gPhone 重力仪与 GRACE 观测的陆地水季节性重力变化对比.pdf

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1、地震地磁观测与研究第35卷第3／4期SEISM0L0GICALANDGE0MAGNETICVo1．35No．3／42014年8月0BSERVAT10NANDRESEARCHAug．2O14doi：10．3969／j．issn．1003—3246．2014．03／04．025gPhone重力仪与GRACE观测的陆地水季节性重力变化对比贾路路D王新胜D韩宇飞D李强D1)中国北京100036地壳运动监测工程研究中心2)中国武汉430077中国科学院测量与地球物理研究所大地测量与地球动力学国家重点实验室摘要利用中国大陆构造环境监测网络中张

2、家口、淮北、溧阳重力台的gPhone连续重力观测数据，经过Tsoft软件数据预处理、固体潮、海潮负荷、极移等主要潮汐信号的扣除、局部气压改正，以及分段拟合仪器漂移后，得到观测数据的非潮汐信号，该信号时间序列呈现明显的季节性，主要反映陆地水储量变化；在此基础上，将地面重力非潮汐信号的月均值与重力卫星GRACE的观测结果进行比较。结果发现，仪器观测较稳定的张家口站和淮北站，地面重力和卫星重力观测的季节性信号具有一定的一致性；而溧阳站两种观测的相关性较差，可能与仪器观测的稳定性及台站周边区域环境因素有关。关键词地面重力；gPhone；G

3、RACE；季节性信号；陆地水0引言随着观测手段的丰富和精度的提高，时变重力观测对诸如地球动力学和全球变化等地球科学的研究越来越重要。2002年发射的重力卫星GRACE(GravityRecoveryandClimateExperiment)能够以高精度高分辨率观测全球重力场的月变化，其数据被广泛应用于陆地水储量变化、极地冰盖质量变化、海平面变化等全球变化的研究。GRACE的总体观测精度在几百千米尺度上能够达到微伽(1l上Ga1—10m／s)量级(Swensonetal，2008)。地面台站连续重力观测主要分为超导重力数据(由超导重

4、力仪观测)和弹簧重力数据(如较新的gPhone重力仪数据)，其观测精度都能达到微伽量级。这为地面重力和卫星重力两种不同观测纪录的比较提供了可能性。在扣除固体潮、海潮负荷、大气负荷等已知因素后，地面重力和卫星重力剩余的非潮汐信号主要反映了陆地水的变化(Zerbinietal，2001)。Kang等(2011)利用gPhone观测的重力非潮汐信号与水文学模型的重力效应进行比较，显示了两者之间一定的相关性；周江存等(2009)利用超导重力数据和卫星重力数据对现有水文学模型进行验证；Hinderer等(2006)和Neumeyer等(20

5、06)比较了欧洲大陆超导重力、卫星重力的季节性重力变化，其数据时间序列存在良好的一致性；Crossley等(2012)、Neumeyer等(2008)以及Abe等(2012)利用经验正交函数，探测了超导重力和卫星重力GRACE的主要信号源。以上研究基本就观测更加稳定的超导重力数据和卫星重力GRACE数据的对比，且研究作者简介：贾路路(1984一)，男，博士，主要从事时变重力数据处理及其地学应用基金项目：国家自然科学基金(41204013，41304057)、地壳工程中心主任基金(2013)和大地测量与地球动力学国家重点实验室开放基

6、金(SKLGED2013-2—4一E)联合资助本文收到日期：2014一O6—02地震地磁观测与研究对其误差进行压制。需要注意的是，地面观测重力不仅能观测到质量变化引起的重力变化，还能反映地表质量负荷变化产生的弹性径向形变，以及因径向形变引起的质量重新分布所带来的重力变化；而GRACE观测的重力变化只反映质量变化的重力效应，不反映径向形变的效应(自由空气重力项)。所以，在卫星重力和地面重力比较时，需把由地表径向形变引起的重力变化重新加入卫星重力。考虑形变效应的卫星重力场表达式(Neumeyeretal，2006；Crossleyet

7、al，2012)为／maxnTl⋯aga(，)一∑7．O(z+1一笔lL)∑(cosm9+8Ssinmcp)f(cos0)(1)Z—Z～f0m一0其中，、为计算点的余纬和经度；G为万有引力常数；M为地球质量；a为地球平均半径；z和m为球谐函数的阶次，最大阶数z⋯一60；叫是高斯滤波系数(Wahretal，1998)，为了压制GRACE重力场系数的高阶误差而引入；k和h分别是与重力和垂直位移相关的负荷勒夫数，本文采用SNREI地球模型表面负荷勒夫数(汪汉胜等，1996)；oX7、8S为月重力场与平均重力场的球谐系数的差值；P(cos

8、0)为规格化的连带勒让德函数。根据公式(1)可以计算GRACE观测的各地面重力台站坐标点上的重力变化，以便与重力台站的观测结果进行对比。3gPhone与GRACE陆地水重力变化对比提取的地面重力观测非潮汐信号主要反映了陆地水质量的变化，可将此信号与