随着对地观测技术的发展,利用卫星测高数据反演海洋重力场参数已成为当前获取海域重力场信息的主要手段之一。最新卫星测高反演重力异常成果的网格间距已经精细到1'x1',其精度也达到了 3~5mGal,虽然这样的精度水平还无法与海面船载重力测量相媲美,但其分布均匀同时覆盖全球海域的优良特性又是海面船载惠力测量难以企及的。将卫星测高重力的这一技术优势有效地应用于海洋重力场特征统计模型参数的计算和分析,以弥补海面船载重力测量的不足,是本专题研究后续研究的立足点。
本专题研究提出采用卫星测高重力异常替代实测重力开展海洋重力场特征参数计算和分析。具体使用的数据文件是由丹麦技术大学空间中心于2010年发布的DTU10模型(见下图),其数据网格大小为1'x1',在部分海区与海面船载重力测量对比的符合度达4mGal。该模型逼近实际重力场的空间分辨率虽然还达不到1'x1’这样高的水平,但它是目前表达全球尺度海洋重力场特征最好的模型之一。
除了DTU10以外,还有DTU13,下载地址都位于https://ftp.space.dtu.dk/pub/。
DTU10重力异常下载地址为:https://ftp.space.dtu.dk/pub/DTU10/1_MIN/DTU10GRA_1min.gra.gz
DTU13重力异常下载地址为:https://ftp.space.dtu.dk/pub/DTU13/1_MIN/DTU13GRA_1min.gra.gz
从我国相关部门执行年度测量任务获取的重力和水深测量成果中,挑选3个具有代表性的区块,其中,区块1水深变化在10~100m,区块2水深变化在100~1500m,区块3水深变化在3500~4500m三个区块的测量比例尺均不小于1:10万,重力测量精度优于1.5mGal。将它们与DTU10和ETOPO1(全球地形莫模型,下载地址为:https://www.ngdc.noaa.gov/mgg/global/relief/ETOPO1/tiled/)做对比,对比结果见下表。
从表中可以看出,DTU10模型逼近海面船载重力测量的精度优于3mGal,显示该模型具有较高的可靠性;ETOPO1模型逼近船测水深的符合度略低一些,这一结果可能与卫星测高在浅水区域的反演精度比较低有关。
区块1船测重力异常与卫星测高反演的对比图如下。
目前,由卫星测高数据反演海洋重力异常(或扰动)方法主要有5种:
(1)最小二乘配置法,属典型的传统方法,可结合多类数据求解出离散型或网格型的重力异常,但它需要预先确定各参量之间的协方差并解算大型矩阵。
(2)Slokes 公式逆运算法,根据Stokes原理进行逆运算,将大地水准面起伏恢复成重力异常。该方法可利用FFT计算,不需要全球积分即可快速给出网格型的重力异常,但可能引起计算结果的不稳定,特别是对于较小的网格。
(3)垂线偏差法,最早由Haxby提出,并经Sandwell等人的改进,逐渐成为目前国际较为流行的思想;
(4)Holine公式逆运算法,与方法(2)类似,但其求解的是扰动重力而非重力异常;
(5)直接求解法,基于物理大地测量的基本公式与Bruns公式,在波数域内利用FFT技术直接求取重力扰动。
根据布隆斯公式,扰动位T与大地水准面高N的关系式为:
N=T/γ
式中:γ表示大地水准面上的正常重力。
DTU10的计算公式如下:
MDT是指海面动态地形(Mean Dynamic Topography ),见下图。
参考文献
1、https://www.space.dtu.dk/english/research/scientific_data_and_models/global-marine-gravity-field-model
2、dtu10.pdf
3、Andersen_DTU13GRA.pdf
4、卫星测高数据的沿轨迹重力异常反演法及其应用_王海瑛2000年
5、https://baike.baidu.com/item/布隆斯公式
6、https://www.ngdc.noaa.gov/mgg/global/relief/ETOPO1/tiled/
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