全球垂直基準(zhǔn)研究中的幾點(diǎn)思考

1、全球垂直基準(zhǔn)研究中的幾點(diǎn)思考張赤軍摘要：目前全球垂直基準(zhǔn)問題的研究已受到各有關(guān)國(guó)家的關(guān)注。介紹了建立全球垂直基準(zhǔn)的意義、作用和方法，指出了研究中存在的一些問題，并提出了解決這些問題的初步意見。關(guān)鍵詞：全球垂直基準(zhǔn)；大地水準(zhǔn)面；海面地形；地殼垂直運(yùn)動(dòng)中圖分類號(hào)：P312文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：10018166(2000)01-0106-04SOME CONSIDERATIONS OF THE INVESTIGATION IN GLOBAL VERTICAL SYSTEMZHANGChijun(Institute of Geodesy and Geophysics, CAS, Wuhan43007

2、7，China)Abstract：It is important to investigate global vertical datum (G.V.D) for humanity and nature.In this paper, the meaning, efficiency and method for establishing G.V.D were introduced, the problems in this field were pointed out, and the primary suggestions to resolve these problems were pres

3、ented.Key words：Global vertical datum; Geoid; Sea surface topography; Grust vertical movement.由于科學(xué)的發(fā)展和全球變化研究等客觀實(shí)際的需要，當(dāng)前世界各國(guó)對(duì)建立和研究全球垂直基準(zhǔn)(GVD)甚為重視。在1983年第18屆IUGG(國(guó)際大地測(cè)量與地球物理聯(lián)合會(huì))的會(huì)議上IAG(大地測(cè)量協(xié)會(huì))就成立了相應(yīng)的專題SSG 1.75研究組，并相繼成立了SSG 5.149研究組。在1987年IAU(國(guó)際天文聯(lián)合會(huì))和IUGG又聯(lián)合成立了IERS組織(國(guó)際地球自轉(zhuǎn)局)，該局于1996年10月的會(huì)議上專門討論了全球垂直參

4、考系(GVR)1，無(wú)論是GVR或GVD均具有相同的概念、都涉及地球上存在的幾個(gè)面，即地球參考橢球(E)、大地水準(zhǔn)面(G)、海洋大氣邊界面(S)、大陸地形面(T)，為進(jìn)一步研究和確定上述幾個(gè)面間的關(guān)系及它們隨時(shí)間的變化，大地測(cè)量學(xué)、海洋學(xué)、地質(zhì)學(xué)、地球物理學(xué)、地球動(dòng)力學(xué)等方面的科技工作者正在積極開展有關(guān)工作。1研究和確定GVD的意義和作用GVD是地球上高程為零且在其上重力位W=W0(常數(shù))的一些點(diǎn)或由這些點(diǎn)組成的面，由于這種高程是在重力場(chǎng)中測(cè)定的，亦即在這些點(diǎn)間的位差或大地位數(shù)gdh=02，顯然GVD具有明顯的幾何意義和物理意義。由這種高程組成的面，通常稱之為大地水準(zhǔn)面。從概念上講，把無(wú)擾動(dòng)的海

5、洋面作為大地水準(zhǔn)面，但在實(shí)際上是不太可能的，因此在習(xí)慣上，常用各地的平均海面來(lái)逼近大地水準(zhǔn)面，這時(shí)就必須顧及潮汐、海流等引起的海面地形的影響，對(duì)于大陸邊緣的驗(yàn)潮站而言，除顧及太陽(yáng)、月亮的周日、周年乃至18.6 a的變化對(duì)海洋和固體地球的影響外，還要考慮地殼垂直運(yùn)動(dòng)對(duì)驗(yàn)潮汐記錄的影響。研究和確立GVD的意義、作用在于：(1) 為眾多國(guó)家和地區(qū)提供高精度的高程基準(zhǔn)，這在繪制地形圖、地質(zhì)圖、水利工程圖時(shí)甚為必要。目前全球在高程起始點(diǎn)上互差達(dá)到2 m，這是一個(gè)不可忽視的數(shù)字，就是在同一個(gè)國(guó)家，例如在我國(guó)沿海的南北方向上高度相差達(dá)到60 cm。(2) 消除重力測(cè)量中因高度不同而引起的誤差，它的影響可達(dá)0

