基于GRACE星间重力位差的Slepian局部地表质量变化反演法

根据Slepian基函数在频域和空域的局部集中特性,建立了利用GRACE星间重力位差(GPD)估计局部地表质量变化的Slepian基函数反演模型及病态问题求解算法,并以亚马逊流域的陆地水储量变化(TWSC)反演为例,评估了反演方法的精度和有效性.首先,通过闭环数值模拟比较了Slepian基函数法(GPD SBF)、基于GPD的mascon方法(GPD Mascon)和球谐系数法(GPD SH)反演2005年亚马逊流域TWSC的性能,结果表明:Slepian基函数法通过限定信号的频域和空域范围,降低了反演过程中向下延拓带来的不确定性,有效削弱了法方程求解的病态性,其解算结果的稳定性明显优于GPD Mascon;GPD SBF的反演精度及可靠性总体上优于GPD Mascon和GPD SH,并且能够更好地恢复边缘区域的信号和减小泄漏误差的影响.其次,利用实测的GRACE GPD数据反演了2004—2015年亚马逊流域的TWSC时间序列,结果显示:GPDSBF相比GPDMascon反演的TWSC与官方mascon模型(CSR、JPL和GSFC RL06 mascon)更为一致,并且GPD SBF反演结果呈现出更多的空间细节和更好的信噪比.最后,利用不同GRACE反演结果计算的(TWSC的一阶导数)和水文气象数据(GPCP降水、ERA5蒸散发)由水量平衡方程估计了亚马逊流域Obidos水文站的月平均径流量,并采用测站的实测径流量进行检验,结果表明:GPD SBF和GPD Mascon估计的径流量与实测值扣除季节性信号后的差值STD分别为12.35 mm和14.54 mm,相关系数分别为0.71和0.69,并且GPD SBF和各种官方mascon模型估计的径流量与实测径流量更为接近.本文研究证明Slepian基函数法可削弱病态问题求解对正则化约束的依赖,其比传统的GPD Mascon解算精度和可靠性更高,为反演高精度、高分辨率的局部地表质量变化提供了一种新的解决方案.

反演地表质量变化的附有空间约束的三维加速度点质量模型法

重力卫星可以在相同误差尺度下对全球质量变化进行连续重复观测,并在近十余年来取得了巨大成功,探索重力卫星数据精化处理方法和相关应用研究具有重要意义.本文基于三维加速度点质量模型法的基本原理,进一步发展建立了时变重力场模型球谐位系数的变化和地面点质量变化的关系,可有效考虑地表质量变化导致的负荷形变的影响;引入等权形式、线性形式、指数形式和高斯形式的空间约束方法处理南北条带噪声和向下延拓导致的病态问题,并与零阶Tikhonov正则化方法进行对比分析.采用模拟数据和一个月的实测GRACE时变重力场模型计算全球质量变化,对三维加速度点质量模型法和几种空间约束方法进行对比分析验证.计算结果表明,对于3°等面积的全球格网质量点,高斯和指数形式空间约束方法的最优相关距离约为500km,等权和线性形式空间约束方法的最优相关距离约为600km,各方法均可有效处理条带噪声的影响,四种空间约束方法的计算效果优于零阶Tikhonov正则化方法,本文的相关方法为进一步利用三维加速度点质量模型法监测全球质量变化提供了借鉴.

重力卫星数据反演地表质量变化的点质量模型法研究进展

利用多代重力卫星观测数据监测全球质量变化,使人类对全球物质迁移和环境变化有了更加深刻的认识和理解。由于卫星星载仪器精度和分辨率的限制以及建模误差等多种因素的影响,利用重力卫星数据解算的全球质量变化模型受到条带误差的影响,广泛采用的滤波平滑手段虽然可以对其削弱,但同时会引起更严重的信号泄漏问题。为了克服这些问题,并进一步提高重力卫星数据解算地表质量变化模型的时空分辨率和精度,许多学者基于牛顿万有引力定律发展了点质量模型法,该类方法直接建立地表质量变化参数与卫星受摄运动的关系,并采用约束矩阵处理条带误差和向下延拓产生的不适定问题。综述了点质量模型法的研究进展,详细梳理了不同点质量模型法的基本理论和方法,分析了不同约束矩阵的构建策略和特点,简要总结了点质量模型法的后处理方法,以期能为点质量模型法的后续发展和研究提供参考。

GNSS垂直位移反演区域地表质量变化的模拟分析

连续密集的全球导航卫星系统(global navigation satellite system, GNSS)地表形变监测为反演精细的区域地表质量变化提供了有效技术手段。针对格林函数方法反演区域地表质量变化的病态问题,给出了一种改进的正则化拉普拉斯约束矩阵,讨论了广义交叉检验(generalized cross-validation, GCV)方法在病态法方程正则化参数选取中的适应性,并通过数值模拟分析了GNSS垂直位移的噪声水平和测站数量及分布对反演结果的影响。结果表明:(1)给出的正则化拉普拉斯矩阵相比传统的拉普拉斯矩阵能更有效抑制边缘效应的影响;(2)GCV方法可以有效地确定最优正则化参数,其反演结果与均方根误差(root mean square error, RMSE)最小方法的反演结果符合较好;(3)GNSS垂直位移的噪声水平越小,测站数越多,反演结果越好,并且在测站数达到一定的条件下,均匀分布测站与随机分布测站的反演结果精度相当。

