GRACE-GRACE-FO重力卫星简介

2022-08-18 20:44 作者:我是水怪的哥 0人读过 | 我要投稿

提到GRACE重力卫星，就不得不提到一篇经典文献：

Time variability of the Earth's gravity field: Hydrological and oceanic effects and their possible detection using GRACE

这篇文章在WOS中的被引频次达到1399次（2022/8/18）,建议研究这个的精读这一篇文献。

我们所有的研究基础，是将全球的质量变化用等效水高的形式表示：

而GRACE正是通过得到一系列的C、S系数，代入上述公式，得到全球的质量变化。下面我将介绍GRACE重力卫星的基本情况。

GRACE 重力卫星是美国国家航空航天局(NASA)与德国空间中心(GFZ)的合作项目，是观测地球重力场变化的卫星。通过其高精度时变重力场，人们能推测出地球表面质量迁移的变化与分布。GRACE卫星于2002年升空，直至2017年结束观测使命。GRACE是指重力恢复与气候实验。

GRACE 重力卫星的测量原理可以通过图 A说明，它包含两个完全相同的卫星，彼此轨道上相距 220 公里，并且在距离地面 500 公里的轨道上运行。两颗卫星之间的距离可利用K波段实时测量，同时两颗卫星上都搭载了高精度的加速度计来测量卫星所受到的非保守力。每颗卫星上还搭载了双频 GPS 接收机，从而可以通过 GPS 卫星和地面 GPS 基站实时的确定GRACE 卫星的位置。综合以上信息就可以计算地球重力场的变化。GRACE 重力卫星之后又发射了GRACE-FO重力卫星，其测量原理与GRACE 基本上是一样的，主要特点是它还搭载了激光测距仪 (图 B)，目前还处于试验测试阶段，如果能够在未来几代重力卫星中应用，这会使卫星距离测量精度提高 20 倍。随着各个方面测量精度的不断提高，未来的GRACE 卫星将可以探测地球表面上更小尺度的质量变化。

目前主要有三家机构发布GRACE 重力产品：美国德克萨斯大学空间研究中心 (CSR)，德国波茨坦地学中心 (GFZ) 和喷气动力实验室 (JPL)。GRACE 重力卫星可以在国际地球模型中心下载 (http://icgem.gfz-potsdam.de/series)，GRACE-FO可以从美国国家航空航天局喷气推进实验室网站下载 (https://podaac-tools.jpl.nasa.gov/drive/files/allData/gracefo/L2)。我们使用的是GRACE Level-2 的数据，即大地水准面模型的球谐系数(GSM)。三家机构都有 60 阶和 96 阶的球谐系数，但是高阶部分误差较大，所以我们一般使用 60 阶的GSM。GSM 是GRACE 原始信号扣除了固体潮、海潮、极潮、非潮汐大气和高频海洋信号以后的信号，所以其反映的是地表及内部质量重新分布引起的时变重力信号。

低轨重力卫星在测量地球重力场时会受到多种因素的影响，包括大气，地球表面及地球内部的质量重新分布。由于所有的卫星都会受到采样的限制，为了得到一个合理的高分辨率的全球重力场，通常需要用一段时间内积累的观测数据来共同解算。GRACE 卫星每次解算使用的积累观测数据的时间范围在 7 到 30 天之间。除了固体潮和海潮潮汐信号，还有大量的小于 30 天周期的非潮汐质量变化信号发生在地球的表面，例如，不断演化的天气系统中，数百公里尺度的平均大气流动将会在中纬度地区的表面引起几千帕的压强变化；对流引起的强降雨会迅速的增加陆地水储量；由气旋压力变化引起的风将会引起海水质量的重新分布，从而改变了海底的压强。如果在计算地球重力场过程中忽略了高频信号，将会导致高频信号混叠在估算的时变重力信号中。这至少在一定程度上导致了所有 GRACE 重力场结果有系统经向条纹现象。大气和海洋去混叠Level-1B (AOD1B) 旨在提供一个基于模型 (海洋和大气模型) 的数据集，该数据集描述了由大气和海洋中的非潮汐质量变化引起的重力势随时间的变化。根据 GRACE 解算的时间和方法，数据发布机构提供了四种模型：全球大气模型对应的球谐系数 (GAA)；海洋模型对应的球谐系数 (GAB)；全球大气海洋模型对应的球谐系数 (GAC)；海洋范围大气海洋模型对应的球谐系数 (GAD)。在 GRACE 解算过程中把地球的质心当做坐标的原点进行求解，因此一阶项自动为零，但是当我们研究地表信号的时候，是以地球形状的中心为坐标原点，两个中心之间有一定的距离，在这种情况下一阶项就不一定为零，因此需要我们补充一阶项 (Chambers, 2006)。由于GRACE 重力卫星运行轨道的结构，卫星测量的二阶项精度较差，所以二阶项也需要进行改正。

下面展示一些常见的GRACE应用：