论文部分内容阅读
随着空间对地观测技术的发展，尤其是卫星测高技术和重力测量技术的实现、空间大地测量技术与传统观测技术的结合、对地测量的多种模态和多参量的观测，积累了海量的物理和几何参量观测资料，如何从这些观测数据中充分地提取具有高精度、高时空分辨率、多变量等特征的有效信息，是当前研究和应用中迫切需要解决的问题之一。
本论文提出大地测量观测资料动态同化处理思想，从现代大地测量数据处理的角度阐释同化技术的思想原理和内涵，并在广义最小二乘框架下构造同化技术方法的目标泛函，使之适用于解决卫星测高与重力数据处理的相关问题。同时，本文还首次提出多源观测数据的干涉同化思想和多通道维纳滤波实现方案，并总结、归纳重力和卫星测高等静态数据综合处理方法，使卫星测高/重力数据同化理论更加系统、丰富和完整。在这些理论基础上，重点研究时变重力场的基本理论、卫星时变重力场建模理论和方法、动态同化系统设计以及在地球物理信号变化监测中的应用等内容，同时探讨卫星(时变)重力场和卫星测高在海洋动力学研究中的应用。
本文主要研究内容和取得进展有：
(1)归纳总结常用的对不同类型和不同空间分布的卫星测高和重力观测资料进行静态综合处理的原理和方法。详细介绍了张力样条插值方法、经典的最小二乘配置原理，重点讨论了配置核函数的多尺度特征和多尺度配置的思想、方法，并给出了详细的公式推导和计算流程。
(2)基于广义最小二乘准则推导出最优插值、变分等资料同化方法的目标泛函，详细探讨集合卡尔曼滤波同化原理和实现方案，系统地介绍多尺度卡尔曼滤波同化原理，并详细推导和完善了该方法的算法流程和相关公式。从现代测量数据处理的角度阐释同化技术方法的思想内涵和原理，为卫星测高与重力资料的动态同化处理提供理论基础。
(3)详细探讨时变重力场模型的基本理论和表达形式，提出构建有别于传统重力场模型的重力场时变(动态)模型的概念，并基于球谐系数形式的时变重力场模型构造新方法，建立了能够描述地球重力场在不同观测历元空间变化的动态理论模型。对根据时变重力信号反演地球表层物质重分布理论进行了深入分析，论证了二维时变重力反演解的唯一性。详细阐述根据时变重力场球谐模型(系数)反演地球表层质量分布的实现方法及相关公式，总结归纳时变重力场模型在地球物理研究和应用中的作用和意义。
(4)详细探讨卫星重力有效时变信号的提取方法和时变球谐系数的误差特征，提出干涉同化处理思想和球面多通道维纳滤波实现方案。目前国际上多家机构提供的不同版本GRACE时变重力场资料之间差异较大，且都存在较强的“条带”问题，本文通过“高斯-多通道维纳滤波”组合技术将干涉同化处理思想应用于处理这一问题，成功提取不同版本时变卫星重力资料中共同的有用信号，有效地压制了噪声信号。
(5)基于同化的GRACE卫星时变重力场资料，采用FFT谱分析和经验正交函数方法从频域和空域角度对卫星重力场的时空变化特征进行了详细分析。就全球区域来讲，重力场的时空变化主要表现在年际周期上，线性趋势变化比较明显，半年周期较小。分析结果还发现重力场半年周期变化与陆地河流的水系(盆地)分布存在很强的相关性(称之为重力场变化的“盆地效应”)，这是首次利用GRACE观测资料检测到这一现象。利用同化的GRACE时变重力资料成功检测到了南极冰川变化、苏门答腊大地震引起的质量重新分布和重力变化、三峡大坝蓄水前后库区质量异常变化等地球物理现象。
(6)基于重力场的时变特征建立了时变重力场模型，并对模型参数进行了相关统计检验。低阶次球谐系数的时变模型因子的显著水平明显高于高阶系数。构建了卫星测高和重力观测资料的动态同化系统框架，设计了基于集合卡尔曼滤波方法的资料动态同化系统。初步模拟试验表明，可有效同化依据不同观测技术获得的重力资料。
(7)在对卫星重力场和卫星测高海面高构造的稳态海面动力地形进行详细频谱特征分析的基础上，提出了海面动力地形的小波滤波方法，有效提取大洋环流(特别是强边界流)信息。应用多尺度卡尔曼滤波同化原理，将根据卫星重力/测高方法构造的海面动力地形大中尺度信息与根据海洋水文资料推算的海面动力地形高频信息同化处理，构造了新的稳态海面动力地形模型。基于同化稳态海面动力地形模型和Topex/Pedison(Jason-1)卫星沿轨迹海面异常资料，详细研究了东海黑潮PN断面处的时变特征，发现ENSO事件对东海黑潮影响非常明显。联合卫星重力和卫星测高研究了南极绕极流，两者结合可以弥补海洋水文资料的不足，具有较大的优越性。
通过本文研究表明，数据同化是卫星测高和重力观测资料综合利用的有效途径，它不仅可提高观测场(量)的有效性和真实性，而且有助于深入揭示观测场的特征及其变化规律。