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.

极地冰盖粒雪密实化过程的研究进展

粒雪密实化过程在冰川物质平衡监测和冰芯古气候记录分析等冰川学研究中具有重要作用,近年来国内外学者在极地冰盖开展了大量工作并建立出一系列粒雪密实化模型。本文将典型的极地冰盖粒雪密实化模型分为经验模型(包括半经验模型)和物理模型两大类,综合分析和讨论了两类模型的建模机理、发展现状及不足之处。经验模型关注粒雪柱在密实化过程中的宏观演变,利用实测的粒雪深度-密度数据建立密实化速率方程。目前,该类模型主要研究了温度、积累率、融水渗透和再冻结过程对密实化速率的影响。物理模型聚焦于粒雪晶粒在密实化过程中的微观结构变化,利用晶界滑移、幂律蠕变和晶格扩散等物理机制解释晶粒的生长变形过程。目前,新雪-粒雪转化过程的研究主要基于晶界滑移理论,粒雪-冰川冰转化过程的研究主要基于球形粉末的压力烧结理论。总体而言,极地冰盖粒雪密实化过程的研究在过去几十年取得了长足的发展,但由于粒雪微观结构及其与宏观演变联系的认知匮乏,经验模型缺乏完善的湿粒雪密实化理论,且将稳态假设直接推广到瞬态情景存在一定问题;物理模型由于粒雪密实化的物理机制尚不明确,难以精确刻画粒雪演变的整个物理过程。

GNSS/GRACE/GRACE-FO/气象数据结合反演干旱指数

构建融合多源数据的综合干旱指数对准确、客观、全面监测与评价干旱具有重要意义。本文利用主成分分析方法,将基于GNSS测站垂向形变和GRACE/GRACE Follow-On(GRACE-FO)重力卫星数据的单一水文干旱指数与我国常用的综合干旱指数(CI)进行融合,在西南地区构建反映水文气象要素的新型综合干旱指数(CDI)。结果表明,相比于CI和基于GNSS、GRACE/GRACE-FO数据的单一干旱指数,CDI指数与改进的帕默尔干旱指数(scPDSI)的相关性均有较大提升,最大相关系数达到0.84,相关系数提高的站点数占比分别达到100%、93%和67%,所有站点相关系数的平均值从0.48、0.34、0.57提高到0.64,表明本文构建的CDI指数能有效融合多源数据包含的干旱信息,提升区域干旱监测的效果。

地壳流变结构控制作用下的龙门山断裂带地震发生机理

青藏高原东缘低地形变速率的龙门山断裂带上相继发生了2008汶川Mw7.9级地震和2013芦山Mw6.6级地震.地震勘探与震源定位结果揭示了龙门山区域地震空间分布特征:纵向上,龙门山断裂带这两次地震主震均发生在龙门山断裂带上地壳的底部(14～19km),绝大部分余震均发生在上地壳范围(5～25km),而在其中、下地壳深度范围内鲜见余震发生;横向上,地震(Mw>3)在龙门山断裂带青藏高原一侧密集分布且曾有大震发生,而四川盆地地震稀少(Mw>3).为探讨龙门山断裂带地震发生机理,并解释以上龙门山区域地震空间分布特征,本文建立了龙门山断裂带西南段跨芦山地震震中区域的四种不同流变结构的龙门山断裂带三维岩石圈模型,以地表GPS观测资料为约束边界条件,数值模拟龙门山断裂带岩石圈在数千年以上长期匀速构造挤压作用下的应力积累特征,探讨了地壳分层流变性质对地壳应力积累的影响,分析了该区域地震空间分布与构造应力积累速率的关系.计算结果表明:该区域在数千年的应力积累过程中,脆性上地壳中应力表现近于恒定值的线性增长趋势,龙门山断裂带上地壳底部出现应力集中积累现象,这一应力集中现象可以解释龙门山断裂带汶川地震与芦山地震主震的发生,及其大部分余震在脆性上地壳中的触发;青藏高原一侧上地壳应力积累速率远远高于四川盆地的应力积累速率,这一应力积累分布现象可以解释龙门山区域青藏高原一侧地震密集而四川盆地地震稀少的地震空间分布特征;通过比较不同流变结构模型中的应力积累状态,认为导致这一应力积累空间分布状态的重要控制因素在于青藏高原中、下地壳较低的黏滞系数与四川盆地中、下地壳较高的黏滞系数的差异.在柔性的中、下地壳内,应力增长近于指数形式,稳定状态之后其应力增长速率近于零,构造应力积累难以达到岩石破裂强度,因而鲜见地震发生.地壳各层位的应力增长率差异与地震成层分布的现象共同揭示了龙门山区域岩石圈分层流变结构:脆性上地壳、韧性中、下地壳(青藏高原一侧较弱,四川盆地一侧较强)、韧性岩石圈上地幔.

