[论文解读] A New Free Core Nutation Model with Variable Amplitude and Period

Zinovy Malkin|arXiv (Cornell University)|Jul 30, 2004

Geophysics and Gravity Measurements参考文献 6被引用 3

一句话总结

该论文提出了一种新的自由核心章动（FCN）经验模型，具有可变振幅和周期，该模型基于三个长期的VLBI章动序列（GSF、IAA、USN）推导得出。通过将FCN建模为使用连续振幅和相位函数的时间可变振荡，该模型将观测章动与IAU2000A模型之间的残差降低至约100 μas，显著提升了MHB2000模型之外的天球极点偏移精度。

ABSTRACT

Three most long and dense VLBI nutation series obtained at the Goddard Space Flight Center, Institute of Applied Astronomy, and U.S. Naval Observatory were used for investigation of the Free Core Nutation (FCN) contribution to the celestial pole offset. Some recent studies have showed that the FCN period or/and phase does not remain constant, but varies in a rather wide range of about 410--490 days (for equivalent period). To implement this result in the practice, a new FCN model with variable amplitude and period (phase) is developed. Comparison of this model with observations shows better agreement than existing one. After correction of the differences between observed VLBI nutation series and the IAU2000A model, they decreased to a level about 100 microarcseconds.

研究动机与目标

• 开发一种更精确的自由核心章动（FCN）经验模型，以反映观测到的振幅和周期的可变性。
• 减少观测到的VLBI章动序列与IAU2000A模型之间的差异，后者目前因未建模的FCN效应导致残差约为160 μas。
• 通过使用连续且无拐点的振幅和相位函数，实现对MHB2000模型2001.4截止点之后FCN贡献的可靠预测。
• 提供一种适用于VLBI数据处理常规使用的实用、经验推导的FCN模型。

提出的方法

• 该模型使用三个覆盖1979–2003年期间的长期、密集VLBI章动序列（GSF、IAA、USN），这些序列已对齐至IAU2000A参考框架，并在误差缩放后合并。
• 对合并后的序列应用中心频率为0.988的带通高斯滤波，以分离FCN信号，保留410–490天的振荡频带。
• FCN振幅A(t)通过公式A(t) = √(dX_c(t)² + dY_c(t)²)计算，假设所有残差差异均由FCN引起。
• FCN相位Φ(t)通过积分计算：Φ(t) = ∫(2π/P(t))dt + φ₀，其中P(t)为通过小波分析获得的时间可变周期。
• 模型采用形式dX_c = A(t)sin(Φ(t))，dY_c = A(t)cos(Φ(t))，以计算FCN对天球极点偏移的贡献。
• 通过在A(t)和Φ(t)上应用ARMA建模，实现对未来FCN行为的预测，从而实现对2001.4之后的外推。

实验结果

研究问题

• RQ1 与MHB2000模型相比，具有可变振幅和周期的时间可变FCN模型是否能更有效地减少观测VLBI章动序列与IAU2000A模型之间的残差？
• RQ2 通过小波分析和短时周期图分析，1979–2003年期间FCN周期和相位可变性的本质是什么？
• RQ3 该新模型在多大程度上提升了天球极点偏移计算的精度，特别是在MHB2000模型性能下降的2001.4之后的观测中？
• RQ4 能否使用连续且无拐点的A(t)和Φ(t)函数，以实现对未来FCN贡献的可靠预测？

主要发现

• 新FCN模型将观测章动序列与IAU2000A模型之间差异的加权均方根（WRMS）降低至约100 μas，低于无FCN模型时的约156 μas。
• 在2002–2003年期间，新模型的WRMS为97 μas（平均值），显著低于MHB2000模型的146 μas，而后者并非为此时期设计。
• 该模型性能优于MHB2000模型，尤其在2001.4之后，此时MHB2000模型的残差因有效周期有限而上升。
• 通过小波分析获得的FCN振幅和相位变化行为与MHB2000模型一致，但新模型提供了更平滑、连续且更具可预测性的函数。
• 该模型成功消除了残差功率谱中的主要峰值，证实FCN信号已得到完全建模。
• 自2003年9月以来，该模型已在应用天文学研究所的VLBI处理中被常规使用，表明其具备实际可行性。