GRACE数据的重力反演理论研究与新版模型解算

This proposal will study on the gravity inversion algorithm and compute the new Tongji-GRACE02 version static and time variable gravity field model.The main theoretical contributions are as follows: 1.Modifing the gravity inversion algorithm with inter satellite range rate measurements of the mean acceleration approach,and significantly improving the accuracy of gravity solution; 2.Introducing the corrections to observation errors of non-conservative acceleration and attitude measurements, and further completing the functional and stochastic model of computing gravity field with GRACE data; 3.Improving the short arc approach for capable of computing the satellite orbit and gravity field integrately. Based on the theoretical results of this proposal, the satelite gravimety analysis software will be further modified and computed the new Tongji-GRACE02 version gravity field model with the GRACE satellite data from January 2003 to December 2013,including one static model complete to degree and order 180 and a monthly model series complete to degree and order 90. And we will apply to the international center for global gravity model for publishing the Tongji-GRACE02 model on the website: http://icgem.gfz-potsdam.de/ICGEM/ to the gobal users, and our previous Tongji-GRACE01 model has already been published on this website. And the new Tongji-GRACE02 model will also be used for analyzing the ice mass change characteristics in Antarctic and Greenland, and the impacts to golbal sea level change.

本项目开展GRACE卫星数据的重力反演算法研究，并解算Tongji-GRACE02版本的静态与时变重力场模型。主要理论研究内容为：1.改进平均加速度法星间速度观测值的重力反演算法，显著提高其解算精度；2.引入非保守力加速度和姿态数据观测误差改正数，完善GRACE数据反演重力场的函数和随机模型；3.改进短弧边值法的解算模型，实现轨道和重力场联合解算。基于理论研究成果，进一步完善GRACE数据的重力反演软件；利用2003年1月至2013年12月的GRACE卫星观测数据，解算新版本Tongji-GRACE02模型，包括一个180阶次的静态重力场模型和一组90阶次的月时间分辨率时变重力场模型，并向国际全球重力场模型中心申请通过其网站向全球用户发布（旧版本Tongji-GRACE01已经发布）。并应用新版本的时变重力场模型分析南极和格林兰冰盖的质量变化特性及其对全球海平面变化的影响。

利用GRACE卫星数据研制的高精度、高时空分辨率的时变和静态全球重力场模型是GRACE卫星探测全球质量迁移变化的科学研究和预测、评估全球气候变化等灾害影响的基础。国际上新版重力场模型持续推出，GRACE官方于2018年公布了最新的RL06版模型。我国的GRACE型重力卫星计划的实施也需要研制相应的数据处理平台。.本项目研究GRACE卫星数据的重力反演理论方法，完善软件平台并解算新版静态与时变重力场模型。主要理论研究成果为：1.建立了以几何轨道为初值线性化的GRACE重力反演的平均加速度法解算模型，解算了同类方法中精度最高的Tongji_Acc RL01版时变重力场模型；2.引入非保守力和姿态观测误差的改正项，完善了GRACE数据重力反演的函数和随机模型；3.构建了校正非保守力观测值的新参数化方法，实现了6小时弧段长度GRACE重力反演的短弧边值法解算模型；建立了几何轨道为初值解算重力场和l精化轨道的联合平差模型；4. 基于严密的协方差传播的关系，完善了区域质量变化反演的点质量模型。基于理论成果完善了GRACE数据的重力反演软件平台，解算了60阶次、月时间分辨率的Tongji-GRACE02时变重力场模型（2003年1月至2012年12月）和180阶次的Tongji-GRACE02静态重力场模型，并通过国际全球重力场模型中心网站（http://icgem.gfz-potsdam.de/home）发布；中心网站全球6个地区的GNSS水准检核结果表明：Tongji-GRACE02静态重力场模型优于该网站发布的同类模型；此外，还研制了90阶次、月时间分辨率的Tongji-GRACE2018时变重力场模型（2002年4月至2016年12月），其信噪比明显高于RL05模型。用新版时变重力场模型分析了南极、格陵兰冰盖和青藏高原冰川的质量变化特性；确定了南极和格陵兰冰盖质量变化速率为-130 ± 25Gt/yr和-142.13 Gt/yr，青藏高原冰川融水导致高原湖泊水储量增加。.项目研究成果发表了11篇国际SCI论文，5篇EI论文和7篇其他核心刊物论文；参加了25人次国际会议（境外12人次）都作了口头或张贴报告，10人次国内学术会议；培养了4位博士和7位硕士毕业生，其中陈秋杰和李伟伟获得上海市优秀博士毕业生，陈秋杰还获得德国洪堡基金资助。