6、.510-5 ms-2(mGal)，如用它計(jì)算大地水準(zhǔn)面，其誤差將有可能超過(guò)7 cm3。(3) 檢測(cè)相鄰兩地的大地水準(zhǔn)和海洋水準(zhǔn)的結(jié)果，為確定海面傾斜提供資料。(4) 為全球定位系統(tǒng)(GPS)的觀測(cè)提供正高(海拔高)。(5) 為確定海面地形提供基準(zhǔn)。(6) 與研究地殼垂直運(yùn)動(dòng)相結(jié)合，為監(jiān)測(cè)海平面的變化提供依據(jù)。2確定全球垂直基準(zhǔn)的幾種方法2.1海洋學(xué)法它的作用是用位水準(zhǔn)和地轉(zhuǎn)流水準(zhǔn)來(lái)確定海面地形(平均海面距大地水準(zhǔn)面的高度)。位水準(zhǔn)法的前提是假定海洋面上的地轉(zhuǎn)力的垂直分量和摩擦力的垂直分量與重力相比可以忽略，其原理實(shí)際上是理想流體在重力作用下滿足流體靜力平衡方程，亦即海水壓力的垂直梯度為重力g

7、與海水密度的乘積，若已知海水在不同深度上的密度分布，則相對(duì)于大地水準(zhǔn)面的海面地形可求，亦即：這時(shí)位差：W=ghD，hD為動(dòng)力高。當(dāng)取P0為一自由面上的壓力，Pr為參考面等壓面或等位面上的壓力，則動(dòng)力高4：式中p為水柱的壓力。實(shí)際上，人們測(cè)量的不是密度，而是從自由面到參考面的鹽度(S)、溫度(T)，0(S0、T0、P)為壓力面P0處規(guī)定的鹽度(S0)、溫度(T0)的一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)水柱的密度。根據(jù)上式求出各點(diǎn)的動(dòng)力高，則海面地形可以確定。例如Lisitzin就據(jù)此方法編制成全球海面變化圖和局部海面地形圖，并標(biāo)出美國(guó)西海岸由北向南上升了20 cm5。地轉(zhuǎn)流水準(zhǔn)法則是假定海面在流動(dòng)中產(chǎn)生的科氏力與壓強(qiáng)梯度項(xiàng)

8、相平衡，然后根據(jù)兩點(diǎn)間的流速可計(jì)算兩點(diǎn)間的海面地形之差。根據(jù)運(yùn)動(dòng)方程6：式中為x(x1，x2,x3)的加速度，gradV為瞬時(shí)引力位梯度，gradP為壓力(壓強(qiáng))梯度，F(xiàn)為擾動(dòng)力，對(duì)于與海面水平和垂直的x1,x2方向有式中，科里奧系數(shù)f=2vsin，v為海水流速，為緯度，當(dāng)不顧及海水流動(dòng)加速度和擾動(dòng)加速度，則科氏力與壓力梯度相平衡，此時(shí)稱這樣的海流為地轉(zhuǎn)流。若是知道海流的速度，在求出壓力的水平梯度后，則海面上相鄰點(diǎn)間的起伏或海面地形差值可求。但需指出，以上兩種方法的測(cè)定精度不夠高，約為1020 cm或更大。2.2測(cè)高重力法利用衛(wèi)星測(cè)高數(shù)據(jù)結(jié)合海洋重力資料，同時(shí)解算擬穩(wěn)態(tài)海面地形和大地水準(zhǔn)面起伏

