星载加速度计频域噪声对时变重力场反演的影响研究

星载加速度计是低低卫星跟踪卫星测量的核心载荷之一,其观测噪声受仪器本身和观测环境的综合影响.本文综合考虑加速度计仪器的研制能力和观测环境,系统分析了不同频率特性的加速度计噪声对时变重力场反演精度的影响.首先,下一代重力卫星推行的加速度计频域噪声明显小于GRACE卫星搭载的加速度计,但受限于背景力模型误差的影响,其反演重力场模型精度的提升幅度小于2%.其次,受卫星飞行过程中温度和磁场等周期性变化的影响,加速度计观测数据中存在固定频率的音调误差,在同类型、大小的音调误差下,径向和沿轨方向的音调误差对重力场精度的影响显著,而法向方向影响较小;以能否提取空域内的时变信号为限制条件,径向和沿轨方向的音调误差应小于10-8m·s^(-2),而法向方向可放宽至10-7m·s^(-2);为了削弱时变重力场模型南北条带误差的影响,应该约束加速度计高频音调误差的影响.最后,探讨了三轴敏感加速度计对重力场反演精度的潜在贡献,由于重力场反演精度与加速度计法方向观测精度的响应关系相对较弱,三轴敏感加速度计仅能提升约2%的重力场反演精度.研究结果表明,由于加速度计频域噪声与重力场反演精度存在复杂的响应关系,在重力卫星研制或观测数据处理过程中,不能仅仅考虑加速度计的噪声水平,还应该充分考虑加速度计在频域内各类噪声特性的影响.

SWARM卫星时变重力场反演及其精度

基于SWARM卫星的精密轨道数据,利用短弧积分法解算2015-01~2021-12共84个月的40阶次TVG-SWARM月时变重力场模型,并与ASU、COST-G、IGG和ITSG等机构的月时变重力场模型进行比较。结果表明:1)从大地水准面阶误差与模型位系数误差谱看,不同SWARM模型的低阶位系数精度相当,特别是前10阶均与ITSG-GRACE/GRACE-FO接近;2)不同SWARM模型与ITSG-GRACE/GRACE-FO模型全球陆地水储量变化趋势空间分布具有较好的一致性,在亚马孙流域、格陵兰岛、密西西比河流域和西西伯利亚等区域,TVG-SWARM与ITSG-GRACE/GRACE-FO模型的趋势差值分别为0.23 cm/a、0.27 cm/a、0.57 cm/a和0.47 cm/a,相关系数均达到0.85以上,并与IGG-SWARM模型结果最为接近。本文研究结果证明了TVG-SWARM模型精度可靠,可以用于监测大尺度陆地水储量变化。

利用GRACE时变重力场探测2010年中国西南干旱陆地水储量变化

GRACE(Gravity Recovery And Climate Experiment)卫星计划为监测陆地水储量变化提供了有效技术手段.本文采用2003至2010年共计8年的GRACE月重力场模型反演中国西南区域陆地水储量变化,与GLDAS(Global Land Data Assimilation System)全球水文模型进行对比分析,其结果在时空分布上均符合较好,同时在2009年秋至2010年春该区域陆地水储量均呈现明显减少,与该时段云贵川三省的干旱事件相一致;比较分析了2009年秋至2010年春GRACE反演陆地水储量变化与TRMM(Tropical Rainfall Measuring Mission)合成数据计算的月降雨量的时空分布,两组结果均与西南干旱事件对应时段与区域十分吻合;对近8年的陆地水储量变化与月降雨量数据进行相关性分析,其结果表明陆地水储量变化与降雨量强相关,即降雨量是导致陆地水储量变化的主要因素;分析该区域地表温度变化,结果显示2009年9月至2010年3月地表温度均比历史同期高,地表温度的升高加剧了陆地水储量的减少.

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.

