基于高分辨率重力数据的海底地形反演-钱学森空间技术试验室.PDFVIP

基于高分辨率重力数据的海底地形反演 向雪霜，万晓云，杨镇安 （钱学森空间技术实验室空间技术与应用基础研究部，北京100094） 1 引言 海洋占全球表面积 70% 以上，因此精密的海底地形对理解地球演化、环境 监测以及资源勘探等都具有十分重要的作用。而如何研制高精度、高分辨率的 海底地形一直都是难题。方法之一是采用船载声波对海水深度进行探测，优点 是高精度，但作业效率低，测量全球海域大约需要 200 年。另外一种可行的办 法是利用高分辨率海洋重力数据对海底地形进行反演，优点是可通过卫星测高 技术获得所需要的高分辨率的海洋重力异常数据，缺点是单有重力数据，反演 的海底地形具有不唯一性，因此一般需要结合船测水深数据。Dixon 和 Narghi(1983) ，Sichoix 等(1996) ，Smith 和 Sandwell(1997) ，Kim 等(2011) ， Hishao 等(2011)，Jena 等(2012)，欧阳明达等(2014)，均利用重力异常数据和船 测水深数据对海底地形或水深进行了研究， Wang(2000) ，Hu 等（2014a，2014b ） 还讨论了如何结合引力梯度数据及船测水深数据来对全球水深进行预测。 Sandwell 等（2011 ，2006 ）曾系统研究过如何利用高分辨率、高精度的卫星测高 数据对海水深度进行研究的思路，并提出有关的卫星计划。由此可见，采用重 力数据对海底地形进行研究已经受到了广泛的关注。如今，新的卫星测高计划 不断实施，数据日益丰富，Sandwell （2014 ）等利用CryoSat-2 和Jason-1 卫星得 到的海洋重力数据研究了海底构造，并指出利用该新类型的重力数据可提升 80% 海域的海洋深度估计精度。Hishao 等(2016)利用新的卫星测高重力异常产品采 用重力地质法对南中国海的海底地形进行了反演，精度达到100 m。 如何利用重力数据对全球水深进行反演有多种方法（胡敏章等，2013 ）。重 力地质法是其中的一种基本方法，基本原理是在扣除重力异常的长波后，剩余 的残差重力异常（短波部分）和密度异常体的埋深具有近似的线性关系，其系数 与周围物质的密度差有关。显然，如何扣除长波以及如何确定密度参数极为关 键。因此，一般需要借助部分船测水深数据当作控制点。尽管船测数据比较稀 疏，但由于长波部分一般变化比较平缓，因此利用有限的船测数据就可以较好 地确定出长波部分。其存在的问题是：船测数据是稀疏的，且分布极不均匀， 当前文献中一般采用统一规格大小的格网（欧阳明达等，2014 ）来表示，其带来 的问题是可能会损失船测数据较多区域的精度，而船测数据较少区域的精度又 难以达到要求。因此，长波重力异常用统一格网表示并不合适。而对于密度参 数的确定同样存在此问题，很显然采用同一密度常数反演全球海域的水深是不 合适的（Hisao 等，2011 ）。 针对上述问题，本文对重力地质法做小的改进，主要改进之处是对船测数 据进行自适应三角格网划分，如此便可兼顾船测点稠密区域和稀疏区域的分辨 率，而其他各点长波重力异常则通过分片线性算法加权得到。而海底的密度异 常数则通过遍历有哪些信誉好的足球投注网站得到，即在控制点的预测水深与船测水深的相关性最大时 的密度为最优密度差异常数。根据以上内容，本文主要介绍利用重力地质方法 进行海底地形反演的基本原理；讨论本文基于自适应格网的长波重力异常逼近 方法；讨论密度差异常数的选取方法；并利用美国国家海洋和大气管理局 （NOAA ）提供的全球水深数据和丹麦科技大学空间中心提供的重力异常数据， 对中国南海海域、东海海域及印度洋部分海域的水深进行反演计算，以验证有 关算法；论文最后给出总结。 2 重力地质法 重力场可看作地球上物质引力场的叠加效应，重力异常反映了真实地球重力 与参考椭球所产生重力之间的差异。自由空间的重力异常 可以由如下两部分 gt 组成： gt x, y gl x, y gs x, y  (1) 和 分别代表经度和纬度。其中 反映了大尺度和