顾及地球频率依赖响应的极移理论及其在全球气象气候变化对极移激发作用中的应用

Due to mantle anelasticity, oceanic dissipation and quasi-fluid rheology, the Earth's responses to external perturbations are frequency-dependent and dissipative. Thus Love numbers are actually complex functions of frequency, while traditional polar motion theory treats them as real constants, which will inevitably give rise to discrepancies between theoretical predictions and observations. Therefore, it is necessary to overcome the "constant response assumption" in the traditional theory and develop a new theory to incorporate the effects of frequency-dependent responses. On the other hand, mass migrations and relative motions caused by changes in atmosphere, oceans and continental water are main causes of seasonal and intraseasonal polar motion. However, data qualities for those mass migrations and relative motions are significantly affected by the number and distribution of the observatories, the limitations in numerical simulation models as well as the violation of global mass conservation. High-accuracy polar motion observations and satellite time-variable gravity data can place strong constraints on those mass migrations and relative motions, and thus help to improve their accuracies and provide better understandings of them. Meteorological excitations of polar motion can be accurately quantified on the bases of the new polar motion theory and the refined atmospheric, oceanic and hydrological data for mass migrations and relative motions.

地幔滞弹性、海洋耗散性、地球的似流体形变及核幔耦合使地球对外部扰动的响应表现出较为明显的频率依赖性和耗散性，因此Love数应为频率的复函数，而传统地球极移理论不恰当地将Love数取为实常数，这必将导致理论预测与观测的不一致。有必要改进假定地球恒定响应的传统理论，研究顾及频率依赖响应的极移理论。另一方面，大气、海洋和陆地水的质量迁移和运动是季节性和亚季节性极移的主要激发源，但由于观测台站数量及分布的限制、相关数值模型的局限性及未考虑全球质量守恒等原因，不同机构发布的大气、海洋和陆地水模型数据存在较大误差。有必要利用高精度的极移观测数据和重力卫星数据（如GRACE、SLR数据）作为约束，融合不同机构模型数据以提高大气、海洋和陆地水数据精度，深入研究大气、海洋和陆地水质量迁移和运动规律。基于顾及频率依赖响应的极移理论及改进的大气、海洋和陆地水数据，可更为精准地确定全球气象气候变化对极移的影响。

传统极移理论假设海洋因地球自转产生的海洋极潮为平衡潮、假设Love数为常数及假设核幔完全解耦，其理论精度早已不能满足相关理论研究及科技应用需要。大气、海洋和陆地水变化导致的全球物质迁移和相对运动对极移具有重要贡献。然而，生成大气、海洋和陆地水数据的GCM模型不满足全球质量守恒，导致模型数据存在显著误差，有必要对这些模型的输出数据予以改正。综上，本课题的主要研究内容为建立高精度的极移理论和融合多源数据改进大气、海洋和陆地水模型数据。.对于建立高精度的极移理论方面，本课题组基于国际科技数据委员会发布的最新国际标准常数CODATA2014、分层地球模型MHB2000、高精度全球重力场模型EGM2008、EIGEN6C2等，建立了分层地球（包含地幔、液核和固态内核）的动力学形状参数模型；利用目前最精确的长短期海潮模型、海洋极潮模型，以及自行建立的地幔滞弹性模型、地球似流体形变模型，建立了频率依赖的Love数半理论模型，进而导出了频率依赖的极移转换函数，从观测激发和地球物理激发两方面建立和完善了自洽的、严密的、顾及地球频率依赖响应的极移理论；基于全球定位系统GPS三维位移场数据和超导重力数据，利用最优序列估计法OSE较好地提高的数据信噪比，得到了较前人研究更为可靠的Love数估值，验证了频率依赖的Love数半理论模型。.对于改进大气、海洋和陆地水模型数据方面，本课题组采用自行提出的频域最小差异法LDC，将GRACE/SLR时变重力数据融合到多种全球大气、海洋及陆地水模型数据中，得到了改进的大气、海洋及陆地水激发函数LDCge；基于顾及地球频率依赖响应的新极移理论，采用改进的LDCge激发函数计算了Chandler晃动的激发，有力的证实了大气、海洋和陆地水变化对Chandler晃动的主要激发机制；联合冰川均衡调整模型ICE-5G / ICE-6G和GRACE全球高精度地表质量迁移模型MASCON，采用积分法严密解算了60阶位系数的月重力位模型LDCgp（其中C20、C21和S21基于LDC日长激发和极移激发的质量项），有效而严密地解决了GRACE数据的条带问题。.综上，本课题组顺利完成了项目预定研究内容。