利用GRACE时变重力场反演黑河流域水储量变化

黑河流域水储量变化对该区域的生态环境和经济建设等具有重要影响。本文利用2002-08—2011-06的GRACE(gravity recovery and climate experiment)时变重力场模型GRGS-EIGEN-GL04,采用去相关滤波P3M6与300km高斯滤波相结合的滤波方法反演了黑河流域陆地水储量变化,扣除GLDAS(global land data assimilation system)水文模型计算的土壤水和冰雪变化,给出了黑河流域地下水储量的时空变化,并利用张掖地区23口地下水测井数据对地下水反演结果进行了初步验证。研究结果表明:①黑河流域陆地水储量整体上呈现减少趋势,与该流域气候变化和CPC(Climate Prediction Center)水文模型的计算结果具有较好的一致性,其减少速率为2.3cm/a等效水高;②黑河流域地下水储量呈现长期减少趋势,其减少速率为2.5cm/a等效水高,上、中游区域地下水储量减少速率相当,下游区域地下水储量减少速率明显小于中上游区域。

利用动力学方法解算GRACE时变重力场研究

本文利用动力学方法建立GRACE（Gravity Recovery And Climate Experiment）K波段距离变率（KBRR）观测、轨道观测与重力场系数的观测方程,通过GRACE Level 1B观测数据,成功解算出全球月时变重力场模型——IGG时变重力场模型,并将2008—2009年的解算结果与GRACE三大数据处理机构美国德克萨斯大学空间中心CSR（Center for Space Research）、美国宇航局喷气推进实验室JPL（Jet Propulsion Laboratory）和德国地学研究中心GFZ（GeoForschungs Zentrum）发布的最新全球时变重力场模型进行详细对比分析.结果表明：IGG结果在全球质量异常、中国及周边地区质量异常的趋势变化、全球质量异常均方差、2~60每阶位系数差值以及亚马逊流域和撒哈拉沙漠等典型区域平均质量异常等方面与CSR、JPL和GFZ解算的RL05结果较为一致.其中,IGG解算结果在2~20阶与CSR、GFZ和JPL最新解算结果基本一致,20~40阶IGG解算结果与GFZ、JPL单位最新解算结果较为接近,大于40阶IGG结果介于CSR与GFZ、JPL之间;亚马逊流域平均质量异常周年振幅IGG、CSR、GFZ和JPL获取到的结果分别为17.6±1.1cm、18.9±1.2cm、17.8±0.9cm和18.9±1.0cm等效水柱高.利用撒哈拉沙漠地区的平均质量异常做反演精度评定,IGG、CSR、GFZ和JPL的时变重力场获取到的平均质量异常均方差分别为1.1cm、0.9cm、0.8cm和1.2cm,表明IGG解算结果与CSR、GFZ和JPL最新发布的RL05结果在同一精度水平.

基于GRACEKBRR数据的动力积分法反演时变重力场模型

基于动力积分法恢复了一组60阶的时变重力场模型WHU-Grace01s,且在位系数解算过程中仅使用KBRR数据.通过与CSR、GFZ和JPL发布的Release 05模型的阶方差和位系数误差谱对比可知,WHU-Grace01s模型在高阶次部分的阶方差较小,且对轨道共振现象不敏感.将WHU-Grace01s时变重力场模型与CSR、GFZ、JPL、DEOS、Tongji、ITG、AIUB和GRGS等8家机构发布模型通过相同的滤波处理,获得了全球地表质量变化的时空分布,从结果可以看出:各个模型计算的时变信号在空域上分布十分接近,且WHU-Grace01s模型计算的太平洋中心和撒哈拉沙漠区域的质量变化较小;对比几个典型质量变化区域,WHU-Grace01s模型和JPL模型计算的长江流域和珠江流域时变信号呈强相关,其相关系数分别为0.948和0.976,且与上述8个模型计算的两个流域时变信号的相关系数均达到0.9以上;在南极区域和格陵兰岛,WHU-Grace01s模型和其他各个模型均能反映区域冰川质量的积累或消融,且各模型计算获得的长期趋势变化结果相当.研究结果表明,WHU-Grace01s模型和国内外已发布机构模型具有很好的一致性,且受到轨道共振影响较小.

