近地空间环境的GNSS无线电掩星探测技术
摘要：从GPS/MET计划开始,基于GNSS的无线电掩星技术已成为一种强大的近地空间环境探测手段.截至到目前,已经有20多颗发射的低轨道卫星带GPS掩星接收机,其中COSMIC是首个专门用于掩星探测的卫星星座.这些掩星数据被广泛应用于气象预报、气候与全球变化研究、及空间天气监测和电离层研究.由于COSMIC的成功,相关合作单位目前正积极推动COSMIC-2计划,该计划将总共有12颗卫星,于2016年与2019年各发射6颗.COSMIC-2将携带一个高级的GNSS掩星接收机,它将接受GPS与GLONASS信号,并具备接受其他可获得信号源的能力（如中国北斗定位信号）,其每日观测的掩星数量将是COSMIC的4～6倍.同时COSMIC-2还将携带两个空间天气载荷,加强空间天气的监测能力.本文以COSMIC与COSMIC-2计划为主线,对掩星的发展历史、技术要点进行了简单介绍,并简要综述了COSMIC取得的部分科学成果,同时对未来包括技术发展和众多的掩星观测进行了展望.TC-1在近磁尾观测到地向流的偏转
摘要：使用TC-1卫星在2004年到2007年磁尾探测数据,将以往高速流的研究拓宽到较低的速度,统计分析其从-13.4RE到-5RE地心距离内的空间演化.研究发现：（1）在向着地球运动的过程中,地向流发生率在日地连线附近减小,但在晨昏两翼的发生率增加,且在黄昏侧的发生率最高;这表明地向流在运动到近地时向着晨昏两翼偏转.（2）越靠近地球,流速V和Vx越小,Vy和Vz的变化幅度较小并且具有明显的晨昏不对称性;所以地向流在近地运动过程中,不仅在晨昏方向上偏转,而且在南北方向上偏转.（3）地向流期间,等离子体密度整体偏小;但是随地心距离的减小,密度整体上逐步增加.（4）平行和垂直于磁场的流速具有明显的晨昏不对称性.在黎明侧的平行流速比黄昏侧大,在黄昏侧的垂直流速比黎明侧大.鉴于较大的垂直流速易触发与电流中断关系密切的不稳定性,我们推测电流中断更容易出现在黄昏侧.（5）除个别位置处的热压和磁压相当外,磁压在总压中一直占据主导地位.日地连线附近的总压较大,晨昏两翼处的总压相对较小;从而在晨昏向上产生较大的压力梯度,导致地向流在晨昏两翼偏转和发生率增大.在晨昏两翼,距离地球较近的位置处观测到了较小的压力;而在日地连线附近,距离地球较远的位置才可以观测到较小的压力;压力分布的这个统计特征说明过去事例研究中电流中断出现在不同的位置可能是由近地磁尾的压力分布造成的.利用COSMIC RO数据分析青藏高原平流层重力波活动特征
摘要：本文利用2006年5月至2013年4月COSMIC干温廓线数据,提取了青藏高原地区大气重力波势能,以此研究了青藏高原大气重力波势能的分布频率模型和大气重力波活动的时空变化特征,并进一步分析了高原大气重力波活动与高原地形、风速和高原大陆热辐射之间的相关性.青藏高原地区大气重力波势能的分布频率服从对数生长分布;青藏高原地区大气重力波在16～18km和28～31km高度较活跃,而在20～26km高度较平静;高原大陆边缘各季节重力波活动均较活跃,而高原大陆上空大气重力波活动呈明显季节性变化,其在冬春季节较活跃,在夏秋季节较平静;2010年冬季青藏高原大气重力波活动异常平静;各季节整个高原上空大气重力波活跃度有随大气高度升高而降低的趋势,高原上低层大气重力波向高层传播会发生耗散作用.地形与风速是影响青藏高原大气重力波活动的重要因素.地形主要影响平流层底部的重力波活动;纬向风比经向风对该地区平流层大气重力波活动的影响大,纬向风总体上会促进高原大气重力波活动.青藏高原大陆热辐射对高原大气的加热作用是导致青藏高原大气重力波活动呈季节性变化的重要因素.临近空间大气扰动变化特性的定量研究
