地球自转、时变重力场及其科学应用研究

地球自转、时变重力场及其科学应用研究

发布人：网站管理员 发布日期：2022-06-11 阅读次数：740

01 报告背景

       近几十年来，空间对地观测技术飞速发展。从空间大地测量学的角度，对地观测技术主要包括卫星多普勒定位技术(DORIS)、甚长基线干涉测量(VLBI)、全球导航定位系统(GNSS)、激光测距(SLR)、激光测月(LLR)、卫星测高(Altimetry)和重力卫星(CHAMP、GOCE、GRACE/GRACE Follow on)等对地观测技术，在获取全球表面和深部的时空信息方面发挥越来越重要的作用，为环境监测和地球系统科学研究提供了基础数据。

       2022年5月20日下午，由中山大学测绘科学与技术学院举办的“逸仙智绘论坛”第04期，在中山大学珠海校区海滨红楼2号107会议室以及腾讯线上会议成功举办。论坛邀请了台湾“中央”研究院地球科学研究所赵丰研究员作报告。报告题为“Earth Rotation, Time-Variable Gravity, and All That”。中山大学大地测量与导航团队冯伟教授主持了本次报告。报告从空间大地测量技术入手，介绍地球自转、地球重力场变化及其科学应用等研究工作。

02 人物介绍

       赵丰，台湾“中央”研究院地球科学研究所研究员。1973年获得台湾大学物理学学士学位，之后师从地球物理学家Freeman Gilbert, 于1981年在加州大学圣地亚哥分校Scripps海洋研究所获得地球物理学博士学位。NASA/GSFC荣誉地球物理学家，中国科学院爱因斯坦讲席教授，AGU Fellow、IAG Fellow，德国GFZ科学咨询委员会成员。曾任NASA/GSFC空间大地测量实验室主任，台湾“中央”大学地球科学院院长，台湾“中央”研究院地球科学研究所所长，AOGS学会主席。主要从事地球与行星物理学、全球地震学、地球自转和地球物理信号分析等方面的研究。已在Science(4)、Nature(2)、EPSL、 GRL和JGR等国际知名地学期刊发表论文170余篇。

03 报告内容简介

       赵丰老师的报告主要分为以下几个部分：空间大地测量学的发展历程、地球自转与时变重力场科学应用。

一、空间大地测量学（空间测地学）

       大地测量学（又称测地学）的三大支柱：地球形状、重力和地球自转。空间大地测量学采用的技术手段主要包括卫星多普勒定位技术(DORIS)、甚长基线干涉测量(VLBI)、全球导航定位系统(GNSS)、激光测距(SLR)、激光测月(LLR)、卫星测高(Altimetry)和高低、低低等卫卫跟踪模式重力卫星(CHAMP、GOCE、GRACE/GRACE Follow-On)等。

图1 测地学三大支柱、空间测地技术

二、地球自转

       地球自转是指地球围绕自转轴进行转动，以及自转轴在空间方向的变化。地球自转一圈为23小时56分04.09074秒，地球平均自转速度较为稳定，并随着时间的推移而长期缓慢变慢。由于地球自转在不断变化，因此定义了地球定向参数，主要分为岁差和章动、极移以及日长变化等。岁差和章动是由于地球受到太阳、月亮及其他行星引力作用，使其自转轴缓慢进动与摆动。极移是由于地球表面(如海潮、洋流)与内部(如地幔对流、地震)的物质运动，使地球自转轴在地球内部的位置不断变化造成。日长变化是由于地球自转速度不均匀，存在从日到年际时间尺度的多种周期和长期变化。

图2 测地学三大支柱、空间测地技术

图3（a）不同时间尺度的日长变化与（b）极移变化

三、地球重力场变化

（1）地球重力场

    地球重力场是表征重力在地球内部、表面或外部空间分布的一个物理场。类似于电场或磁场的空间分布，地球重力场的空间分布是不规则的。重力场分布取决于地球内部物质构成与分布，是地球内部密度结构的反映。此外，由于日月等天体引潮力、冰后回弹、地表至地核各个圈层动力学现象以及气候变化引起的大气、海洋、冰川和陆地水质量重新分布等，重力场会随时间变化。测定重力场空间分布及其时变特征是探索地球内部物质分布、运动和变化状态，了解地球系统动力学过程的重要方式之一。地球重力场的精确测量对大地测量、地球物理、防震减灾、环境变化监测、计量科学等具有重要科学意义；对海洋探测、资源勘探和国家安全等领域具有重大战略意义。地球重力场的研究是大地测量科学研究的核心问题，也是现代大地测量发展中最活跃的领域之一。

    GRACE卫星及其后续卫星GRACE Follow-On (GRACE-FO)所观测的重力场精度，较其之前的卫星提高约1000倍，大大提升了卫星重力技术在海洋学、水文学、冰川学和地球物理学等领域的科学应用范围。图4为地球静态重力场示意图。

图4 地球静态重力场示意图

（2）时变重力场

       地球重力场反映了地球物质的空间分布、运动和变化。地球系统的质量及其分布是随时间和空间不断变化的，质量的重新分布将导致不同时间尺度的地球重力场变化。稳态的质量分布决定了平均地球重力场信息，非稳态的质量重新分布导致了地球重力场的时变部分。

       图5为Tapley于2004年发表在《Science》杂志的GRACE结果。图中表示南美洲亚马逊流域在2003年相对平均重力场的变化，红色表示增加，蓝色表示下降，表明GRACE可以逐月观测到亚马逊流域的质量迁移现象。

       图6为GRACE获得的近十年全球重力异常变化趋势，描绘出了全球质量长期迁移变化趋势，红色表示持续重力增加，蓝色表示持续重力减小。GRACE为监测地球表面质量迁移提供了全新的视角。

图5 亚马逊流域2003年12个月重力场变化（以大地水准面形式表达）

图6 GRACE反演全球重力异常变化趋势(300 km Fan滤波)

04 结尾

       赵老师的演讲风格充满个人魅力，深入浅出，给听众留下了深刻印象。报告结束后，参会老师和同学与赵老师进行了长达一个小时的热烈讨论。该报告已在《遥感学报》B站空间发布[1]，欢迎大家收看回放。

图7 线上会议现场照片

版权声明

       报告会内容和视频获得赵丰老师授权发布。本文仅用于学术分享，转载请注明出处。部分图文若有侵权，请联系微信号:fengweiigg 删除或修改。

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