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.

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.

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.

青藏高原色林错流域区冰川消融对湖泊水量变化的影响

青藏高原大部分湖泊近年来持续扩张,湖泊水位和水量明显增加.冰川消融是流域水量平衡和水循环的重要影响因素,直接导致湖泊水量变化.由于缺乏大范围的冰川质量平衡观测结果,青藏高原冰川消融对湖泊水量变化的影响仍存在较大争议.本文选择青藏高原内流区的色林错流域区(水系编号5Z2)作为研究对象,利用SRTM DEM和TanDEM-X双站InSAR数据,精确估算该流域三个主要冰川区(普若岗日、格拉丹东和西念青唐古拉)2000—2012年的冰川质量平衡,依次为:-0.020±0.030、-0.128±0.049、-0.143±0.032m·w.e.·a^(-1).并据此采用面积加权法准确推估出5Z2流域的冰川质量变化为:-0.166±0.021Gt·a^(-1).综合ICESat和Cryosat-2卫星测高数据,计算该流域2003—2012年湖泊水量变化速率(3.006±0.202Gt·a^(-1)),并定量评估冰川质量变化对5Z2流域湖泊水量增加的贡献为:5.52%±1.07%,因此在青藏高原色林错流域区,冰川消融不是导致21世纪初期湖泊水位上升的主要因素.

利用广义三角帽方法评估GRACE反演中国大陆地区水储量变化的不确定性

在无真实观测值的情况下,本文利用广义三角帽方法评估了五种GRACE时变重力场模型(CSR、GFZ、GRGS、HUST发布的球谐系数解和JPL发布的Mascon解)反演中国大陆地区2003—2013年水储量变化的不确定性.研究结果表明,CSR、GFZ、JPL、HUST和GRGS反演月水储量变化不确定性的区域平均RMS分别为14.4mm、26.3mm、25.3mm、26.6mm和56.1mm,其中GRGS的结果未恢复泄漏信号;在季和年尺度上,模型的不确定性均小于月尺度;扣除周期和趋势信号后,各模型反演结果更为一致.除长江流域外,CSR在13个流域的不确定性均小于其他模型,GRGS反演各流域水储量变化的不确定性通常较大,且可能高估了温带大陆性气候地区水储量的波动;CSR和JPL的不确定性受流域周边水文特征、气候类型、流域面积和形状的影响相对较小,不确定性变化范围分别为2.3～17.1mm和5.6～22.5mm,GFZ和HUST受影响较大,不确定性变化范围分别为5.5～35.1mm和4.0～40.6mm.本文的研究结果为GRACE产品不确定性评估提供了新的途径,为GRACE时变重力场模型的选取提供参考.

利用GPS垂向位移监测西南地区干旱事件

GPS垂向位移包含了陆地水储量变化引起的地球弹性形变信息。本文利用中国大陆构造环境监测网(陆态网)31个GPS台站2010年8月—2016年12月的垂向位移数据,分析我国西南地区的干旱事件。结果表明,GPS垂向位移的季节性变化与降雨、GRACE反演的水储量、河流水位变化具有较强的负相关关系,其异常变化(非季节性变化)与我国使用的综合气象干旱指数(CI)、GRACE干旱强度指数(GRACE-DSI)相关性较强(相关系数约为-0.70),而与标准化降水蒸散指数(SPEI)的相关性较弱。相比于CI干旱指数,GPS垂向位移能更好地探测短期降雨急剧减少引起的干旱事件。数据缺失影响了GRACE-DSI探测干旱的准确性,而SPEI的波动较大,且存在高估某些短期降雨严重性的情况。研究结果展示了GPS在干旱监测方面的可靠性和优势。

2003~2016年南极地区冰盖质量变化时间序列分析

利用CSR提供的GRACE时变重力场数据反演2003~2016年南极地区冰盖质量变化。结果表明,南极地区冰盖整体呈现消融趋势,消融速率为(-101.27±7.02)Gt/a,且在不断加速。EA以质量积累为主,速率为(69.09±2.64)Gt/a,但近期速率大幅减小;WA冰盖消融速率为(-148.35±6.78)Gt/a,表现为加速消融趋势,为南极冰盖质量消融的主要地区;AP消融速率为(-22.01±1.44)Gt/a,变化相对平稳。

利用重力卫星监测中国西南地区陆地水储量变化

如何实现可持续大范围地陆地水储量监测一直是水资源管理的研究热点。基于2003—2015年共计13年的重力恢复与气候实验(gravity recovery and climate experiment,GRACE)月重力场模型,采用组合滤波削弱重力场数据误差,并扣除冰后回弹的影响,实现对中国西南地区陆地水储量变化的持续监测,并与同期GLDAS(global land data assimilation system)水文模型结果进行比较。研究结果表明:GRACE能够有效地实现大范围内的陆地水储量变化的可持续监测,2003—2015年间出现了三次异常低值,分别为2004年、2010年和2014年;同时,还能有效监测2009—2010年西南地区干旱事件发生、扩展和结束三个阶段的时空变化情况。

