国际下一代卫星重力测量计划研究进展

介绍下一代美国GRACE Follow-On和欧洲E.MOTION(Earth System Mass Transport Mission)卫星重力测量计划的研究进展,以期为我国下一代Post-GRACE卫星重力测量工程的成功实施提供参考依据。详细阐述了我国下一代Post-GRACE卫星重力测量工程的研究意义和科学目标,建议我国先期构建卫星精密定轨和卫星重力反演仿真模拟软件平台系统,开展重力卫星关键载荷误差分析研究,以及执行卫星重力测量任务需求。

GRACE重力卫星探测南极冰盖质量平衡及其不确定性

2002年GRACE重力卫星的成功发射为南极冰盖质量平衡的研究提供了重力探测的新纪元.本文利用美国德克萨斯大学CSR公布的2003年1月到2013年12月期间的RL05版本GRACE月重力场数据,采用最优平均核函数法和组合滤波法两种GRACE后处理方法反演了南极冰盖质量的时空变化.结果表明:在2003—2013年期间南极冰盖物质平衡呈明显的负增长状态,质量变化趋势为-163±50Gt/a(GW13)、-129±41Gt/a(IJ05)、-81±27Gt/a(W12a),加速度为-8±10Gt/a2,质量消融的主要区域分布在西南极阿蒙森海岸和南极半岛的北部.另外本文还重点探讨了可能影响到估算结果的各项误差及不确定性,分析结果显示影响南极冰盖质量平衡估算结果的最大误差源为GIA改正.通过假设检验和信息准则对时间序列分析中拟合参数的合理选取进行了探讨和分析,在联合周年项、半年项和S2、K2、K1潮汐混频项进行拟合分析时发现K1项对拟合结果的加速度影响比其他周期项稍大,尽管考虑该项的合理性因当前GRACE数据时间序列长度有限而无法确切证实,但K1项的影响值得后续关注.对比两种GRACE后处理方法的结果发现:当采用的数据时间跨度一致,误差改正方法相同,两种相异的后处理方法,其估算结果也具有较好的一致性.

联合GPS和GRACE观测研究日本M_W9.0地震震后变形机制

利用GPS和GRACE观测数据研究了日本M_W9.0地震的震后变形特征.GPS观测显示,区域震后位移呈现随指数函数变化特征,变化速率符合大森公式的衰减特性;近五年的震后水平位移累积已达到东向60~165cm,南向20~65cm的量值,距震中较远站点已超过同震变化量,且震后变形仍然持续.GRACE观测到显著的震后重力变化,地震破裂两侧的重力变化总体均呈上升趋势,但海洋侧的变化速率较快.联合震后余滑和黏弹性位错理论对震后变形进行了模拟,探索了GPS和GRACE观测的综合应用方法.研究发现,综合考虑震后余滑和黏滞性松弛效应可以对日本地震的震后变形做出较合理的解释,震后初期余滑起主要作用,1至2年以后逐渐减弱,黏滞性松弛作用逐渐增强.在震后变形模拟和区域黏滞性结构反演中形成GPS和GRACE观测结合应用的方法,先基于震后GPS形变估算区域黏滞性结构,而后利用GRACE观测修正深部的黏滞系数,并综合利用这两种观测微调浅层黏滞系数,最终确定区域黏滞性结构.基于该方法反演了日本震源区的地幔黏滞性结构,地震断层破裂两侧的流变参数存在差异,大陆侧的地幔顶层黏滞系数在1.0×10^(19) Pa·s量级,而海洋侧的则略小于大陆的,在6.0×10^(18) Pa·s量级.

