三轴分层地球自转的章动、极移和日长变化研究

地球自转涉及大地测量学、地球物理学、天文学和地球动力学等多个学科，与地球系统物质迁移、地球动力学过程、地球环境及气候变化等密切相关，是建立和维持全球参考框架的基础。随着观测精度的提高以及科学研究及应用的需要，传统的旋转对称地球自转理论已显示出在某些方面的不足，建立高精度的三轴地球自转理论正是一个顺应技术不断更新、观测精度越来越高的具有挑战性的课题。本课题的主要研究内容：利用最新重力场模型以及地球自转观测数据确定地球及内外核的惯性矩张量，确定三轴分层地球参数；顾及三轴分层地球各圈层之间的耦合作用（包括电磁耦合、引力耦合和压力耦合），推导对应于三轴分层地球的Liouville方程，确定相应的自转本征模；确定三轴分层地球章动转换函数，建立三轴分层地球章动序列；确定三轴分层地球的极移转换函数，研究大气、海洋、陆地水以及内核晃动和超速旋转等动力学过程对极移和日长变化的影响。

随着现代卫星大地测量和地震波层析成像技术的发展，地球整体以及各圈层内部的物质横向不均匀性的重要性也逐渐为人们所认知。物质横向不均匀会使地球的两个赤道转动惯量不相等，也就是通常所说的三轴地球。深入研究三轴性对地球自转的影响，建立高精度的三轴地球自转理论，给出更接近实际的地球自转状态，可更好地把握地球自转规律，解释多种与地球自转相关的自然现象，并满足相关领域科学研究与实际工程应用的需要。本课题基于相关模型、公式和多源大地测量数据研究了三轴地球自转问题，主要的研究内容和成果如下：（1）基于全球重力场二阶球谐系数与地球主惯性矩的严密转换模型，利用GRACE时变重力场系列模型及SLR提供的低阶位系数，确定了时变地球主惯性矩及主惯性轴指向的变化规律，结果表明利用不同重力场模型计算的地球转动惯量的差异主要来自于冰后回弹等长期大规模质量迁移所带来的效应；依据地表密度模型CRUST2.0，估算了地壳各圈层对于地球整体赤道转动惯量差异的贡献，结果表明地壳的横向不均匀性的量级足以解释地球的三轴性，但贡献的符号相反，说明地球深部的贡献也不容忽视；（2）给出了适用于考虑地球整体三轴性的欧拉-刘伟尔动力学方程，并对其中的相关参量进行了讨论，给出了三轴两层地球自由核章动的解析公式；基于线性常微分方程组的解的理论，给出了适用于含复数糅变参量的欧拉-刘伟尔方程的本征模的求解公式，并指出本方程的四个特征值分别对应于两个主要本征模运动CW和FCN；研究了地幔的横向不均匀性对于地球的糅变参量的影响，并进一步研究了地幔横向不均匀性对于受迫章动的影响，表明地幔横向不均匀性对于受迫章动的影响在1μas；利用对应于三轴两层地球模型的欧拉-刘伟尔动力学方程，将地球周日受迫极移对于激发函数的响应表述为其对同频激发函数和反频激发函数的响应之和，结果表明三轴性使得地球的极移对于激发函数的响应不只限制于同频响应，还存在反频响应。（3）建立了三轴地球的频率依赖响应理论，导出了频率依赖的极移转换函数及相应的极移模型；系统研究了大气和海洋等质量迁移和运动导致的极移，结果表明，大气和海洋对极移的激发，在不同频段贡献不同；融合不同国际机构发布的地球物理流体模型建立了与极移观测更加吻合的新地球物理流体模型，并通过比较基于不同模型的地球物理激发与观测激发的周年项，验证了该模型及频率依赖响应极移理论的正确性。