利用重力卫星监测2003—2016年南极地区冰盖质量变化

为了研究南极冰盖消融对全球海平面变化的影响,利用2003年1月—2016年6月的重力恢复与气候实验时变重力场数据反演该地区冰盖质量变化,并采用去相关滤波P3M6加上300 km Fan滤波的组合算法削弱条带误差等影响,扣除冰后回弹和泄露误差影响。结果表明:南极地区冰盖质量变化整体表现为加速消融趋势,其质量变化率为(-101.27±7.02)Gt/a,其中西南极和南极半岛呈现质量消融,其质量变化率分别为(-148.35±6.78)Gt/a和(-22.01±1.44)Gt/a,而东南极表现为质量积累,其质量变化率为(69.09±2.64)Gt/a。

基于等效源的总强度磁异常非线性处理方法

总强度磁异常(ΔT1)常规处理方法通常将其近似当作磁异常矢量在地磁正常场方向上的投影(ΔT2).然而对于高磁环境如磁铁矿处的磁异常场幅值可达104 nT甚至更大的情况,上述近似假设则不再成立,如采用常规处理方法可能会带来明显的误差.本文针对该问题,提出一种基于等效源的总强度磁异常非线性处理方法;该方法根据总强度磁异常获取流程,直接反演实测地磁场总强度幅值与正常场强度幅值之差来求取等效场源.本文首先通过模型试验,分析ΔT1与ΔT2的差异;然后将ΔT1当作ΔT2采用常规处理方法以及ΔT1采用新方法得到的结果作对比分析,结果表明新方法处理结果与理论值的差异为常规方法处理结果的1/5甚至更小,充分说明了新方法的有效性;最后将该方法应用于铁矿实测总强度磁异常处理实例中来转换计算磁异常总模量,其实际应用效果进一步体现了高幅值总强度磁异常数据处理过程中采用新方法的必要性.

利用 Landsat8 分析冬克玛底冰川表面反照率时空变化

冰川表面反照率是连接冰川表面能量与物质平衡的纽带,决定冰川物质消融量。本文利用2013—2020年获取的96景Landsat8 OLI多光谱遥感影像,基于地形纠正、大气校正和反射率转换为反照率的方法,反演唐古拉山冬克玛底冰川的时间序列反照率结果。研究表明:①冰川表面反照率与海拔高度存在明显的相关性,反照率随着海拔高度的增加而逐渐增大;②2013—2020年冬克玛底冰川表面反照率呈现微弱下降的趋势,速率为-0.0004/10 a。结合该地区同时期气象站观测的气温和降水数据分析,冬克玛底冰川表面反照率的下降主要由气温上升引起(冰川表面反照率与温度呈负相关关系)。此外,受到气温和降水的共同影响,冬克玛底冰川表面反照率的年内变化特征为:1月—8月持续下降,9月—12月迅速上升。

加速度计移植误差来源及对重力场建模影响分析

星载加速度计是低低卫星跟踪卫星技术探测地球重力场的核心载荷,由于加速度计载荷设计复杂且精细度要求高,GRACE和GRACE Follow-On等低低卫星跟踪卫星均存在仅有单加速度计工作的情况,为保障重力卫星任务顺利实施,须要在单加速度计观测条件下完成数据移植工作,现阶段尚无关于加速度计移植算法误差来源的研究.这里详细分析了移植算法的噪声来源,并评估了移植误差对重力场建模精度的影响.结果表明:移植误差主要来源于双星重复飞行的位置差异、姿态差异、时间延迟和卫星自身参数误差;当移植误差小于1×10^(-9)m/s2时,地球重力场的反演精度与双加速度计同时工作时的反演精度差异较小,对应需求为双星重复飞行的位置差异小于1000 m、姿态差异小于1°.

嫦娥四号中继星4.2 m天线在轨指向标定

本文主要论述了采用天马65 m射电望远镜对嫦娥四号中继星4.2 m天线进行在轨指向标定.先介绍了标定空间天线指向的方案,接着论证了方法的可行性,主要描述了天马射电望远镜天线的性能优势、天线扫描方法和注意点等方面,并采用射电源和卫星验证了接收系统的稳定性,然后对测量过程中采用的解算方法进行了详细的描述,最后给出了多次实测的结果.结果表明,采用天马射电望远镜可以有效标定空间天线的指向,标定误差好于0.05°.该方法的成功实践为今后空间天线的在轨指向标定提供了经验借鉴.