基于GRACE RL05数据探测苏门答腊M_W8.6地震的同震和震后形变

利用美国德克萨斯大学空间研究中心(UTCSR)最新发布的GRACE卫星RL05月重力场模型数据,采用去相关和300km半径的高斯平滑滤波,提取出2012年苏门答腊MW8.6地震的同震和震后形变,并利用最小二乘拟合方法计算了地震前后震中附近区域的形变率。结果表明,GRACE卫星观测到的同震形变约为-8~14cm,震前和震后震中附近区域的形变率分别为1~4cm/a和-1^-3cm/a。

2004年苏门答腊地震前后海面高趋势的变化

利用苏门答腊附近海域T/P、Jason-1测高卫星近20年的海面高连续观测资料,分别计算了该区域(80°E^105°E,5°S^20°N)在2004年苏门答腊大地震前后的海面高变化趋势,并与该区域对应时间段GRACE重力卫星反演的地表质量迁移结果进行比较。研究结果表明,由卫星测高观测资料估算的震区地震前后海平面趋势的变化与卫星重力反演结果基本一致。由于卫星测高沿轨观测具有高精度、高时空分辨率的特性,卫星测高资料估算的海平面趋势变化可以更为准确地反映震区海平面变化的局部特征。还对该区域震后形变特征进行了初步分析。

基于GRACE RL05数据研究智利地震长期震后重力变化特征

利用GRACE卫星重力可对地震引起的大范围重力变化进行观测,并从重力数据中发现主要的变化特征.发生于2010年的MW8.8智利地震震级较高,可观测到震中附近广泛的同震和震后长期重力变化.本文基于GRACERL05Level-2时变重力场数据,对2010年智利地震的同震和震后长期变化进行了计算.对同震变化的计算发现,智利地震引起的同震变化极值达-5μGal,而本文为减小水文信号的干扰而采用的3年平均的方法可以获得良好的效果.在对震后重力变化的计算中发现,智利地震震后在2011-2016年间的重力变化存在先增大后逐渐衰减的过程.对震后变化的拟合表明,智利地震震中附近有约1μGal的震后重力变化,震后变化的特征时间约1.1年.同时,在智利地震中未出现较明显的两个震后变化阶段(短期、长期).

GRACE研究海洋质量变化的不确定度分析

以全球海洋质量变化为案例,使用重力恢复与气候实验卫星(GRACE)及其后继卫星(GRACE-FO)重力场和相关数据,通过不同的后处理方法和模型修正的组合,计算了全球海洋质量变化.所使用的组合共计1296个,通过对这些组合的统计研究,计算了GRACE后处理的不确定度.结果表明:GRACE后处理不确定度在全球海洋上的数值结果约为0.64 mm/a,并且存在一定的年周期性,这种量级的系统的误差值得引起GRACE科学应用的关注.根据这些结果评估了GRACE在研究全球海洋质量变化的可靠性,并给出相应的后处理方法建议.

GRACE时变重力数据的后处理方法研究进展

重力场是反映地球介质密度变化和在各种环境(固体地球潮汐、内部热流、固体和液体之间质量的交换、表面负荷和地震构造运动等)下动力学特征的最基本和最直接的物理量。GRACE(Gravity Recovery and Climate Experiment)卫星作为探测全球重力场的工具已经为科研工作者提供了超过10a的全球时变重力场数据。由于GRACE数据存在固有误差,GRACE数据产品需要进行后处理对局部重力场进行研究。回顾整理了GRACE数据后处理中的处理方法,包括高斯滤波法及非各向同性滤波法,位系数去相关法,主成分分析法,小波分解法,Slepian方法,以及顾及先验信息的改进算法等,并对GRACE后处理算法的后续改进和发展进行了展望。

GRACE时变重力数据后处理方法评价

针对GRACE Level2卫星时变重力数据后处理方法如何评价的问题,该文以中国数字地震观测网络获得的青藏高原地区地面重力变化图像为参考,基于平均结构相似性等图像相似度指标,研究了与该区域地面重力观测同期、不同后处理方法得到的GRACE卫星重力变化图像的可靠性。结果显示,GRACE卫星重力和地面重力观测结果具有一定的可比性,滑动窗口去相关滤波和高斯400 km滤波的组合方法可以获得最优的处理效果。本文的方法和结论对GRACE及GRACE Follow-On卫星重力数据应用中后处理方法和参数的选取有一定的借鉴意义。