1、第51卷 第3期2023 年 3 月华 中 科 技 大 学 学 报（自 然 科 学 版）J.Huazhong Univ.of Sci.&Tech.(Natural Science Edition)Vol.51 No.3Mar.2023基于卫星测高的孟加拉湾海洋时变重力研究郭金运1 朱风顺1 刘新1 常晓涛2(1山东科技大学测绘与空间信息学院，山东 青岛 266590；2自然资源部国土卫星遥感应用中心，北京100048)摘要 针对GRACE卫星仅能探测到大空间尺度的重力变化，提出利用卫星测高数据反演高空间分辨率的海洋时变重力首先将CryoSat-2卫星测高数据按月分组，基于每组海面高数据计算沿轨
2、剩余大地水准面梯度和格网剩余垂线偏差，然后利用逆Vening-Meinesz公式反演月重力异常，最后基于全部月重力异常数据计算格网大小为3的CryoSat-2时变重力以孟加拉湾及其周边海域为例，在2011年2月2020年4月间，CryoSat-2时变重力的周年振幅和周年相位分别为(0.100.03)Gal和98.840.43，同期GRACE数据的周年振幅和周年相位分别为(0.660.05)Gal和 93.520.08，两者的周年信号基本一致；CryoSat-2和 GRACE时变重力的线性趋势分别为(0.020.01)和(0.090.01)Gal/a，均表现为增长结果表明：33格网的CryoSa
3、t-2时变重力能够反映出研究海域重力变化的季节性信号和长期趋势，验证了利用卫星测高数据反演高空间分辨率海洋时变重力的可行性关键词 卫星测高；CryoSat-2；时变重力；孟加拉湾；逆Vening-Meinesz公式；月重力异常中图分类号 P228.3 文献标志码 A 文章编号 1671-4512(2023)03-0085-07Time-varying marine gravity of Bay of Bengal derived from CryoSat-2 altimetry dataGUO Jinyun1 ZHU Fengshun1 LIU Xin1 CHANG Xiaotao2(1Col
4、lege of Geodesy and Geomatics，Shandong University of Science and Technology，Qingdao 266590，Shandong China；2Land Satellite Remote Sensing Application Center of MNR，Beijing 100048，China)Abstract Aiming at the GRACE satellites can only detect gravity variation at a large spatial scale，using altimetry d
5、ata to derive high spatial resolution time-varying marine gravity was proposedFirstly，the CryoSat-2 altimetry data were grouped by month，and the residual along-track geoid gradients and gridded deflections of the vertical were calculated based on each group of sea surface heightsThen the inverse Ven
6、ing-Meinesz formula was used to derive monthly gravity anomalies dataFinally，the CryoSat-2 time-varying gravity with a grid size of 3 were calculated based on all monthly gravity anomalies dataThe Bay of Bengal and adjoining areas was selected as the study area，from February 2011 to April 2020，the a
7、nnual amplitude and annual phase of CryoSat-2 time-varying gravity are(0.100.03)Gal and 98.840.43，the GRACE data for the same period are(0.660.05)Gal and 93.520.08，which show that their annual signals are consistentIn addition，the linear trend of CryoSat-2 and GRACE time-varying gravity is(0.020.01)
8、and(0.090.01)Gal/year，both of which show growthThe results show that the CryoSat-2 time-varying gravity data with a grid size of 3 can reflect the seasonal signals and long-term trend in the study area，the feasibility of deriving high spatial resolution time-varying marine gravity from altimetry dat
