卫星重力梯度数据确定地球重力场的Slepian局部谱分析方法

在引入Slepian局部谱分析方法的基础上,详细分析Slepian函数的数学特性,采用Grünbaum算子提高Slepian方法求解的稳定性和效率,推导卫星重力梯度数据确定地球重力场的Slepian方法表达式。通过仿真分析,就Slepian方法在卫星重力梯度数据确定地球重力位模型中的应用和前景进行分析和讨论。研究表明,Slepian函数在整个球面和球带上具有双正交性,其频谱能量分布特性与卫星轨道的测量特点具有很好的一致性。Slepian低次项系数精度受到极空白影响很小,较之球谐系数低次项明显改善。Slepian方法对大地水准面空间分布恢复精度的直接贡献不明显。     

Slepian函数在月球局部重力场分析中的适用性分析

在分析Slepian函数数学性质的基础上,选取月球北极球冠区域为研究范围,结合CEGM02模型,研究Slepian函数在解算月球局部重力场和局部功率谱优缺点和适用范围。同时利用CEGM02、SGM150j、LP150Q、GRAIL660模型,分析不同模型的月球局部重力场-地形导纳及相关性。结果表明Slepian函数的局部正交特性在表达月球局部重力场方面有明显优势;由Slepian模型计算得到的局部重力场功率谱可信可靠带宽较大,但球冠边缘异常信号对谱分析结果高频部分带来较大不确定性;利用Slepian加窗的局部谱分析方法可以分析局部区域能量与全球的关系,但其谱分析结果可信可靠频段较窄,低阶段误差较大。4个重力场模型局部重力-地形导纳中低阶部分接近,高阶部分随阶次增大差距明显,可靠性降低。     

EGM 2008地球重力场模型在中国大陆适用性分析

分别利用我国大陆GPS水准实测高程异常和地面平均空间异常数据,对EGM 2008地球重力场模型进行外部精度测试,结果显示:①EGM 2008模型高程异常在我国大陆的总体精度为20 cm,华东华中地区12 cm,华北地区达到9 cm,西部地区为24 cm;②EGM 2008模型空间异常在我国大陆的总体精度为10.5 mGal(1 mGal=103cm/S2),且大大缩小了我国大陆重力场信息东西部地区的差距;③EGM 2008模型具有很高的精度.测试结果显示,EGM 2008模型在我国大陆的精度与在全球范围内的精度相当;④与WDM 94,DQM系列,EGM96相比,EGM 2008模型高程异常精度提高了3～5倍,比利用GRACE数据的IGG05b,EIGEN-5c模型提高了2倍以上,空间异常的改善程度更为突出.鉴于EGM 2008显著改善了我国大陆重力场东西部地区不平衡的现状,建议在EGM 2008模型的基础上,广泛整合我国各部门最新数据,构建与我国局部重力场最佳拟合的(超)高阶地球重力场模型,重新整体计算全国似大地水准面.     

中国大陆重力场变化及其引起的地球动力学特征

利用中国地壳运动观测网络1998-2000年间绝对重力和相对重力观测资料获得中国大陆重力场空间动态变化结果,分析研究了1998-2000年中国大陆重力场变化及其特征。     

融合多源重力数据构建局部高阶重力场模型

针对利用带限型径向基函数,融合航空和地面重力数据构建高阶地球重力场模型时,航空、地面重力数据的频谱信息不一致问题,该文提出残差与先验精度比较分析法,确定出了研究区域航空数据的最佳频谱范围.结果 表明:航空重力数据系统性偏差及其径向基函数展开阶次不当可分别导致±0.019m和±0.007 m的建模误差.基于此,构建了局部区域6000阶的径向基函数融合地球重力场模型CBFM2020.通过与GPS/水准数据比较,CBFM2020的精度比EGM2008、USGG2012以及仅由地面数据得到的重力场模型均有所提高.模型建立过程中航空重力数据未进行向下延拓,而是直接在原始高度与地面数据进行融合,可为局部地区高阶重力场模型的构建提供一定参考.     

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。     

利用Abel-Poisson径向基函数模型化局部重力场

多种类型高分辨率重力场数据的不断增加,使得在局部范围内精化重力场模型成为了可能。本文采用Abel-Poisson核将重力场量表示成有限个径向基函数线性求和的形式,对局部区域的多种重力场数据进行联合建模。为了提高运算速度,运用了基于自适应精化格网算法的最小均方根误差准则(RMS)来求解径向基函数平均带宽。以南海核心地区为例,联合两种不同类型、不同分辨率的重力场资料(大地水准面起伏6'×6'、重力异常2'×2'),构建了局部区域高分辨率的重力场模型。所建模型表示的重力场参量达到了2'×2'的分辨率,对原始的重力异常数据(2'×2')拟合的符合程度达到±0.8×10-5m/s2。结果表明,利用径向基函数方法进行局部重力场建模,避免了球谐函数建模收敛慢的问题,有效提高了模型表示重力场的分辨率。     

基于径向泰勒级数展开的月球表面磁场快速球谐解算方法

在利用球谐模型解算月球起伏表面的磁场时,传统算法计算效率较低且存在不稳定性,因此提出一种基于球谐分析的径向泰勒级数展开法.首先采用450阶次的月球内源磁场球谐模型在月表地形起伏剧烈的背面区域进行不同泰勒级数展开次数范围以及不同平均半径的解算精度实验,验证了所提方法的有效性,并且通过与传统算法的对比证明了所提方法具有更高...     