9、，所謂擬穩(wěn)態(tài)海面地形(QSST)是相對(duì)于穩(wěn)態(tài)海面地形(SST)而言，前者是時(shí)間和位置的函數(shù)，后者僅是位置的函數(shù)。如果認(rèn)為從某一歷元起(時(shí)間段內(nèi))兩者一致，則兩者無(wú)需區(qū)分，不過(guò)實(shí)際上難以做到。有的研究者運(yùn)用最小平方配置方法并借助于先驗(yàn)的信號(hào)階方差模型，有可能分離QSST與大地水準(zhǔn)面起伏。目前有的學(xué)者利用精確的Topex/Poseidon等測(cè)高資料求出了77 km的平均海面高和重力異常7。如果將測(cè)高資料與重力場(chǎng)模型和海上重力資料相結(jié)合，則可同時(shí)定出海面地形與大地水準(zhǔn)面起伏。2.3大地測(cè)量方法一是在全球各個(gè)高程基點(diǎn)上與最近的VLBI站或SLR、GPS站進(jìn)行聯(lián)測(cè)，以便在這些點(diǎn)上具有精確三維坐標(biāo)(某一瞬

10、間)，不過(guò)在相應(yīng)點(diǎn)間需有精確的位差或正高，在以測(cè)站為中心的200 km范圍內(nèi)有密布的重力數(shù)據(jù)。目前全球各空間大地測(cè)量站確定地面點(diǎn)的定位精度已達(dá)到110 cm，一般在5 cm以下，全球的IERS站有171個(gè)，國(guó)際GPS服務(wù)(IGS)站有85個(gè)，此外還有其它測(cè)站，其中包括我國(guó)的6個(gè)站在內(nèi)。對(duì)全球而言已有目前最佳的重力模型，如EGM96的360階重力位模型及其它一些模型，這樣就可使全球高程基準(zhǔn)能夠達(dá)到0.1 m2/s2(千伽厘米)的精度。估計(jì)這種方法的精度比其它方法的高，目前各國(guó)大地測(cè)量學(xué)者正在著手解決這一問題，并有望取得更高的精度。根據(jù)不同情況進(jìn)行估算，用該法得到的精度在0.42.1 m2/s28

11、。由于大地高h(yuǎn)與大地水準(zhǔn)面起伏(N)之差等于正高H0，因此求取H0的精度也取決于N，由文獻(xiàn)3、9可知：式中G為引力常數(shù)，M為地球的質(zhì)量，a為地球平均半徑，M0、U0和、m為正常橢球的質(zhì)量、正常位和正常重力及其平均值，nm為正?；奈幌禂?shù)，r,、為計(jì)算點(diǎn)的向徑、余緯和經(jīng)度，張赤軍10即利用上式計(jì)算出珠穆朗瑪峰的正高，該值為8 847.82 m。上式中：nm(cos)為正?；兆尩露囗?xiàng)式，有人已經(jīng)利用360階地球位模型及圍繞測(cè)點(diǎn)2內(nèi)有詳細(xì)的重力數(shù)據(jù)作出估計(jì)，N的誤差為18.6 cm8。近年來(lái)由于位模型的改善，使N的誤差還會(huì)減小。另一種是大地水準(zhǔn)重力法，所謂大地水準(zhǔn)就是精密水準(zhǔn)測(cè)量，它是一種地面上的

12、幾何水準(zhǔn)測(cè)量，盡管它的測(cè)量精度很高，但由于地面二點(diǎn)間的幾何高差是與路徑有關(guān)系，是一個(gè)多值函數(shù)，故不能單獨(dú)用它來(lái)測(cè)定高程，只有將它與重力測(cè)量相結(jié)合，并用位差來(lái)表示這才能完整準(zhǔn)確地表示出正高，即H0=，gm為平均重力值，顯然在大地水準(zhǔn)面上H0=0，大地水準(zhǔn)雖然精度高，但費(fèi)時(shí)費(fèi)力，不過(guò)在我國(guó)已經(jīng)進(jìn)行了兩期大地水準(zhǔn)的測(cè)量。將按上述方法求得的結(jié)果與驗(yàn)潮站的相比較，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，我國(guó)渤海的葫蘆島與南海的闡門，兩者互差近62 cm，從而證明了海面自北向南往上傾斜。2.4相對(duì)論方法11有的學(xué)者認(rèn)為可用此法來(lái)直接測(cè)量位差，其原理是運(yùn)用廣義相對(duì)論引力頻移原理，對(duì)運(yùn)動(dòng)著的地球進(jìn)行檢測(cè)和計(jì)算。地球的自轉(zhuǎn)可使其在順、逆前進(jìn)

