[发明专利]联合GRACE和GNSS的局部地表质量变化反演方法及系统

说明书

本发明提供一种联合GRACE和GNSS的局部地表质量变化反演方法及系统，包括获取由局部地表质量变化引起的GRACE星间重力位差和GNSS垂直位移观测值；根据牛顿万有引力定律建立局部地表质量变化与GRACE星间重力位差之间的观测方程，得到相应法方程；根据质量负荷的格林函数理论建立局部地表质量变化与GNSS垂直位移之间的观测方程，得到相应法方程；根据最小二乘联合平差反演局部地表质量变化，包括根据法方程结合先验信息方程形成GRACE和GNSS联合反演模型，然后给定两类观测值噪声方差以及正则化参数初始值，利用方差分量估计通过迭代计算确定最优权比，得到联合反演的局部地表质量变化。本发明提高了局部地表质量变化反演的精细度和可靠性。

技术领域

本发明涉及联合空间大地测量观测数据反演局部地表质量变化的方法，特别涉及一种联合GRACE星间重力位差和GNSS垂直形变数据反演精细局部地表质量的方法及系统。

背景技术

地表质量变化主要包括陆地水储量变化、极地冰盖和山岳冰川融化、大气压变化、海洋质量变化以及和固体地球物理现象相关的其他质量变化现象。这些全球或局部的地表质量迁移与重新分布，不仅会引起地球重力场的改变，还会导致固体地球表面产生形变。因此，通过观测地球重力场和地球形变场的时空变化可以推演和监测地球系统的物质迁移和交换过程，并且获取时变重力场与形变场的精细程度越高，其包含的地球系统物质迁移信息则越丰富，这对大地测量学、固体地球物理学、地球动力学、海洋学、冰川学以及全球环境变化等研究都具有十分重要的物理意义^[1-3]。

近年来，卫星重力测量技术的实现，特别是美德联合实施的GRACE计划，为准实时获取全球高精度时变重力场进而反演地表质量变化提供了新途径。不同于传统的重力探测技术，GRACE能够获取全球高精度、均匀覆盖的月时变重力场，可在季节时间尺度上以1cm等效水高精度、400km空间分辨率提供地表质量变化信息^[2]，实现了定量揭示全球环境变化导致地表质量迁移的里程碑式突破。尽管GRACE卫星重力测量已经证明了以前所未有的精度测量与陆地水文循环、冰川融化、海平面变化、地震和人类活动相关的大规模质量变化的巨大潜力，但其仍然存在很大的局限性：①GRACE球谐系数的截断以及需要进行空间滤波和平滑处理以抑制高频和南北条带噪声的过程会导致信号泄漏，进而降低了GRACE反演地表质量变化的空间分辨率(～300–500km)^[4]；②GRACE低阶球谐系数的不确定性相对较大，特别是二阶带谐项C₂₀，需要利用诸如卫星激光测距(SLR)的其他大地测量反演结果来代替^[5]；③2016年8月之后，GRACE观测数据质量下降，影响了GRACE反演地表质量变化的准确性；④GRACE和其继任者GRACE Follow-On(GFO)之间大约有一年的数据间隔，GRACE/GFO数据的不连续性影响了其科学解释和应用。

由于地球质量重新分布导致的地表形变能够被GNSS以毫米级精度连续地观测，因此可以利用GNSS负荷形变资料独立地反演地表质量变化^[1,6]。自从Blewitt等(2001)提出地表负荷反演方法以来，利用GNSS地表形变数据反演的地表质量变化一直是全球和区域尺度上GRACE/GFO观测结果的补充^[1,7]。相较于GRACE/GFO，GNSS有如下优势：①GNSS网络在全球范围内分布广泛，并且可以以mm级的精度和较高的时空分辨率近乎实时地获取观测数据；②GNSS地表形变(特别是垂直位移)，对局部(～10km)和区域质量负荷的变化更为敏感，通过密集的GNSS观测网络反演的局部地表质量变化的空间分辨率可以达到～50km^[8-9]；③利用密集的GNSS观测资料还能以更高的时空分辨率反演局部地表质量变化，有助于研究局部短时间尺度的地球动力学过程。但受限于自然条件和地区经济发展的影响，GNSS测站分布数量仍然相对有限，在广阔的海洋区域和自然环境恶劣的地区难以布设GNSS站点，或者在经济落后的国家或地区难以支撑高昂的站点布设与管理费用等，这些因素都制约了GNSS技术的进一步应用。