摘要：本文利用TIMED/SABER 2002年1月至2013年1月共11年的卫星温度探测数据,通过全球网格化及在网格内作数学统计的方法,得到了20～100km高度上全球网格点上温度的平均值和标准差,实现了对临近空间全球大气扰动进行定量刻画的目的.通过定量分析温度标准差的分布特性,文中得到了临近空间大气扰动的全球分布规律,并讨论了与这些分布规律相关的物理过程.结果表明,在20～70km高度上,温度标准差为1～10K,有显著的冬季/夏季的差异,冬季的温度标准差比夏季大;大气重力波扰动是最主要来源,同时大气传播性行星波引起的扰动也是来源之一.在70～100km高度上,温度标准差常年较强,量值为10～30K,冬季/夏季的差异小,低纬地区的温度标准差高于中高纬度地区,呈现许多局地化的小结构.大气重力波是引起该区域大气总扰动量的主要扰动来源,大气潮汐波、传播性行星波（准2天、准6.5天）也有重要贡献.斜压基本气流对东亚夏季风区气旋扰动低频发展影响的数值模拟研究
摘要：本文将夏季气候平均的基本气流分解为正压和斜压分量,使用一个线性斜压模式,研究了不同斜压基本气流对热带西北太平洋地区初始气旋性环流扰动低频发展演变的重要作用.其中,控制试验较好地模拟出初始气旋扰动向西北方向传播、在西北太平洋季风槽附近停滞增强、在东亚地区出现经向波列和在南海到海洋大陆地区形成西北—东南向波列等特征.改变斜压分量的敏感性试验结果表明,正压基流不能为西传的初始扰动供给足够的能量;海陆热力差异引起东亚地区的纬向温度梯度和北风垂直切变,是东亚太平洋型经向波列形成和维持的重要因素;当基本气流中的斜压纬向偏差部分线性增大时,扰动的能量会呈e指数迅速增强,提示在气候变化的背景下,基本气流微小的改变可能带来天气或季节内扰动强度的剧烈响应.空间跟踪技术的发展对月球重力场模型的改进
摘要：本文基于绕月卫星跟踪技术的三种模式,即地面跟踪模式、高低跟踪模式和低低跟踪模式,将月球重力场的发展历程分为四个阶段.分别介绍了各阶段跟踪模式的主要原理、技术特点以及所获取的具有代表性的重力场模型,并对这些模型的精度特征进行了评述.进而,通过分析不同阶段重力场模型所获取的月球重力异常特征和精度、不同阶段重力场模型的定轨精度,阐明了：空间跟踪技术的进步,极大地提高了月球重力场模型的精度,并且,有效地促进了对月球物质结构特征的认识和绕月卫星定轨的可靠性.最后对月球重力场模型中尚存在的问题以及探测技术的发展前景进行了分析和展望.单加速度计模式下的GOCE卫星重力场建模方法研究
摘要：GOCE卫星由于加速度计的特殊安装方式,其非保守力主要由普通模式的组合加速度提供,使得单个加速度计的特征更难提取.本文首次采用实测数据,研究了单加速度计模式下的高低跟踪数据处理.利用GOCE任务2009年（2009-11—2009-12）的实测数据,分别以GOCE卫星梯度仪坐标系三个坐标轴正向的加速度计为研究对象,利用1s间隔的高采样轨道数据,采用动力法同时进行卫星重力场建模和加速度计的精密校准.为了克服两极地区的数据缺失对重力场模型低次系数的影响,即所谓的极空白问题,引入同期GRACE卫星的观测数据,采用方差分量估计方法,建立了GRACE/GOCE卫星跟踪卫星重力场模型WHU-GRGO-SST.该模型完全到100阶次,经6169个美国GPS水准点数据检验,在同阶次上与EGM2008和GGM05S的精度水平相同.分析发现,GOCE卫星的加速度计偏差参数存在显著的漂移,也显示了单加速度计模式处理GOCE高低跟踪数据的优势.本文的研究成果为建立静态高分辨率、高精度的GRACE/GOCE重力场模型提供了更严密的模型与技术方案,同时也为GOCE卫星梯度仪校准,以及梯度数据的深入分析提供了重要的参考信息.引入最优自适应因子的状态模型法航空重力测量
摘要：引入最优自适应比例因子以改善状态模型法航空重力测量的精度,并尝试将其应用到我国困难地区的重力测量.把重力扰动当作状态量引入Kalman滤波进行最优估计,并引入最优自适应因子调节状态信息的权阵,提高重力扰动的最终解算精度.利用新疆地区不同航次和航高的实测数据,计算了垂直向下方向上的重力扰动.与全球重力场模型EGM2008的对比分析表明,差值中误差在10mGal左右,接近国家在困难地区重力测量精度的限差要求.自适应卡尔曼滤波在航空重力异常解算的应用研究
