基于GOCE卫星观测数据的大地震重力变化研究

Satellite gravimetry technique makes it possible to measure the earth gravity and its dynamic change information in the whole spatial-temporal scale with high coverage and high temporal and spatial resolution. The initiative research on the detection of gravity changes caused by large earthquake is studied using GRACE data in recent years. The research work indicates the scientific meaning and application potential of satellite gravimetry technique. As GOCE satellite shows the ability to detect gravity in high accuracy and high resolution, it can play key role in monitoring of gravity change caused by great earthquake. This project aims to monitor the gravity changes caused by large earthquake using latest GOCE data, systematic study the theory and method of forward model solid earth response to the seismic, which will affect the vertical deformation and geoid height, basing on normal mode model and sea level equation(SLE).The model gravity gradients are computed in the GOCE orbit height, and compared with the measured GOCE observations. The co-seismic gravity changes are studied in quantitative. On the global typical earthquake cases, the ability of detecting the large earthquakes in the GOCE gradiometer data is analyzed. The research work will provide pre-research support for Chinese gravity gravimetry satellite mission in future, which has the important scientific and practical significance.

卫星重力探测技术以其空间广域性、均匀性和时间准实时性等特点，为全时空尺度获取地球重力场及其动态变化信息提供了可能。近年来国际上利用GRACE卫星观测资料对大地震重力变化探测做了开创性的研究，验证了卫星重力探测技术在地震灾害监测中的科学价值和应用潜力。2009年发射的GOCE重力梯度卫星以其高精度高分辨率的重力场探测能力，能够在地震重力变化监测领域发挥更大作用。本项目拟采用GOCE卫星的多期观测资料，以大地震重力变化探测为目标，基于地球模型的简正模分析和海平面当量，系统研究大地震引起的地球表面垂直形变和海平面变化正演理论与方法，精细计算卫星轨道高度处的模型理论重力梯度值，并与GOCE卫星实测重力梯度分量进行耦合分析，定量研究大地震同震重力变化信息，结合GOCE卫星任务运行期间全球发生的典型震例, 探索卫星重力梯度技术探测大地震同震重力变化的能力。本项目研究能为我国重力卫星计划提供预研支持。

本项目基于地球模型的简正模分析和海平面当量，系统研究大地震引起的地球表面垂直形变和海平面变化正演理论与方法，精细计算了卫星轨道高度处的模型理论重力梯度值，并与GOCE卫星实测重力梯度分量进行耦合分析，分析了不同滤波方法的适用性，对卫星重力梯度技术探测大地震同震重力变化的能力进行了探讨，本项目的研究工作和成果也为我国民用重力梯度测量卫星计划的预研和立项推进提供了技术支撑。.1、项目执行过程中汇集整理了所有数据和产品。包括研究过程中积累的重力卫星原始观测数据、全球重力场模型序列及重力卫星模拟轨道数据等数据和产品。.2、完成了卫星重力观测数据不同滤波方法的实现和比较分析。考虑到地震重力变化的区域性，针对重力场模型和数据处理中产生的信号泄漏问题，采用Forward-Modeling方法进行了改正并恢复泄漏信号，并通过黑河流域测算，验证了方法的有效性和可靠性。.3、完成了大地震引起的地球表面垂直形变和海平面变化的正演研究。基于地球模型的简正模分析和海平面当量，实现了大地震引起垂直形变和大地水准面高变化的正演计算方法、局部重力场变化效应的球谱域法估计地表质量变化算法。.4、完成了模型重力梯度分量与GOCE 实测重力梯度分量的耦合分析。推导了垂直形变和大地水准面高计算理论地球模型位模型的算法，并模拟计算了模型重力梯度分量；将同时间段区间的GOCE实测重力梯度分量与模型重力梯度分量进行耦合比较分析，提取大地震重力变化的趋势性。.5、开展了典型震例验证分析。结合卫星任务运行期间，2011年发生的Tohoku-Oki大地震为震例，对日本大地震周缘区域重力变化进行了计算，分析了卫星重力技术对大地震效应探测能力。.6、为民用重力梯度测量卫星项目推进提供支撑。以本项目研究工作完成的模拟梯度数据和改进的滤波方法为工作基础，在2015年为航天东方红卫星有限公司撰写了研究报告《面向地震监测的重力梯度测量卫星天地一体化指标体系研究》。