重力时变的数学逼近

研究了根据时域内离散的重复重力测量数据获取连续重力变化的方法。分析比较了多种不同的插值、拟合和滤波方法的优缺点 ,认为Akima样条插值法、正交多项式拟合法和卡尔曼滤波法对重力数据处理效果较好。以华北 6 3号相对重力点和香山绝对点为例给出了处理结果 ,并对三种方法的意义和适用范围进行了讨论。

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.

中国大陆时变重力观测:技术探索、挑战与应用展望

近年来,陆地高精度时变重力观测技术迅猛发展,除了以量子重力仪为代表的绝对重力装备不断实用化,中国大陆重力观测网络的布局也日趋完善。目前,中国大陆主要活动构造区已经建成优于百km尺度分辨率能力的μGal级时变重力场观测网络。本文从中国大陆时变重力观测技术方法的角度,首先介绍陆地时变重力观测系统、仪器分类以及中国大陆高精度重力观测系统的建设发展、存在问题及优化建议;其次,介绍时变重力技术方法与模型产品以及应用进展;最后,围绕中国大陆时变重力数据产品和应用中的问题,提出面向中国地震科学实验场和深地科学问题的下一代陆地重力观测系统设计布局设想。作为国家地球物理监测网络的重要组成部分,陆地时变重力观测能够提供高精度的时变重力模型产品,为深入探索地壳深部动力学机制、地球物理导航和国防建设提供重要的数据支撑。

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。

中国大陆重力场时变监测与强震预测

主要回顾了中国大陆重力时变高精度监测与地震预测应用的基本情况。自1966年邢台地震以来,我国就开始采用重力手段监测地壳变动和强震孕育发生过程,致力获取重力场时变的微伽级信息。重力监测主要采用定点流动复测(流动重力)和固定台站连续观测(连续重力)2种方式。重力监测已经历3个发展阶段。1998年以前,重力监测主要沿块体边界、活动断层或历史强震区开展,缺乏绝对测量,一般采用相对测量,通过总结获取了海城7.2级、唐山7.8级、丽江7.0级等一系列地震前的重力动态变化特征,除海城地震外,预测成功震例寥寥。1998年地壳运动网络工程建设以来,由于引入高精度绝对重力测量,开始进行中国大陆重力场的整体监测,获取了汶川8.0级等地震前的大尺度变化信息,给出了汶川地震中期预测的有效意见。2010年以来,以陆态网络工程重力网为基础,逐步开展大华北、南北带等各种测网的整合与统一,形成了中国大陆整体重力观测网,对期间发生的一系列6.0级以上地震(如芦山7.0级、门源6.4级、呼图壁6.2级等地震)进行了较为成功的中期预测,为地震机理研究和我国中期地震预测水平提升发挥了重要作用。通过长期的重力观测实践,初步形成了一门专门应用于地震研究的交叉学科——"地震重力学"。

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,IGGCAS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,IGGCAS、CSR-RL05、GFZ-RL05和JPL-RL05反演结果的均方差分别为1.5cm、1.1cm、1.1cm和1.2cm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.

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.

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.

应用经验正交函数分析方法研究地球重力场时变特征

利用Grace(Gravity Recovery And Climate Experiment)106个月连续重力异常数据,基于经验正交函数分析方法,分析了重力异常时变特征,得出了地球重力场时变信号主要起源于海水质量的移动,位于南纬40°与北纬40°带之间的结论。

用重复重力测量测定垂线偏差时变的精度

列举两种垂线偏差时变测定的微分公式,从理论上对用重复重力测量的方法测定 垂线偏差时变的精度进行了探讨．在目前情况下,垂线偏差时变测定精度可以达到0．005”． 远区域的点对它的影响可以忽略不计,通过对重力网的模拟计算,进一步得到验证．探讨了 有效积分半径对垂线偏差时变测量精度的影响,并在此基础上讨论了重力网优化的问题．

利用SWARM卫星高低跟踪探测格陵兰岛时变重力信号

GRACE重力卫星任务即将结束,后续GRACE Follow-On卫星计划于2017年发射,在此期间,迫切需要一个新的卫星计划继续对全球时变重力场进行连续监测,以保证时变重力场信息时间序列的连贯性.SWARM计划包括三颗轨道高为300-500km的近极轨卫星星座,类似于三颗CHAMP卫星,具有接替时变重力场探测的潜力.本文首先分析SWARM（模拟）、CHAMP、GRACE反演至60阶时变重力场球谐系数的误差特性及不同高斯平滑半径对高频误差的抑制效果,然后分别利用SWARM、CHAMP、GRACE的时变重力场模型恢复全球质量变化,结果表明,SWARM模拟观测数据的高频误差低于CHAMP观测数据,探测时变重力场的整体精度优于CHAMP,略低于GRACE探测精度;其次,对比2003年1月—2009年12月期间CHAMP（hl-SST）和GRACE（ll-SST）时变重力场模型反演格陵兰岛冰盖质量变化趋势,结果显示,CHAMP数据得到格陵兰岛冰盖质量变化趋势为-50.2±2.0Gt/a,GRACE所得结果为-41.2±1.6Gt/a,两者相差21.8%;最后,对比2000年1月—2004年12月间SWARM模拟数据和＂真实＂模型数据反演的格陵兰岛冰盖质量变化趋势,结果表明,两者相差19.2%.本文研究表明,利用SWARM hl-SST数据探测时变重力场可以达到20%相对精度水平,有潜力用于填补GRACE和GRACE Follow-On期间探测地球时变重力场的空白.

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。

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.

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.

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.

离散时变重力数据的可视化、指标量定义与解释

针对流动重力观测获得的数据成果特点,提出一种基于流动重力段差变化的时变重力数据可视化方法,并定义了两个指标量G值和C值,用以评价区域性重力场变化的显著性程度.在此基础上,应用该方法处理和分析了首都圈地区的流动重力数据.结果表明:与传统采用等值线方式来刻画时变重力场特征不同,该方法更能突出发生变化的重力测点位置、测量误差及其变化的显著性程度,可为研究与地震孕育、发生过程有关的重力场变化提供更多的定量依据.