摘要：依据航空重力测量基本原理,构建了航空重力异常解算的卡尔曼滤波模型,将新息自适应卡尔曼滤波器（IAE,Innovation based Adaptive Estimation）应用于量测噪声未知的航空重力异常解算.针对IAE滤波器滑动窗口宽度难以准确确定的问题,通过对多个不同滑动窗口新息协方差估计的加权平均,获得改进的IAE滤波器,该IAE滤波器不仅具有量测噪声自适应估计能力,还能实现滑动采样窗口的优化选取.试验结果表明,IAE滤波器可以降低因量测噪声统计信息不明引起的解算误差,改进IAE解算的重力异常误差约为1mGal.基于Contourlet变换和ICA的多时相遥感图像变化检测
摘要：为了提高多时相遥感图像变化检测的精确度和运算效率,本文提出了一种基于Contourlet变换和独立分量分析（ICA-Independent component analysis）的变化检测算法.利用Contourlet变换多尺度、多方向性和各向异性等性质,对图像数据进行多尺度分解,再对分解后的数据进行独立分量分析,利用改进的基于牛顿迭代的固定点ICA算法分离出互相独立的数据分量,然后将分离后的数据分量转变成图像分量,最终对变化图像分量经阈值分割实现变化检测.实验结果表明,与现有的基于PCA、基于ICA、基于小波变换与ICA三种变化检测算法相比,本文算法能有效地分离出变化信息,减少了计算的复杂性,得到的变化图像具有更高的精确度,且对背景有较强的稳健性.克拉通岩石圈对流减薄的数值模拟
摘要：采用二维有限元数值模拟的方法研究了岩石圈的对流减薄过程,特别是克拉通岩石圈的对流减薄过程.模型的主要参数包括增厚岩石圈的宽度x、增厚倍数γ、以及与岩石圈组分变化导致的黏性和密度变化密切相关的黏性比（ηc）和浮力数（B）或等效密度变化（Δρtc）.数值计算结果显示,地幔对流将逐渐减薄增厚的岩石圈部分,（1）当B=0和ηc=1时,即对一般地幔岩石圈,增厚岩石圈对流减薄的时间可表示为0.0073γ^0.70 x^0.26.将数值结果应用于地球,意味着增厚到300km的岩石圈,如宽度为300km,对流移除增厚部分回到初始平衡厚度120km大约需要225 Ma;如宽度为1500km,移除增厚部分大约需要342 Ma.（2）当B和ηc较小,克拉通岩石圈对流减薄过程与一般加厚岩石圈的对流减薄过程类似,但减薄时间受克拉通组分浮力和黏性比的影响而显著增长,克拉通岩石圈对流减薄的时间可表示为0.0057ηc^0.52Δρtc^-0.21γ^0.78ηc0.36 x^0.04.因而,对300km厚的克拉通岩石圈,如克拉通岩石圈的密度比周围地幔的密度低0.4%（即B=0.1）,宽度1500km,若克拉通岩石圈黏性因组分影响比普通地幔岩石圈大10倍,其被对流减薄到120km大约需要1.18Ga.（3）当B和ηc增大到一定量时（如B≥0.2且ηc〉10）,克拉通岩石圈被移除的过程将发生变化,由于组分浮力的影响,对流主要不是将克拉通岩石圈带到软流圈地幔中,而主要是将较厚的岩石圈物质向两边推送.在此情况下,克拉通岩石圈能长时间（〉3Ga）保持稳定.华北克拉通东部滞留板块下方低速异常的地震三重震相探测
摘要：本文基于中国数字地震台网记录的中国东北与俄罗斯交界地区发生于2011年5月10日的一个深源地震的P波宽频带波形资料,研究了华北克拉通东部660km间断面附近的P波速度结构.通过一维射线追踪拟合P波三重震相的相对到时,并进行观测波形与理论地震图的对比,发现华北克拉通东部660km间断面下沉约15～20km,其上方存在厚度约115～120km的高速异常,P波速度升高1.5%～2.0%,应为滞留的太平洋俯冲板块;660km间断面下方存在局部的低速异常,P波速度降低0.6%～0.9%,该异常可能与滞留板块从其底部向下地幔顶部脱水或坍塌进入下地幔深处滞留体的脱水有关,也可能与板块深俯冲及板块碎片崩塌所引起的地幔热物质上涌有关.秦岭造山带与南北相邻地带远震接收函数与地壳结构
