利用GPS技术研究南极地区的海潮及其负荷效应

发布时间：2020-06-08 05:05

【摘要】：潮汐现象“穿透”整个地球系统,深入研究潮汐可以为地球内部结构、月球轨道演化等提供反演数据;或作为改正值,提高非潮汐信号的获取精度。大地测量观测值要想达到1mm或0.1 μGal的精度,必须精确考虑海潮及其负荷效应的影响。现有的全球海潮模型在开阔的深海海域精度较高,但在浅海和极地海域,精度尚欠,由此导致近海区域或南极地区的海潮负荷效应的计算精度也相对较差。近20年来,全球定位系统(GPS)蓬勃发展,其积累的观测数据已广泛应用于大地测量和地球物理领域。利用高精度、高连续性的GPS数据对海潮及其负荷效应进行研究具有重要的理论意义和参考价值。南极海域大型冰架以及季节性海冰的出现,阻碍了测高卫星对海平面的探测。现今的全球海潮模型在南极还不能达到深海、甚至是低纬浅海海域的精度。本文利用GPS技术系统研究南极地区海潮及其负荷效应:对海潮及其负荷效应的国内外发展现状和趋势进行回顾;针对南极周边海域,分析比较不同全球海潮模型在不同区域的精度;使用海冰GPS观测数据提取海潮调和参数,并研究观测时长对结果可靠性的影响;使用南极半岛的GPS数据直接提取海潮负荷位移参数,分析GPS技术提取负荷参数的能力;研究GPS高程时间序列中未模型化的全日及全日以下高频误差的混叠效应,并利用混叠效应评估GPS提取得到的海潮负荷位移参数的精度。本文主要的研究内容及成果包括:(1)将南极海域分为4个子海域,系统评估全球海潮模型的精度。将南极海域分为南极半岛海域、Ross海域、Weddell海域和Prydz海域,通过与南极周边验潮数据进行比较,给出各子海域的最优模型。南极半岛海域、Ross海域以及Weddell海域的最优模型为TPX08;Prydz海域的最优模型是HAMTIDE12。TPX08模型由于同化了部分南极验潮数据,因此在南极地区具有相对较好的表现。(2)利用海冰GPS数据成功提取海潮信息,并对全球海潮模型精度进行评估。使用动态精密单点定位(PPP,Precise Point Positioning)和相对定位方法,对中国南极科考队员在南极中山站附近海域收集的海冰GPS数据进行解算,并成功提取海潮调和参数。GPS技术够以3 cm的精度提取海潮信息,且对能量(振幅)较大的分潮估计更为可靠。南极地区,要想获取可靠的海潮信息并忽略GPS单天解中边界滤波效应的影响,需保证30天以上的观测时长。(3)提取南极半岛地区13个GPS测站的海潮负荷位移参数。使用动态PPP方法解算得到GPS测站的3维动态坐标时间序列,利用U-TDE软件进行分潮调和参数的提取。通过与模型值的对比发现,GPS估计值与TPX08模型(南极半岛海域精度最高的全球海潮模型)的一致性在5 mm量级。使用海潮负荷位移改正参数对动态PPP进行解算,能够使GPS高频动态时间序列的RMS值降低30%。(4)利用频谱分析方法研究GPS坐标时间序列中高频信号的混叠效应。以固体潮模型中的K1分潮为例,展示混叠信号在GPS单天解(24小时)坐标时间序列中的传播机制,并得到南极地区的误差-信号传播比约为5.6%。利用混叠效应对海潮负荷位移参数进行评估,发现其能够以0.1 mm的精度分离混叠信号,为海潮负荷精度的评估提供了一种简单有效的方法。
【图文】：

南极,浅海,冰架,海深

武汉大学博士学位论文区域为南极及其周边海域（３０°Ｓ以南），为了真实地反应程度，我们没有采用Ｓｔａｍｍｅｒ邋ｅｔａｌ．邋（２０１４）根据纬度对格网的策略，而是对所选区域进行平均配权。我们计算８个主深海（深度大于１０００邋ｍ）和浅海（深度小于１０００邋ｍ）海中深度数据来自丹麦技术大学提供的世界格ｅ．ｄｔｕ．ｄｋ／ｐｕｂ／ＤＴＵｌ邋０／ＤＴＵ１０＿ＴＩＤＥＭＯＤＥＬ／ＢＡＴＨＹＭＥＴＲＹ炜３０°以南的深度／海拔图。从图３．１中可以发现，海深小中于大陆架边缘地区。表３．２统计了冰架／海冰、浅海、以潮的ＲＭＳ值以及总ＲＳＳ值。逡逑

模型,冰架,海域,海潮

周边海域、麦哲伦海峡－布兰卡湾、好望角附近海域等。由图３．１可知，，这些的深度基本都小于１０００ｍ，海岸线形状复杂、局部海潮的时空变化较为迅高卫星较为稀疏的轨迹、数天甚至数月的重访周期，很难捕捉到如此精细快潮汐变化；同时，海底地形、底部摩擦系数、粘性系数等参数对模型建立也较难确定，从而导致潮汐方程的建立与求解更加困难。所以这些地区不同之间存在较大的不一致，建模的不确定性较大。逡逑（２）南极大陆周边海域，特别是Ｗｅｄｄｅｌｌ海的Ｆｉｌｃｈｎｅｒ－Ｒｏｎｎｅ冰架和Ｒ域的Ｒｏｓｓ冰架区域。这些地方的ＲＭＳ数值明显大于（１）中大陆沿岸海此也说明使用Ｓｔａｍｍｅｒ邋ｅｔａｌ．邋（２０１４）的降权策略，的确会低估高纬度海域不符值对整体ＲＭＳ造成的影响。极地区域由于超过了邋Ｔ／Ｐ系列卫星的覆盖而缺少高精度的测高数据；海冰的季节性变化和大型冰架的存在严重阻碍测氋卫星对于海平面的测量；同时由于极地恶劣的气候环境，周边的验潮测数据源也较为稀少。因此，这些海域缺少用来对海潮进行建模或约束的数同模型间的建模一致性较差。逡逑１２「逦了逦——逦：—￣１逦－逦ｒ逦：逡逑
【学位授予单位】：武汉大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：P228.4;P714.1

【参考文献】