地表物质分布与时变重力场非线性变化的综合研究

Current international researches about the surface mass re-distribution and time-variable gravitational field primarily focuse on the secular and seasonal time scales. On the decadal time scale, in particular for the nonlinear changes, there is no systematic and comprehensive investigation yet. Combining data from geophysical models, high-precision observations of space geodetic techniques (SLR, GRACE, GPS, DORIS) and Earth Orientation Parameter (EOP) measurements, this project will conduct in-depth and multi-viewangle study on the decadal variations of the low-order gravity fields, focusing on its nonlinear variations. Based on the study, this project aims to find the geophysical background and mechanisms for the decadal and nonlinear vatriations of the gravitational field and its coherent relation with the surface mass re-distribution. Meanwhile we will quantify the impact of the un-estimated high-order terms of the Earth's gravity field, on the estimated low-order gravity coefficients. This study imposes important theoretical and practical contributions on the researches of gravitational field, astro-geodynamics, and interaction among various layers of the Earth system.

目前国内外对于地表物质分布和时变重力场的研究集中于长期变化和季节变化，对十年时间尺度的变化，特别是非线性变化还没有开展系统全面的研究。本课题将综合多年全面的地球物理资料、空间观测技术（SLR、GPS、GRACE和DORIS）的高精度结果以及地球定向参数（EOP）数据对于低阶重力场开展综合研究，尤其是对非线性变化开展全方位，多维度的深入研究，弄清其地球物理背景和机制，同时对于地球重力场高阶项对于观测值解出的低阶项系数的影响进行定量估计。该研究对于地球重力场、天文地球动力学和地球系统圈层间相互作用的中长期变化等领域具有重要的理论意义和应用价值。

本课题利用最新的地球物理资料（大气、海洋、雪、土壤湿度、冰川和海平面变化等），结合空间观测技术（SLR、GPS、GRACE）的结果研究地表物质分布变化引起的地球时变重力场，特别是低阶项（C00、C10、C11、S11、C21、S21、C22和S22）以及相应的地球定向参数（EOP）和地心运动的变化，尤其是年际时间尺度下的非线性变化。.时变重力场的一阶项与地心运动，二阶项与地球自转紧密相联。本课题研究结果表明地表物质分布变化引起的重力场一阶项的年际非线性变化可以解释约42%地球参考框架ITRF2000和ITRF2005的原点差异，有真实的物理背景，首次挑战了国际上认为来自观测误差的解释。我们还把研究工作扩展到与二阶重力场有关的地球定向参数（EOP）的研究，采用最小二乘结合自回归模型方法，较高精度地预报了不同时间跨度的地球定向参数（EOP）。.地球时变重力场高阶项联系区域性地表形变。课题组成员从理论上讨论了地表和地壳内部物质分布与地表形变和重力场变化的不同相关性，解释了GRACE卫星重力场观测推算的与GPS观测到的周年垂向形变的差异，指出了现有的国际上重力场观测推算地表形变公式不适用地壳内部物质分布变化，如地下水，必须加以区分；首次利用GNSS的地表速度场支持了由重力、地热、地震、地貌观测总结出的MCC模型，提出了约束Mendocino区域的板片窗移动方向的方案。此外，本课题还研究了掺杂在地形变观测中的非重力源机制，把热弹性形变由半无限空间地球模型扩展到球对称分层地球模型，首次给出了严格的在地心静止约束下地表温度场引起的热弹性形变理论公式，并得了到该模型下周年温度变化产生的全球地表形变和对中国陆态网GPS台站位移的影响。.在本课题研究工作进行的四年间，各项工作均按计划顺利开展，课题组成员共参加国内外会议26次，口头报告20次，发表了 9篇研究论文（ SCI 论文 7 篇，此外课题组还有一篇SCI文章基金代码错写成11371037没有计入，但任应属于本课题研究成果），还有若干篇正在撰写中，预计年内发表。