13、方向上產(chǎn)生不同的收縮，而地球軌道的運(yùn)動(dòng)速度(公轉(zhuǎn))僅為光速的萬(wàn)分之一，它們收縮達(dá)510-9。這意味著地球的直徑在其運(yùn)動(dòng)方向上將縮短6.4 cm。從理論上講，用上述引力對(duì)頻率標(biāo)準(zhǔn)的效應(yīng)可以測(cè)得地球表面上兩點(diǎn)間的位差。但實(shí)際上至今尚未見到該法用于實(shí)際。3待研究的幾個(gè)問題(1) 在海洋學(xué)法中，假定作為壓力基準(zhǔn)的等壓面與等位面相重合，這無(wú)論在理論上或?qū)嶋H上是無(wú)法嚴(yán)格做到的。此外，對(duì)2 000 m以下鹽度和溫度密度知道得很少，它們對(duì)動(dòng)力高的貢獻(xiàn)可達(dá)30%，這是不可忽視的。值得指出的是，在美國(guó)西海岸用該法測(cè)得的海面，與由大地水準(zhǔn)測(cè)得的結(jié)果相反，這仍是值得研究的問題。在地轉(zhuǎn)流水準(zhǔn)中假定只有橫向的海流或洋流，

14、實(shí)際上縱向流也是存在的，例如在極區(qū)附近的洋區(qū)，冷流向下，而在赤道則有向上的暖流，盡管從大趨勢(shì)講，海洋學(xué)方法確定海面地形的結(jié)果與測(cè)高相近，但為測(cè)定更精確的海面地形，必須對(duì)以上的不足加以試驗(yàn)和研究。(2) 在測(cè)高重力法中，測(cè)高儀僅能測(cè)定某一歷元內(nèi)(衛(wèi)星壽命不會(huì)很長(zhǎng))的QSST的長(zhǎng)波部分，波長(zhǎng)一般在4 000 km左右，故研究它們的短波部分很有必要，至于軌道的徑向誤差、電離層、對(duì)流層的影響等仍有待于深入研究，而擬穩(wěn)態(tài)海面地形與穩(wěn)態(tài)海面地形之間的關(guān)系也需作探討。值得注意的是，只有將測(cè)高資料和重力數(shù)據(jù)相結(jié)合，才能確定海洋的大地水準(zhǔn)面和海面地形。目前雖已有了與地球重力模型相匹配并用36階球函數(shù)表示的海面地

15、形，可是它的分辨率仍然很低，且在靠近海灣港口附近也不能獲得精確的海面地形，但不管怎樣，測(cè)高重力法仍然是今后發(fā)展的主要方向。(3) 到目前為止，大地測(cè)量方法仍然是確定大地水準(zhǔn)面和海面地形的最佳的方法，還可以將GPS的結(jié)果與雷達(dá)測(cè)高相比較和補(bǔ)充，借以提高精度12。如果利用衛(wèi)星對(duì)衛(wèi)星的跟蹤以及重力和重力梯度衛(wèi)星資料，則可能使測(cè)定精度更有所提高，并將它們與衛(wèi)星測(cè)高相結(jié)合，其測(cè)定范圍將可擴(kuò)大至廣闊無(wú)垠的洋區(qū)。至于如何減弱GM0-GM、W0-U0的誤差13，14以及提高位系數(shù)的精度，提高SLR、VLBI和GPS在垂直方向的觀測(cè)精度，以及如何進(jìn)一步降低大地水準(zhǔn)面的測(cè)定誤差、多種數(shù)據(jù)的處理方法等仍然是有待解決