摘要：从2013年3月至2014年11月,我们布设了一条延川—涪陵的流动宽频带地震台阵,剖面由70个流动台站组成,全长约900km,穿越华北克拉通、秦岭—大巴造山带和扬子克拉通东北缘陆内三大构造单元.利用记录到的远震波形资料,提取得到5638个远震P波接收函数,使用H-κ叠加扫描和CCP偏移叠加方法刻划了秦岭造山带与南北相邻地带的地壳厚度、泊松比以及构造界带.研究结果显示,（1）关于地壳厚度：地壳最厚的区域出现在大巴山,地壳厚度集中在47～51km之间,秦岭的地壳厚度相对大巴山较薄,且呈向北减薄趋势,集中在37～46km之间,渭河盆地地壳厚度为本区域最薄地带,在34°N左右处达到最薄为35km,剖面北侧的南鄂尔多斯盆地的地壳厚度变化缓慢,多为44km左右,南侧的四川盆地东北缘的地壳厚度向南缓慢减薄,集中在42～48km之间;（2）关于泊松比：使用接收函数H-κ叠加扫描法得到了沿剖面各台站下方地壳的平均纵、横波速度比VP/VS（κ）,进一步计算得到泊松比σ,泊松比具有明显的横向分块特征,秦岭造山带的泊松比明显低于南北两侧区域,其小于0.26的泊松比表征着该区域地壳物质组分主要为酸性岩石,亦即其酸性长英质组分上地壳相对于基性铁镁质组分下地壳较厚,该区域没有高泊松比分布则表明不存在广泛的部分熔融.（3）关于构造界带：秦岭—大巴造山带与扬子克拉通的边界并非在勉略构造带,应向南移至四川盆地的东北缘,华北克拉通和扬子克拉通分踞秦岭—大巴造山带南、北两侧,且分别以较陡倾角向南和相对较缓的倾角向北俯冲于秦岭—大巴造山带之下,使得秦岭—大巴造山带呈不对称状扇形向外扩展与向上抬升的空间几何模型.秦岭和大巴山之间33°N附近存在分界面,两区域地壳厚度与泊松比特征各异.山东地区地壳P波三维速度结构及其与地震活动的关系
摘要：利用山东及周边区域地震台网1975—2014年1月期间记录到的1369个地震的13781个P波到时数据对山东地区地壳结构进行了层析成像研究.结果表明,山东地区地壳速度结构存在明显的不均匀性.沂沭断裂带介质速度结构复杂,呈现明显的分段特征,两侧块体速度存在差异,具有块体边界的构造特征.鲁西断块20km以下深度处存在大规模的低速异常区,这与该地区始新世发生的大规模滑脱拆离构造有关,可能产生于太平洋板块的西向俯冲导致地幔热物质沿沂沭断裂带向上并向西涌动.历史大震及ML4.0以上中强震大部分为走滑型地震,主要发生于高低速异常过渡带且有深大断裂穿过的地区.震群主要发生于低速体上部或周边,且震源深度优势分布在中上地壳,这与地下介质富含流体并导致应力集中有关.基于地震目录估计完备震级方法的数值实验
摘要：本文将5种估计完备震级（magnitude of completeness,简记为Mc）的方法运用在三个不同模型产生的理论地震目录上,进而对比它们的优缺点.我们发现分段斜率中值分析法MBASS（The Median-based analysis of the segment slope）适用于不完备部分台网探测地震能力随震级变化快及监测能力在时间上存在不均匀性（heterogeneity）的目录中,但是要求目录包含大量的地震事件,而b值稳定法MBS（The Mcby b-value stability approach）则适合用于台网探测地震能力随震级减小衰减慢地震目录,但是比较费时.最大曲率法MAXC（The Maximum Curvature technique）和拟合优度测试法GFT（The Goodness-of-Fit Test）在使用时都低估Mc,需要加调整量.完整性震级范围法EMR（Mcfrom Entire Magnitude Range）则一般给出比较稳定、适中的Mc估计值.这种方法适用在地震数目少,且对地震丢失容忍度比较高的情况.在实践中针对不同性质的地震目录,我们希望这项研究能帮助研究者选择最合适估计完备震级Mc的方法,并指出了一些估计完备震级中应当避免的问题.2015年尼泊尔Mw7.8地震震源机制InSAR反演及强地面运动模拟