利用径向基函数RBF解算GRACE全球时变重力场

本文利用GRACE(Gravity Recovery And Climate Experiment)level 1b数据和径向基函数RBF(radial basis function)方法解算了全球时变地球重力场.RBF基函数相比传统球谐(spherical harmonic)基函数,其高度的空域局部特性使得正则化过程易于添加先验协方差信息,从而可能揭示更加准确的重力场信号.本文研究表明,RBF基函数算法在精化现有的GRACE全球时变重力场模型,如提升部分区域信号幅度等方面具有一定优势.本文通过将RBF的尺度因子作为待解参数,基于GRACE卫星的Level 1b数据和变分方程法,成功获取了2009-2010年90阶无约束全球时变重力场RBF模型Hust-IGG03,以及正则化全球时变重力场RBF模型Hust-IGG04.通过与GRACE官方数据处理中心GFZ发布的最新90阶球谐基时变模型RL05a进行对比,结果表明:(1)无约束RBF模型Hust-IGG03和GFZ RL05a在空域和频域表现基本一致;(2)正则化RBF模型Hust-IGG04无需进行后处理滤波已经显示较高信噪比,噪音水平接近于球谐基模型GFZ RL05a经400 km高斯滤波后的效果;(3)HustIGG04相比400 km高斯滤波GFZ RL05a在周年振幅图和趋势图上显示出更多的细节信息,并且呈现出更强的信号幅度,如在格陵兰冰川融化趋势估计上Hust-IGG04比GFZ RL05a提高了24.2%.以上结果均显示RBF方法有助于进一步挖掘GRACE观测值所包含的时变重力场信息.

芦山M_S7.0地震震前GRACE卫星时变重力场特征研究

基于GRACE卫星时变重力数据,利用小波多尺度分解方法,分析研究了芦山MS7.0地震前重力场的时空动态演化特征.结果表明,雅安地区震前卫星时变重力场具有明显的重力变化信息.卫星时变重力场在时间域表现为,累积重力场和差分重力场存在较强的规律性动态变化,以2003—2004年均值为基值的2009—2012年的变化特征与2005—2007年的变化特征具有较好的相似性,以2009年均值为基值的2009—2012年即芦山地震前4年,芦山震区的时变重力场呈现上升→减速上升→加速上升以及上升→轻微下降→快速上升的变化特征;卫星重力场在空间域表现为,震中位置由靠近重力场正变化的中心→接近重力场正变化边缘→接近重力正变化四象限分布中心的变化特征.因此,芦山地震的重力场动态变化信息和波场分离结果符合逆冲推覆兼走滑型地震引起的区域变形特征.

GRACE时变重力场的高斯平滑研究

利用各向同性和非各向同性两种GRACE时变重力场平滑方法试算了2006年1月至2月的全球大地水准面变化。研究表明,非各向同性的高斯滤波器的频谱不仅依赖于阶也依赖于次,但能够提高纬度方向的分辨率,在经度方向的分辨率和各向同性滤波器的相当;计算得到了与各向同性高斯平滑同精度的时变重力场反演结果。

