[论文解读] Study of the atmospheric pressure loading signal in VLBI observations

Leonid Petrov, Jean‐Paul Boy|arXiv (Cornell University)|Nov 19, 2003

Geophysics and Gravity Measurements被引用 14

一句话总结

本文提出了一种严格的模型，利用6小时一次的NCEP再分析地表气压数据和Ponte-Ray大气潮汐模型，计算由大气压力负荷引起的三维地壳位移。该模型通过350万条VLBI观测数据（1980–2002年）进行了验证，结果显示平均藕合因子为0.95±0.02（垂直方向）和1.00±0.07（水平方向），证实了与观测结果的定量一致性，并首次检测到水平方向压力负荷效应。

ABSTRACT

Redistribution of air masses due to atmospheric circulation causes loading deformation of the Earth's crust which can be as large as 20 mm for the vertical component and 3 mm for horizontal components. Rigorous computation of site displacements caused by pressure loading requires knowledge of the surface pressure field over the entire Earth surface. A procedure for computing 3-D displacements of geodetic sites of interest using a 6-hourly pressure field from the NCEP numerical weather models and the Ponte and Ray [2002] model of atmospheric tides is presented. We investigated possible error sources and found that the errors of our pressure loading time series are below the 15% level. We validated our model by estimating the admittance factors of the pressure loading time series using a dataset of 3.5 million VLBI observations from 1980 to 2002. The admittance factors averaged over all sites are 0.95 -+ 0.02 for the vertical displacement and 1.00 -+ 0.07 for the horizontal displacements. For the first time horizontal displacements caused by atmospheric pressure loading have been detected. The closeness of these admittance factors to unity allows us to conclude that on average our model quantitatively agrees with the observations within the error budget of the model. At the same time we found that the model is not accurate for several stations which are near a coast or in mountain regions. We conclude that our model is suitable for routine data reduction of space geodesy observations.

研究动机与目标

• 开发一种精确且计算可行的大气压力负荷形变模型，用于影响大地测量站点的形变。
• 解决空间大地测量数据中模型与观测压力负荷信号长期存在的差异问题。
• 利用1980–2002年期间的大规模VLBI数据集对模型进行验证。
• 评估模型在海岸和山区等复杂地形区域的准确性，这些区域的形变信号更为复杂。
• 实现该模型在空间大地测量数据处理中常规应用压力负荷校正。

提出的方法

• 使用NCEP再分析数据集提供的2.5°×2.5°网格上的6小时一次地表气压场。
• 应用Ponte和Ray（2002）的大气潮汐模型，以提高负荷函数计算的准确性。
• 采用自适应角分辨率（小距离为0.002 rad，大距离为0.02 rad）的数值积分方法，计算球面单元上的格林函数积分。
• 使用双分辨率陆海掩膜（粗略和精细）处理混合陆海单元，对单元中心的气压采用双线性插值。
• 通过涉及局部东/北单位矢量和切向矢量的矢量公式，分别计算垂直和水平站点位移。
• 通过估计模型与观测VLBI站点位置时间序列之间的藕合因子，对模型进行验证。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否利用全球再分析气压数据，准确计算出严格的的大气压力负荷模型，并应用于VLBI观测？
• RQ2 模型计算的压力负荷与VLBI数据中观测到的站点位移之间的定量一致性如何？
• RQ3 压力负荷形变的水平分量是否可检测且与模型预测一致？
• RQ4 该模型在海岸和山区等复杂地形区域的准确性如何？
• RQ5 该模型是否可被可靠地用于空间大地测量中的常规数据处理？

主要发现

• 压力负荷时间序列的误差预算低于15%，表明模型具有高度可靠性。
• 垂直位移的藕合因子平均为0.95±0.02，表明与观测结果高度一致。
• 水平藕合因子平均为1.00±0.07，证实首次直接检测到水平方向压力负荷效应。
• 该模型在沿海和山区站点表现较差，表明在地形和海深处理方面存在局限性。
• 由于模型与观测结果具有良好的定量一致性且计算可行，因此适用于空间大地测量中的常规数据处理。