GRACE时变重力数据球谐域滤波方法与质量分布反演应用研究
空间科学和卫星测量技术的日趋成熟，为测定地球重力场提供了一种全新的测量手段。自本世纪初开始，美国和欧洲的一些发达国家相继实施了多个重力卫星计划，为精确测定地球重力场，描述地球动态物质流动，解释地球各圈层之间的动态变化提供了一种分辨率较高，监测范围广，不受地表环境因素影响的高精度测量方法，尤其GRACE卫星计划的成功实施，使得获取高精度的全球时变重力场模型成为了可能。在利用GRACE数据反演地球重力场的方法中，球谐系数法凭借其计算简单、计算量小的优点，成为了利用GRACE数据反演地球重力场和质量分布最常用的方法，但由于卫星轨道结构和测量误差的原因，该方法获取的全球势场分布具有严重的条带现象和高频误差，在实践中通常采用滤波的方法去除这些误差。经处理后的球谐系数可用来反演全球时变重力场，但滤波也会造成一定程度的信号泄漏现象。因此，本文对球谐系数的滤波方法、信号泄漏的改正方法以及区域应用展开了研究，主要研究内容和成果如下： (1)总结了GRACE球谐系数法数据处理的主要流程，分析了不同类型滤波方法的有效性，确定了最优空间平滑滤波和最优去相关滤波——半径300km的扇形滤波和CHAMBERS去相关滤波。 (2)基于传统DDK滤波的Tikhonov正则化思想，结合月值重力场球谐系数之间的时间相关性，构建了一种基于球谐系数时间和空间特征的时变DDK双参数正则化函数模型，整理和归纳了双参数正则化理论的递推解算方法。同时，采用广义交叉验证法确定最佳正则化参数组合，成功实现了时变DDK双参数正则化模型的构建和解算。数据处理结果表明，时变DDK滤波的信噪比大于全部现有单一滤波方法，相比传统DDK4滤波提升了5%。在和Mascon结果的对比研究中发现，时变DDK滤波的结果和Mascon解最为接近。 (3)在密西西比河流域的陆地水储量变化研究中，对比了两种泄漏改正方法在该流域内的效果，研究发现尺度因子法和正向建模恢复法的结果与GLDAS模拟结果的相关系数分别为0.90和0.88，都呈现出了极强的相关性；在空间域研究中，尺度因子法在密苏里河和阿肯色河的发源地与GLDAS模拟结果的相关性更好，表明尺度因子法的泄漏改正效果优于正向建模法。采用尺度因子法进行泄漏改正，并将结果应用于密西西比河流域的TWS变化分析，发现密西西比河流域的TWS变化趋势可分为三段，在2003-04～2005-07没有显著的变化趋势，在2005-08～2011-07呈现出1.04cm/a的上升趋势，在2011-08～2017-06呈现出0.51cm/a的上升趋势，变化趋势的中断是由2006年及2012年的高温天气和降水大幅减少造成的。在空间分布研究中发现，降水减少、温度上升和地下水的超采共同导致了TWS在美国堪萨斯州、德克萨斯州和俄克拉荷马州交界处出现了较大的下降趋势；而俄亥俄河流域的TWS下降主要是由径流减少引起的。 (4)在GRACE地震变化探测应用研究中发现，GRACE的精度满足探测出2007年9月发生于苏门答腊明古鲁省的8.4级地震的要求，成功探测出了该地震的同震重力变化，并估计了该地震的震前孕育时间和震后影响持续时间，分别为23个月和20个月；该区域地震多发的主要原因是受板块运动的影响，具有不同重力分布特征的区域之间往往以板块边界为区分，大型地震都发生在重力分布特征具有显著差异的两大块体中间的缓冲带上。
GRACE球谐系数法;质量分布反演;数据处理
中国矿业大学;中国矿业大学(江苏)
硕士
大地测量学与测量工程
常国宾
2023
中文
P223
2023-11-30（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）