16、的問題。(4) 鑒于高精度確立GVD需有一個(gè)較長(zhǎng)的過(guò)程，也不是十年、八年所能完成，加之在確定中可資利用的全球數(shù)據(jù)，是由數(shù)十年乃至百年積累的，因此在數(shù)據(jù)處理的過(guò)程中，必須考慮觀測(cè)點(diǎn)上的地殼垂直運(yùn)動(dòng)。地表的垂直位移顯示出隆起機(jī)制與侵蝕之間的不平衡，或沉降機(jī)制與沉積之間的不平衡，在地質(zhì)上討論隆起和沉降機(jī)制時(shí)，常常與地質(zhì)的構(gòu)造運(yùn)動(dòng)、斷層活動(dòng)、熱機(jī)制、侵蝕和沉積負(fù)荷、地殼的流變性(冰后回彈)等問題相聯(lián)系，例如人們?cè)诎捅葋喰聨變?nèi)亞的銅礦同位素測(cè)定中發(fā)現(xiàn)那里平均隆起速率為1.3 mm/a4，在芬蘭的斯堪的那維亞的中心，每年上升9 mm14。如果在這樣的地區(qū)設(shè)立驗(yàn)潮站或大地測(cè)量站和對(duì)于數(shù)十年觀測(cè)資料作處理時(shí)，

17、就必須顧及隆起等地質(zhì)因素的影響。同樣在我國(guó)高程原點(diǎn)的青島，也有近1 mm/a的變化15，其變化的地質(zhì)機(jī)理和規(guī)律仍在研究中。(5) 現(xiàn)已知道，風(fēng)是洋流的驅(qū)動(dòng)力，大氣壓力也是引起海面地形的一個(gè)因素，因此要想知道大氣與海洋之間的界面，還必須研究氣象因素、大氣和海洋的熱收支對(duì)海面與大地水準(zhǔn)面的影響。4幾點(diǎn)建議鑒于統(tǒng)一全球高程基準(zhǔn)甚為重要，而國(guó)際上正在加緊進(jìn)行研究和實(shí)施的時(shí)候，我們也應(yīng)抓住這一有利時(shí)機(jī)，結(jié)合我國(guó)的實(shí)際情況，密切與國(guó)際同行們合作，為建立統(tǒng)一的高程基準(zhǔn)作出自己的貢獻(xiàn)，現(xiàn)提供下列建議：(1) 測(cè)繪、海洋、地質(zhì)、地球物理和氣象等部門應(yīng)密切合作，對(duì)海面地形包括穩(wěn)態(tài)地形、擬穩(wěn)態(tài)地形以及其間的關(guān)系等進(jìn)

18、行研究，從不同學(xué)科對(duì)E、S、G、T等面進(jìn)行研究。(2) 開展海洋、大氣熱傳輸及其對(duì)海面和GVD的研究。(3) 收集和分析測(cè)高數(shù)據(jù)，尋求長(zhǎng)波與短波的分離方法及其它們之間的聯(lián)系以及如何提高測(cè)高精度(如提高到1 cm)。在沿海驗(yàn)潮站間的水準(zhǔn)聯(lián)測(cè)資料中，對(duì)大氣折射、磁場(chǎng)等影響和重力改正等需作深入分析，并將這一結(jié)果與垂直構(gòu)造運(yùn)動(dòng)、海平面變化等觀測(cè)統(tǒng)一起來(lái)進(jìn)行研究。(4) 積極改進(jìn)SLR、GPS觀測(cè)技術(shù)，提高它們的垂直定位精度，爭(zhēng)取使定位精度高于1 cm，改善目前用于GPS的WG84系統(tǒng)。在對(duì)驗(yàn)潮站及SLR站開展精化大地水準(zhǔn)面和時(shí)變重力場(chǎng)的研究，其中包括在界圓2內(nèi)的重力點(diǎn)布設(shè)，以及怎樣才能精確測(cè)定GM、W0和建立平差模型等等。(5) 進(jìn)一步了解地球的流變特性，繼續(xù)對(duì)固體潮、海洋負(fù)荷潮、冰后效