采用点质量模型方法反演中国大陆及周边地区陆地水储量变化

研究了反演区域陆地水储量变化的点质量模型方法,采用Tikhonov正则化方法解决了反演过程中参数估计病态问题。利用GRACE（gravity recovery and climate experiment）时变重力场模型数据,用点质量模型方法反演了中国大陆及其周边地区陆地水储量变化,将点质量模型反演结果与球谐系数法反演结果、GLDAS（global land data assimilation）水文模型数据进行了验证分析,并选取了4个特征点计算了陆地水储量变化时间序列。实验结果表明,由于点质量模型方法将研究区域内不同网格质量变化对地球重力场的影响分离开来,所得区域陆地水储量变化局部信号更明显,并且点质量模型方法反演结果与GLDAS水文模型数据相关性更强。     

中国大陆水平运动速度场的多面函数模型

根据1998~2009年的GPS基准站和重复观测资料,获得了1 041个点在2000中国大地坐标系下的速度,研究了利用多面函数建立速度场模型的关键问题：核函数的选择、平滑因子的确定以及结点的确定,并利用多面函数建立了覆盖中国大陆范围的分布均匀、有实用价值的中国地壳水平运动整体速度场。     

扰动重力梯度的球冠谐分析建模

从球冠谐理论出发,详细推导了球冠坐标系下扰动重力梯度的无奇异性计算公式。基于Tikhonov正则化方法,利用GOCE卫星实际观测数据解算局部重力场球冠谐模型。数值计算表明,基于扰动重力梯度的球冠谐分析建模方法能够有效地恢复局部重力场中的短波信号,与GO_CONS_GCF_2_DIR_R5模型的差异在±0.3×10~(-5) m/s~2水平。     

重力梯度张量的球谐分析

深入研究了利用卫星重力梯度数据确定地球重力场模型的球谐分析方法,导出了由重力梯度张量的球函数展开系数确定扰动位球谐系数的实用解算模型。模拟试算结果验证了本文算法的有效性和实用性。     

多源重力数据球冠谐模型抗差融合法

提出了一种基于球冠谐模型的抗差岭估计数据融合算法,并通过数值计算对算法的有效性进行验证。结果表明融合后的球冠谐模型不仅能够抵抗系数阵的病态性,而且能够有效地消除观测粗差的影响。最后就观测噪声大小对融合结果的影响进行了探讨。     

地壳垂直形变场逼近的球冠谐分析法

基于地壳垂直运动的均衡理论,讨论了球谐函数法用于区域地壳垂直形变场逼近时所存在的问题,提出并推导了球冠谐分析法逼近区域地壳垂直形变场的模型.并利用该模型对两个实际区域进行了试验,取得了良好的效果.     

极空白对三类重力梯度边值问题球谐分析解的影响分析

就极空白对三类重力梯度边值问题球谐分析解的影响进行了定性探讨和定量分析,结果表明,基于球面边界的垂直-垂直重力梯度边值问题球谐分析解的零次项、垂直-水平重力梯度边值问题球谐分析解的一次项、水平-水平重力梯度边值问题球谐分析解的二次项受极空白问题的影响最为显著。     

球谐函数变换快速计算扰动引力

在球谐函数变换基础上,利用新极下轨道的特殊性,在新坐标下引入Clenshaw求和计算轨道扰动引力。从理论上对比分析了传统方法、球谐函数变换方法和改进方法的计算速度和存储模型需要的物理空间。模拟试验分别采用3种方法计算了一段轨道的扰动引力,试验结果表明,改进的球谐函数变换方法比传统球谐函数变换方法计算速度可提高100倍,数据存储量仅占传统方法的3%。     

中国西部区域GRACE卫星重力变化

针对研究中国西部长期重力变化的问题,该文利用GRACE月重力场模型,基于Slepian变换构建中国西部区域局部重力场,并采用GIA和GLDAS等模型扣除相应误差,通过时间序列分析方法得到该区域2003—2013年卫星重力变化。结果表明,东天山呈现负重力变化,可能由区域冰川消融引起的;西天山的正重力变化,应与冰川小幅增加和构造运动引起的壳幔物质积累有关;青藏高原内陆正重力变化可能由区域地壳抬升、粘弹性地壳的构造应变以及壳幔物质的质量迁移与积累引起;青藏高原边界区域的负重力变化,应与冰川加速消融以及地下水抽取有关。Slepian方法较好地克服了滤波平滑处理带来的重力变化信号压制及细节平滑,可为中国西部的地壳运动、地震活动和气候变化等研究提供数据支撑。