9、a is verifiedKey words satellite altimetry；CryoSat-2；time-varying gravity；bay of bengal；inverse Vening-Meinesz formula；monthly gravity anomaliesDOI：10.13245/j.hust.230304收稿日期 2021-11-23作者简介 郭金运(1969-)，男，教授，E-mail：基金项目 国家自然科学基金资助项目(42174041，41774001)；国家测绘自主可控专项(816-517)；山东科技大学科研创新团队支持计划资助项目(2014TDJH1
10、01)华 中 科 技 大 学 学 报（自 然 科 学 版）第 51 卷地球重力场是由地球系统质量决定的，反映了地球物质的空间分布1地球内部物质运动、水循环、大气运动等许多自然物理现象会引起地球质量的迁移，使地球重力场处于不断的变动中地球约71%被海洋所覆盖，研究海洋时变重力对于研究全球气候变化、地幔物质物理化学变化和地壳及岩石圈的变动等具有重要意义GRACE(Gravity Recovery and Climate Experiment)卫星实现了对地球重力场的重复测量2但 GRACE卫星对地球重力场高频信号敏感性较弱，无法恢复较高阶的地球时变重力场模型3GRACE 时变重力数据的空间分辨率约
11、为 400 km4，数据在空间域存在着南北条带误差，须要通过滤波方法予以削弱5，会进一步降低GRACE时变重力数据的空间分辨率随着卫星测高技术不断发展，特别是测高精度和数据分辨率的提高，为海洋重力异常6和平均海平面7等的研究提供了有效的数据支撑卫星测高数据中含有丰富的高频信息，国内外学者使用卫星测高技术获得的海面高数据和垂线偏差数据，再利用最小二乘配置(least squares collocation，LSC)、逆斯托克斯公式、拉普拉斯方程和逆 Vening-Meinesz(IVM)公式等方法解算静态的海洋重力异常8-9卫星测高数据不仅被用来研究静态的海洋重力异常、平均海平面和海底地形，还被
12、用来研究动态的海平面变化信息10，进而研究全球气候变化，但目前还没有利用卫星测高数据反演时变重力的相关研究CryoSat-2卫星测高数据以其较高的分辨率和测量精度，在建立全球或区域重力场模型11中发挥着重大的作用目前，CryoSat-2卫星已持续观测并收集了十多年的测高数据，为研究海洋时变重力提供了数据条件孟加拉湾位于亚欧板块和印度洋板块交界处，地质活动比较活跃，研究孟加拉湾及其周边海域的时变重力，有助于该区域板块构造运动和深海扇系统等研究工作的开展为利用卫星测高数据研究高空间分辨率的海洋时变重力，选用 2010 年 2 月2020 年 4 月间的CryoSat-2卫星测高数据，反演孟加拉湾及
13、其周边海域的时变重力，利用GRACE时变重力数据检验其反演效果，并在周年信号和线性趋势上，对研究海域的CryoSat-2时变重力进行了分析1 研究区与数据 1.1孟加拉湾及其周边海域选取孟加拉湾及其周边海域作为研究区，地理位置在80100E，023N之间研究海域内有安达曼-尼科巴群岛、斯里兰卡岛和苏门答腊岛，海底地形也比较复杂，有印尼海沟、无底峡谷、恒河峡谷、孟加拉盆地、克里希纳-戈达瓦斯盆地和科罗曼德尔盆地等研究区东部海域位于亚欧板块和印度洋板块交界处12，地质构造活动比较活跃1.2Cryosat-2卫星测高数据使用 AVISO(Archiving，Validationand Interpr
14、etation of Satellite Oceanographic)发布的 3.0 版本的Cryosat-2沿轨海面高(sea surface height，SSH)数据，该数据存储在采样频率为1 Hz的L2p(Level 2 plus)产品中，数据采用的参考椭球为WGS-84参考椭球L2p产品数据已针对仪器误差、环境扰动、海况偏差、潮汐影响和大气压力进行了校正13利用CryoSat-2卫星测高数据研究孟加拉湾及其周边海域的时变重力，故将 2011年 2月到 2020年4月间的沿轨SSH数据按月划分成了111组每个月约有25条上升轨迹和25条下降轨迹通过研究海域，共计约1.4104个数据由于
15、执行大地测量任务的CryoSat-2卫星轨道是漂移的，因此每月的观测轨迹并不是有规律的重复，使得不同月份间的测高数据在空间分布上存在着差异1.3稳态海面地形数据全球稳态海面地形是卫星测高的关键参考面，测高获得的海面高扣除稳态海面地形值可以得到大地水准面高CNES(Centre National dEtudes Spatiales)发布了格网分辨率为7.5 的全球稳态海面地形模型CNES_CLS18该模型由GOCO05S大地水准面高模型和 CNES_CLS15 平均海面高模型解算得到14，其中GOCO05S大地水准面高模型使用了完整的GOCE任务数据和10.5 a的GRACE任务数据CNES_C
16、LS18还综合使用了25 a测高数据、温盐数据、浮标数据和水文模型等数据1.4参考重力场模型在反演月重力异常时使用了移去-恢复法，因此 需 要 选 择 一 个 高 精 度 的 参 考 重 力 场 模 型 XGM2019e 是一个组合的全球重力场模型，由NGA(National Geospatial-Intelligence Agency)发布，该模型的数据源主要包括GOCO06S重力场模型和NGA 编 制 的 地 面 重 力 格 网 数 据 一 般 认 为，XGM2019e模型在海洋上的性能更佳，并且独立于现有的高分辨率重力场模型15采用 XGM2019e_2159作为参考重力场模型，该模型中球谐系数的阶次完全展开至2 159，阶数扩展至2 190，是目前最新的重力场模型之一86第 3 期郭金运，等：基于卫星测高的孟加拉湾海洋时变重力研究1.5船载重力异常数据船载测量受海面地形影响较小，通常用于测量区域的重力异常，也被用于检验基于卫星测高数据反演的重力异常使用 NCEI(National Centers for Environment Information)提供的船载重力异常来研究反