利用运动学轨道提高GRACE时变重力场解算

基于变分方程法,本文利用GARCE高精度K波段星间测速数据KBRR,结合德国格拉茨大学发布的运动学轨道和GFZ发布的简动力学轨道作为两种伪观测值,分别解算了2005-2010年60阶全球时变重力场模型Hust-IGG01与Hust-IGG02.通过与GRACE官方机构发布的模型和其他国际主流权威模型进行对比,发现基于运动学轨道结合KBRR解算的模型Hust-IGGO1优于基于简动力学轨道结合KBRR解算的模型Hust-IGG02:在重力场系数C_(20)时间序列的统计数据上,Hust-IGG01比Hust-IGG02更接近SLR结果,在如C_(60)、C_(70)、C_(80)以及C_(90)等重力场低阶项上的数学统计均更接近CSR RL05;Hust-IGG01的重力场系数误差分布和GFZ RL05在同一水平,而Hust-IGG02的误差估计过于乐观;Hust-IGG02在主要质量变化区域上存在5%~10%信号低估,而Hust-IGG01能完全达到国际主流机构利用GPS观测数据的解算水平,Hust-IGG01与官方机构CSR、JPL和GFZ最新模型在格陵兰岛的冰川消融年际趋势分别是-125.4、-125.4、-127.3、-124.3 Gt·a^(-1),在亚马逊流域的平均等效水高周年振幅分别是17.56、17.40、17.46、17.22 cm,在撒哈拉沙漠的平均等效水高均方差分别是0.87、0.77、1.10、0.87 cm;另外在Hust-IGG01的实际应用上,本文分析了全球32个主要流域质量变化的年际趋势、周年振幅和半周年振幅三种信号模式,统计结果显示Hust-IGG01与CSR RL05结果基本吻合.

海潮误差对GRACE时变重力场解算的影响研究

海潮误差是GRACE时变重力场反演中重要的误差源,目前发布的海潮模型中主要包含振幅较大的主潮波分量模型,在时变重力场反演中次潮波的影响也是不可忽略的,因此,GRACE时变重力场反演中的海潮误差主要包括受限于海潮模型误差和次潮波影响.本文利用轨道模拟方法检测了短周期潮波的混频周期以及次潮波对ΔC20,ΔC30的时序特征,并进一步通过轨道模拟结果分析了海潮误差对时变重力场反演的影响,然后通过实测数据解算分析了海潮误差对当前GRACE时变重力场解算的影响,研究发现:(1)利用轨道模拟能够有效地检测短周期潮波的混频周期;(2)时变重力场解算过程中,次潮波的影响大于海潮模型误差的影响;(3)海潮模型误差以及次潮波影响是当前GRACE没有达到基准精度的重要因素之一.

GRACE RL06与RL05时变重力场模型数据初步比较分析

简要介绍CSR、GFZ和JPL机构的GRACE RL06时变重力场模型数据,并对比分析RL06和RL05数据的解算模型。从全球陆地水储量变化反演结果、时变重力场模型阶方差和C 20项时间序列3个方面,对2004-01~2014-11期间RL06和RL05时变重力场模型数据进行对比分析。结果表明,GRACE RL06时变重力场模型数据质量的和精度较RL05有明显提高,其全球陆地水储量变化反演结果去条带噪声效果更好、信噪比更高;在高阶项部分,RL06模型数据的阶方差小于RL05;RL06模型数据的C 20项时间序列幅值变化小于RL05,与SLR所得C 20项数据也更接近。相同条件下,采用CSR RL06模型阶方差最小,利用RL06模型所得全球陆地水储量变化反演结果信噪比值最大。

辽宁地区时变重力场源变化特征分析

地震重力分析通过研究时变重力场变化获取地球内部介质物性变化信息。采用贝叶斯重力网平差方法对辽宁地区2011—2014年共计四年7期的流动重力观测资料进行处理,对研究区重力观测网总体监测能力做出分析,选用欧拉反褶积对研究区的重力变化场源深度及空间分布特征进行反演和解释。通过反演计算发现,在2013年灯塔MS5.1地震前沈阳—辽阳地区重力变化较大,形成高梯度带,反映该地区地震活动性增强;而欧拉反褶积计算反演地下介质场源深度在10~40 km,与地震实际发生深度相符,且集中在断裂带附近。本研究可为研究辽宁地区深部孕震环境特征提供一定参考。

