等效水柱在扣除GIA前后分别是,卡姆布冰流～32.8 mm/a和～6.3 mm/a,阿蒙森海湾～-95.3 mm/a和～-102.5 mm/a,Enderby Land～13.6 mm/a和～8.1 mm/a.整个南极冰盖总质量变化在扣除GIA贡献后为-82±29 Gt/a,该估计与卫星测高结果较吻合.此外,GIA对卫星测高监测的冰面高程变化的影响一般不超过8%.本研究为空间大地测量监测南极冰质量平衡提供了新的改正模型.