周日、半日地球自转变化与高频海潮模型研究

The research on diurnal and semidiurnal changes in the earth rotation is international popular in recent years, which has important applications in multidisciplinary fields, such as the reference frame conversion, geophysical and high precision geodetic, while is lack of attention domestically. In recent decades, earth orientation has been monitored with increasing accuracy by advanced space-geodetic techniques, including lunar and satellite laser ranging, very long baseline interferometry and the global positioning system. We are able to obtain the Earth Rotation Parameters (ERP, polar motion and rotation rate changes) by even 1 to 2 hours observation data, form which obvious diurnal and semidiurnal signals can be detected, and compare them with the predicted results by the ocean tidal model. Both the amplitude and phase are in good agreement in the main diurnal and semidiurnal wave frequency, especially for the UT1，while there are still 30% of the excitation factors about high-frequency polar motion not confirmed. Since the beginning of the 20th century, there has been more than 20 global high frequency ocean tide models are established, however, there are still existing 10% to 20% of the model error and need further refinement. This investigate employs the comprehensive geophysical data and latest ERP spatial observations, to explore other motivating factors in high frequency variation of the earth rotation, and recalculate the ocean tidal model to rich the domestic research in this field, and make the high frequency earth rotation theory more comprehensive.

周日、半日地球自转变化是近年来国际上的研究热点，在参考框架转换、地球物理以及高精度大地测量等多学科领域均有重要应用，而国内在此领域的研究很少。近几十年来，由于GPS、VLBI、SLR等观测技术和分析精度的提高，已经能用1～2小时的观测数据求解地球自转参数（极移和自转速率变化），并从其中检测到明显的周日、半日自转变化，且与海潮模型所预测的结果进行比较，在主要的周日、半日潮波频率上，二者的振幅和相位符合较好，特别是对UT1，但仍有约30%的高频极移激发因素没有确认。自20世纪初期以来，先后有超过20多个全球高频海潮模型被建立，但是，目前的海潮模型还存在10%～20%的误差，需要作进一步的精化。本项目针对全面的地球物理资料以及最新的地球自转观测数据展开分析，查找其它高频地球自转变化的激发因素，并重新计算海潮模型，完善高频地球自转理论，丰富国内在该领域的研究。

对于地球自转变化理论问题，由于地球参考框架下高频地球自转与自由液核章动的耦合效应，现有的经典理论（刘维尔方程）不得不放弃周日以内变化（高频），仅适用于周日以上变化部分（低频）。对于高频地球自转变化激发问题，已有研究表明，周日、半日地球自转变化的主要激发源是潮汐洋流，大约能激发60%的高频极移，和90%的高频自转变化速率。对于潮汐洋流贡献，目前广泛采用IERS 2010海潮模型，但该模型时间较长，需要进行更新。.针对以上问题，本项目首先采用2017年的VLBI加强观测和GPS高采样数据，重新估计了潮汐洋流对周日、半日地球自转变化的激发比例，与已有研究结果基本契合。其次重新推导刘维尔方程，建立了一套完整地球自转理论，该理论引入一个与高频相关的直接响应项，综合考虑所有激发机制，适用于所有频段。最后，根据完整理论并结合最新的高采样率激发函数序列，查找高频地球自转变化的其它激发因素。研究结果表明，非潮汐大气、海洋可以增加解释5~10%的周日、半日地球自转变化。.在本项目研究基础上，还拓展了其他相关研究，主要是由地表温度变化引起的地表形变研究和高精度地球定向参数预报数据服务，且均取得了一定的进展。一方面首次估计了由地表温度变化对GPS 台站三维位移的影响，结果表明，叠加考虑热弹性效应后在，垂直和水平位移上的改进大约为7%和8~9%。另一方面完善了《地球定向参数预报系统》，从2011年开始至今已连续10年提供高精度地球定向参数预报数据服务（http://202.127.29.4/xxq/），该数据已被多个项目（北斗导航、火星探测）和机构（莫斯科大学、千寻位置）采用。