GRACE卫星时变重力场去相关滤波参数选取分析

直接采用GRACE时变重力场模型反演地球表层质量变化的结果会呈现严重的南北方向条带状误差。滑动窗口拟合多项式方法是一种有效的经验性去相关滤波方法,能有效削弱中高纬度地区条带状误差。球谐系数去相关滤波起算阶数、滑动窗口宽度以及拟合多项式阶数是影响去相关滤波方法效果的关键因素。采用GRACE RL05时变重力场模型数据对去相关滤波的参数选取进行了实验分析,得到了去相关滤波的经验参数,实验结果表明:GRACE时变重力场模型去相关滤波起算阶数应取15阶,滑动窗口宽度应取5或7个点,拟合多项式阶数应设为3阶或4阶。

利用GRACE时变重力场反演大尺度全球海底压强变化

海底压强变化对研究海洋环流、全球能量平衡、陆海水循环、气候模型等有着重要意义。对利用GRACE时变重力场数据反演全球海底压强变化的方法进行了研究,并采用GRACE卫星Level-2数据的GSM和GAD数据反演了2010年全球海底压强变化,反演结果表明:利用GRACE时变重力场数据能够反演出大尺度的全球海底压强变化,海底压强变化呈现明显的季节性变化,在沿海岸线区域受陆地水文反演信号泄露影响海底压强变化较大。

华北中东部卫星时变重力场特征研究

利用华北中东部GRACE卫星时变重力数据,以2003年、2004年重力年均值为基值,计算得到2005—2014年相对于该基值的重力场累积动态变化和差分动态变化图像,并探讨该区近10年来重力场的时空动态变化特征。结果表明:研究区10年间累积重力场以减小为主,2010年以后,差分重力变化呈NS向条带状展布,且重力变化增加,相邻期差分重力场出现反转。

利用卫星跟踪卫星观测数据确定时变重力场球谐解的发展趋势

时变重力场综合反映了地球内部及表层物质的迁移特性,在地球科学领域应用广泛. 21世纪以来,多个重力卫星相继成功发射,为实现全球时变重力场连续监测提供了数据支撑.利用重力卫星观测数据建立高精度时变重力场模型,是开展时变重力场相关科学应用的重要前提.自重力卫星计划提出以来,国内外学者致力于卫星时变重力场建模理论及方法的研究,随着观测数据的精化和解算方法的改进,时变重力场模型的精度水平得以显著提升.本文总结了近几十年来利用卫星跟踪卫星数据建立时变重力场球谐解的研究进展,重点围绕低低卫星跟踪卫星进行展开,包括建模基本原理和模型解算方法、观测数据的优化、背景摄动力模型的精化、解算方法的改进等,并给出了近年来尝试利用高低卫星跟踪卫星确定时变重力场的研究进展,最后探讨了下一代重力卫星计划的发展趋势,可为我国自主重力卫星数据处理和模型构建提供参考.

利用GRACE卫星时变重力场监测长江、黄河流域水储量变化

利用GRACE时变地球重力场数据反演长江、黄河流域的水储量变化,并对比水文模型研究其季节性和年际变化特征。将流域水储量变化与降水资料进行对比分析发现,长江、黄河流域的水储量变化与降水量在不同尺度和频段存在较好的时空变化一致性。研究表明,利用GRACE时变重力场可以监测全球陆地水储量的变化,其监测能力可揭示cm级等效水高变化。

时变重力场球面模型反演算法和模拟实验

时变重力场是研究地球内部介质物性变化的重要手段。本文提出了一种适用于地面流动重力测量获得的时变重力信号的场源反演方法,该方法采用球坐标系下的六面体单元来模拟场源介质,适合大尺度地震流动重力测量数据的等效源模型构建。通过引入重力时变信号的一阶光滑先验条件,压制了时变重力信号中的短周期高频分量,可用于提取与地震孕育相关的长周期信号。通过理论和模型实验证明了本文算法的可靠性和稳定性,并使用南北地震带南段2014—2017年的流动重力实测数据进行了反演解释,获得了地壳内部等效场源的视密度时变信号,变化量级在正常地壳密度的±0.7‰之间,其空间形态受川滇菱形块体边界控制。研究成果可用于时变重力场模型解释和深部场源特征提取,可为地震重力前兆信号分析和相关研究提供完备的方法保障。