摘要：2015年4月25日,在尼泊尔中部发生了Mw7.8地震.本文利用ALOS-2和SENTINEL-1A宽幅数据获取了该地震大范围的同震形变场,并反演了该地震断层破裂的几何特征及运动机制,继而以此为约束资料反演地震强地面运动.InSAR结果显示本次地震造成了巨大的地表形变,LOS向最大抬升量达到1.3m,最大下沉量达到0.7m.震源机制反演得到的最优的滑动分布模型表明,断层的走向为291°,倾角为7.6°,倾滑主要分布在深度为12～18km范围,主倾滑分布范围在长度上达到了140km,该范围内的平均倾滑角为95°.本次地震最大倾滑量达到5.3m,位于深度15km处.累计释放地震矩达6.5×10^20 N·m,约合矩震级Mw7.8.该地震发生在印度与欧亚板块俯冲逆冲界面之间,发震构造推断为主喜马拉雅逆冲断裂,属于典型的喜马拉雅型——低角度逆断层型强震.以该滑动分布模型参数为基础利用随机振动的有限断层模型进行尼泊尔地震的强地面运动模拟,结果显示最大地震烈度为Ⅸ度,烈度分布的范围及烈度等级与USGS模型结果对比具有很高的符合度.基于子带干涉测量技术的巴基斯坦地震形变获取研究
摘要：2013年9月24日发生在巴基斯坦俾路支省（Balochistan）境内阿瓦兰县（Awaran）的MW7.7级地震,在地表产生了最大达10m的滑动量.利用TerraSAR-X短波雷达数据获取的InSAR同震形变场产生了密集且大范围的干涉条纹,给后续的相位解缠带来困难.而子带干涉法是一种无需或只需进行少量相位解缠,即可获得绝对相位差的新方法.其主要思路是通过缩减带宽以增长波长,从而减少干涉条纹数,降低解缠难度或不需解缠直接得到绝对相位差.但由于带宽的缩减,导致噪声的增大和旁瓣带来的额外干扰,使干涉图质量下降,因此在子带干涉参数选取、噪声滤波以及处理流程等方面需要特殊处理,特别是子带的中心频率和带宽的选取会很大程度地影响测量精度.首先选取典型DEM实验区,以干涉图相干性和误差为评价指标,利用逐步参数选取法,研究相关参数对子带干涉测量的影响,制定最优的参数方案,认识参数选取的原则和方法.在此基础上,将子带干涉应用于巴基斯坦地震的同震形变场获取.最后,将子带干涉、Landsat 8光学影像的交叉频谱相关法、offset-tracking、常规DInSAR获取的同震形变场进行比较,并与模型拟合的形变场进行对比分析.结果表明,子带干涉虽然会受失相干的影响,其提取的形变场范围相较于Landsat 8和offset-tracking有所缺失,但在共同覆盖的区域其精度和噪声水平更优,相比较于常规DInSAR,更适用于条纹密集和形变量大的地区.2014年于田MS7.3地震对后续余震和远场小震活动的动态应力触发
摘要：本文采用离散波数法,计算了2014年于田MS7.3地震的断层破裂在近场和远场产生的库仑破裂应力变化,并结合地震活动特征,讨论了MS7.3地震对后续余震活动和远场区域小震活动的动态应力触发作用.结果表明,① MS7.3地震产生的库仑破裂应力变化对其西南侧主体余震区的地震活动起到了抑制作用,这可能是本次MS7.3地震序列余震活动水平不高的主要原因;距主震约30km的北东方向余震区后续地震活动受到了主震产生的动态和静态应力变化的共同触发作用,动态应力变化峰值为2.78 MPa,静态应力变化为0.80 MPa,这与该区余震较为活跃相一致;距主震约45km的北部余震区受到动态应力触发作用,应力变化峰值为0.72 MPa.② MS7.3地震产生的动态库仑应力变化空间分布呈非对称性,其中北东方向、北部余震分布与动态应力变化正值区存在相关性,从应力变化的角度解释了MS7.3地震的后续余震空间活动特征.③ MS7.3地震在沙雅、伽师地区的远场接收点产生的动态应力变化峰值分别为0.09 MPa、0.1 MPa,对两个区域的小震活动具有动态触发作用.
