利用地心运动及低阶时变重力场的新估计研究地球物质迁移

Geocenter variation, defined as the motion of the center of mass (CM) of the Earth relative to its center of figure (CF), is arguably controversial in both its determination and the theoretical treatment at the secular component. There has been plausible evidence that the Earth’s recent accelerated ice melt, in particular, from the northern hemisphere ice reservoirs, has induced an observable geocenter Z-component motion which had affected International Terrestrial Reference Frame (ITRF) realizations. Both the secular geocenter component and the low-degree temporal gravity field coefficients, in particular, C20, have a significant impact on for Antarctic and Greenland ice-sheet mass balance estimates. However, at present the GRACE solution of C20 is relatively poor, and it has to be replaced by an independent solution using satellite laser ranging. ..We propose to study and quantify the present-day interactions between Earth’s ice reservoirs, sea-level, solid Earth, and hydrosphere, manifest in Earth’s geocenter and low-degree gravitational changes, which represents the largest scale mass transports within the Earth system, 1992–2018. Specifically, our scientific objectives include: (1) formulating a theoretically robust formalism and technically viable approach to use GRACE and SWARM data, SLR satellites, and satellite radar altimetry to estimate past, present and future present-day mass change (PMC) component of the geocenter motion, including its secular trends; (2) to study the constraint on degree 1 GIA processes, assessing the implication of a measurable geocenter secular motion on the stability of the ITRF, and its impact on GRACE ice-sheet mass balance estimates; (3) developing improved energy conservation approach for GRACE KBR (disturbance potential observables), and individual GNSS-tracked satellites (GRACE and SWARM) with accelerometers, SLR tracking and satellite altimetry data, to investigate improved C20 estimates in a joint solution for GRACE KBR monthly gravity solutions; (4) to implement the energy conservation method to use 3-satellite SWARM GNSS tracking and its formation-flying GNSS inter-satellite ranging data to estimate low-degree (~degree 10) temporal gravity field solutions; and (5) to conduct a study of large-scale mass transports associated with the Earth’s geocenter and temporal gravity field with varying spatial resolutions.

为了更好地研究地球系统中的大尺度物质迁移，包括冰盖、海平面、固体地球、水汽圈之间的物质交换，本研究提出联合多种空间大地测量技术测量地心长期运动以及低阶时变重力场，研究跨度为1992年到2018年。具体研究内容包括：1. 从理论和观测两方面着手，联合卫星重力、雷达测高、GNSS、激光测距等多种技术手段研究地心的长期运动，尤其是源于当前质量变化的成分；2. 将得到的地心长期运动时间序列用于研究地球物理现象，包括GIA过程、ITRF的长期稳定性、以及冰盖质量平衡估计等；3. 利用改进的能量法联合GRACE、SWARM、测高、SLR等，研究地球重力场二阶球系数变化；4. 利用改进的能量法研究SWARM卫星对于精化低阶重力场（10阶左右）变化的贡献；5. 结合所得到的地心运动时间序列以及时变重力场时间序列，研究不同空间分辨率下的地球物质大尺度迁移。

为了更好地研究地球系统中的大尺度物质迁移，包括冰盖、海平面、固体地球、水汽圈之间的物质交换，本研究提出联合多种空间大地测量技术测量地心长期运动以及低阶时变重力场，研究跨度为2002年到2020年。由于GRACE双卫星任务已于2017年7月份结束，虽然GRACE Follow-On（FO）双卫星任务已于2018年5月份发射升空。GRACE-FO 自2018年中开始运营和运作，但是其中之一GRACE-FO卫星上之加速度计不起作用, 从而降低了重力解的精度. 此外，GRACE和GRACE-FO产品之间有大约一年以上.的数据间断。本研究使用了欧空局 (ESA) 的Swarm三星任务 (于2013年11月发射) 卫星跟踪数据，成功反演了可行的低阶时变地球重力场，证明了有效填补GRACE和GRACE-FO之间的数据间断，及实现了对全球大尺度物质迁移的连续监测。我们使用每日采样的Swarm重力反演数据来增强突变的天气或飓风信号，以研究其演变和登陆。这里, 我们研究Swarm检测2017年大西洋飓风Harvey (哈维) 登陆信号的可行性。我们初步研究结果表明，2017年8月25日至2017年9月1日，低阶Swarm重力场反转的每日采样EWH（等效水高）大致记录了2017年大西洋飓风Harvey在美国德克萨斯州休斯顿登陆的演变。我们使用一种新颖的方法研究现今地球中心长期运动, 和相应的质量变化反演。使用卫星高度计和GRACE测量数据反演解进行的地心现今质量变化估计, 2002–2018,与预测的地心现今质量运动大致相同. 这科学发现对海平面测量及大尺度物质的迁移科学研究具有重要意义。地球地心的持续长期运动，特别是由于质量变化不平衡而导致的当今质量趋势，在气候日趋温暖的情况下，地球的冰层储层影响了全球海平面变化的估计值，国际地面参考框架（ITRF）实现等。 ITRF的准确性会影响导航，地球动力学和地震, 以及其他地球科学研究。与卫星大地测量和气候变化相比，通过使用Swarm 三星高-低 (GPS-Swarm）GPS跟踪数据来使用低阶时变重力场估计的能力, 我们的研究成果有望激发更广泛的跨学科的地球科学研究, 包括大地测量, 地球大尺度物质的迁移, 和气候变化。