利用GRACE重力卫星求解南极洲冰川质量变化的精度研究

GRACE重力卫星可用于观测南极洲冰川的质量变化。由GRACE重力卫星提供的月解重力场能有效探测质量的年变化及长期变化(周期和非周期性)。通过GRACE观测的质量变化时间序列,计算得到南极洲质量的长期变化及周期性年变化。计算结果受多种误差影响,其中GRACE模型误差的影响较小,而研究时段及其跨度的影响较为显著,以不同宽度的时间窗口进行平移,得到无穷时间序列下该误差的参考值为±14.89mm/a。南极地区的气压修正误差可达±10mm/a,GIA修正误差与其量级相同。由此我们认为,目前对于南极洲冰川质量变化的一些认识仍需商榷。南极洲西部地区冰川加速消融,Dronning Maud Land和Enderby Land等地区的质量持续累积;其他地区的质量变化情况仍需进一步研究。

贝叶斯三角帽法的GRACE/GRACE-FO组合模型及其不确定性

利用贝叶斯三角帽法将多个GRACE/GRACE-FO重构模型进行融合,提升基于深度学习的地表质量变化重构模型的精度,为高精度填补及重构GRACE/GRACE-FO数据提供参考。实验表明,组合模型估算的全球陆地水储量变化的不确定性最低,其结果在多数流域与参考模型的一致性更佳;较最优的重构模型,组合模型全球及流域的不确定性降低约15%,纳什效率系数(NSE)提升约5%,尤其在半干旱、半湿润及湿润区域,其精度提升更明显。

温度变化对我国GPS台站垂直位移的影响

地表温度变化可以引起GPS台站上安装GPS天线的地表水泥墩内部温度变化,还可以通过热传导的方式引起GPS台站基岩温度变化,从而引起GPS台站垂直位移变化.在中国区域,由GPS台站基岩温度变化引起GPS台站垂直位移变化的周年振幅最大可以达到1 mm;在长江以北地区,此周年振幅一般大于0.5 mm.在我国地壳运动观测网络中的23个GPS基准站中,温度变化对GPS台站垂直位移总影响的周年振幅最大值为2.8 mm,其中13个GPS基准站垂直位移的周年振幅变化大于1 mm.因此,温度变化是引起GPS台站垂直位移周年变化的一个不可忽视因素.

GRACE精密星间重力位差数据集(2002年4月至2016年7月)

GRACE(Gravity Recovery and Climate Experiment)星间重力位差是一种沿卫星轨道的原位观测量,它具有明显的地球物理含义。本研究基于改进的能量平衡方程和移去恢复技术RCR(remove-compute-restore),利用GRACE Level-1B核心载荷数据(KBR星间距离变率、卫星精密轨道、非保守力加速度计和卫星姿态等数据)估计了2002年4月至2016年7月期间的精密星间重力位差数据,并通过数据质量控制手段对估计结果进行了质量标记。这些数据按月进行存储,共有155个月的数据文件,提供了GRACE双星A和B的地心地固坐标、扣除平均重力场(GGM05C模型)的星间重力位差和质量标记等数据。同时,将GRACE星间重力位差反演的时变重力场和地表质量变化模型与官方发布模型进行比较,验证了数据集的可靠性。本数据集进一步丰富了GRACE数据产品的种类,可为静态和时变重力场建模、全球和局部地表质量变化反演及相关地学应用研究提供有力的数据支撑。

质量负荷引起地表形变的格林函数和球谐函数方法对比研究

固体地球对地表质量负荷响应,一般采用格林函数或球谐函数方法来计算。两者在数学上是等价的,在实际计算中存在差异。应用地表流体质量负荷变化数据,定量分析了二者在计算地表位移时的精度。结果表明,同一负荷作用下对单点地表位移的计算,两者的精度在误差水平上是一致的,其计算效率也是一致的;但在计算全球1°规则网格站点时,球谐函数方法要比格林函数方法在计算效率上快近100倍。对地表流体质量变化而言,2°空间网格的分辨率一般可满足改正GPS位移数据的精度,且地表流体引起的站点垂直位移变化可解释超过50%的GPS观测方差。

西南天山迈丹断裂周缘地壳应力演化及地震危险性分析

迈丹断裂是一条位于西南天山南缘的相对高角度断裂,历史记录到的强震活动较少。2024年1月迈丹断裂东段发生了乌什7.1级地震,引发了对迈丹断裂孕震环境和未来地震危险性的关注。除持续的构造加载外,迈丹断裂周围的地壳应力还可能受一系列强震和冰川融化的影响。本文通过计算震间构造加载、历史强震和地表水文质量损失引起的地壳应力变化,定量分析迈丹断裂周缘的地壳应力积累特征。数值模拟结果表明,震间构造加载驱动迈丹断裂库仑应力增加,速率约为1.1~1.4kPa/yr。历史强震导致迈丹断裂主要断层段库仑应力降低,其中,在2024年乌什7.1级地震震中位置处,库仑应力下降约37kPa,因此历史强震可能推迟了这次地震事件的发生。尽管地表水文质量卸载造成天山山脉明显的垂直形变,但与长期构造加载相比,其引起的地壳应力变化量很小,可以忽略不计。综合区域地壳应力演化、地震活动和构造变形特征,本文认为迈丹断裂东段具有较高的应力积累,未来地震危险性更高。