GRACE-GRACE-FO重力衛(wèi)星簡介

2022-08-18 20:44 作者:我是水怪的哥 0人讀過 | 我要投稿

提到GRACE重力衛(wèi)星，就不得不提到一篇經(jīng)典文獻(xiàn)：

Time?variability?of?the?Earth's?gravity?field:?Hydrological?and?oceanic?effects?and?their?possible?detection?using?GRACE

這篇文章在WOS中的被引頻次達(dá)到1399次（2022/8/18）,建議研究這個(gè)的精讀這一篇文獻(xiàn)。

我們所有的研究基礎(chǔ)，是將全球的質(zhì)量變化用等效水高的形式表示：

而GRACE正是通過得到一系列的C、S系數(shù)，代入上述公式，得到全球的質(zhì)量變化。下面我將介紹GRACE重力衛(wèi)星的基本情況。

GRACE 重力衛(wèi)星是美國國家航空航天局(NASA)與德國空間中心(GFZ)的合作項(xiàng)目，是觀測地球重力場變化的衛(wèi)星。通過其高精度時(shí)變重力場，人們能推測出地球表面質(zhì)量遷移的變化與分布。GRACE衛(wèi)星于2002年升空，直至2017年結(jié)束觀測使命。GRACE是指重力恢復(fù)與氣候?qū)嶒?yàn)。

GRACE 重力衛(wèi)星的測量原理可以通過圖 A說明，它包含兩個(gè)完全相同的衛(wèi) 星，彼此軌道上相距 220 公里，并且在距離地面 500 公里的軌道上運(yùn)行。兩顆衛(wèi)星之間的距離可利用K波段實(shí)時(shí)測量，同時(shí)兩顆衛(wèi)星上都搭載了高精度的加速度計(jì)來測量衛(wèi)星所受到的非保守力。每顆衛(wèi)星上還搭載了雙頻 GPS 接收機(jī)，從而可以通過 GPS 衛(wèi)星和地面 GPS 基站實(shí)時(shí)的確定GRACE 衛(wèi)星的位置。綜合以上信息就可以計(jì)算地球重力場的變化。GRACE 重力衛(wèi)星之后又發(fā)射了GRACE-FO重力衛(wèi)星，其測量原理與GRACE 基本上是一樣的，主要特點(diǎn)是它還搭載了激光測距儀 (圖 B)，目前還處于試驗(yàn)測試階段，如果能夠在未來幾代重力衛(wèi)星中應(yīng)用，這會(huì)使衛(wèi)星距離測量精度提高?20 倍。隨著各個(gè)方面測量精度的不斷提高，未來的GRACE 衛(wèi)星將可以探測地球表面上更小尺度的質(zhì)量變化。

目前主要有三家機(jī)構(gòu)發(fā)布GRACE 重力產(chǎn)品：美國德克薩斯大學(xué)空間研究中心 (CSR)，德國波茨坦地學(xué)中心 (GFZ) 和噴氣動(dòng)力實(shí)驗(yàn)室 (JPL)。GRACE 重力衛(wèi)星可以在國際地球模型中心下載 (http://icgem.gfz-potsdam.de/series)，GRACE-FO可以從美國國家航空航天局噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室網(wǎng)站下載 (https://podaac-tools.jpl.nasa.gov/drive/files/allData/gracefo/L2)。我們使用的是GRACE Level-2 的數(shù)據(jù)，即大地水準(zhǔn)面模型的球諧系數(shù)(GSM)。三家機(jī)構(gòu)都有 60 階和 96 階的球諧系數(shù)，但是高階部分誤差較大，所以我們一般使用 60 階的GSM。GSM 是GRACE 原始信號(hào)扣除了固體潮、海潮、極潮、非潮汐大氣和高頻海洋信號(hào)以后的信號(hào)，所以其反映的是地表及內(nèi)部質(zhì)量重新分布引起的時(shí)變重力信號(hào)。

低軌重力衛(wèi)星在測量地球重力場時(shí)會(huì)受到多種因素的影響，包括大氣，地球表面及地球內(nèi)部的質(zhì)量重新分布。由于所有的衛(wèi)星都會(huì)受到采樣的限制，為了得到一個(gè)合理的高分辨率的全球重力場，通常需要用一段時(shí)間內(nèi)積累的觀測數(shù)據(jù)來共同解算。GRACE 衛(wèi)星每次解算使用的積累觀測數(shù)據(jù)的時(shí)間范圍在 7 到 30 天之間。除了固體潮和海潮潮汐信號(hào)，還有大量的小于 30 天周期的非潮汐質(zhì)量變化信號(hào)發(fā)生在地球的表面，例如，不斷演化的天氣系統(tǒng)中，數(shù)百公里尺度的平均大氣流動(dòng)將會(huì)在中緯度地區(qū)的表面引起幾千帕的壓強(qiáng)變化；對流引起的強(qiáng)降雨會(huì)迅速的增加陸地水儲(chǔ)量；由氣旋壓力變化引起的風(fēng)將會(huì)引起海水質(zhì)量的重新分布，從而改變了海底的壓強(qiáng)。如果在計(jì)算地球重力場過程中忽略了高頻信號(hào)，將會(huì)導(dǎo)致高頻信號(hào)混疊在估算的時(shí)變重力信號(hào)中。這至少在一定程度上導(dǎo)致了所有 GRACE 重力場結(jié)果有系統(tǒng)經(jīng)向條紋現(xiàn)象。大氣和海洋去混疊Level-1B (AOD1B) 旨在提供一個(gè)基于模型 (海洋和大氣模型) 的數(shù)據(jù)集，該數(shù)據(jù)集描述了由大氣和海洋中的非潮汐質(zhì) 量變化引起的重力勢隨時(shí)間的變化。根據(jù) GRACE 解算的時(shí)間和方法，數(shù)據(jù)發(fā)布機(jī)構(gòu)提供了四種模型：全球大氣模型對應(yīng)的球諧系數(shù) (GAA)；海洋模型對應(yīng)的球諧系數(shù) (GAB)；全球大氣海洋模型對應(yīng)的球諧系數(shù) (GAC)；海洋范圍大氣海洋模型對應(yīng)的球諧系數(shù) (GAD)。在 GRACE 解算過程中把地球的質(zhì)心當(dāng)做坐標(biāo)的原點(diǎn)進(jìn)行求解，因此一階項(xiàng)自動(dòng) 為零，但是當(dāng)我們研究地表信號(hào)的時(shí)候，是以地球形狀的中心為坐標(biāo)原點(diǎn)，兩個(gè)中心之間有一定的距離，在這種情況下一階項(xiàng)就不一定為零，因此需要我們補(bǔ)充一階項(xiàng) (Chambers, 2006)。由于GRACE 重力衛(wèi)星運(yùn)行軌道的結(jié)構(gòu)，衛(wèi)星測量的二階項(xiàng)精度較差，所以二階項(xiàng) 也需要進(jìn)行改正。

下面展示一些常見的GRACE應(yīng)用：