全球垂直基準研究中的幾點思考

1、全球垂直基準研究中的幾點思考張赤軍摘要：目前全球垂直基準問題的研究已受到各有關國家的關注。介紹了建立全球垂直基準的意義、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。關鍵詞：全球垂直基準；大地水準面；海面地形；地殼垂直運動中圖分類號：P312文獻標識碼：A文章編號：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.由于科學的發(fā)展和全球變化研究等客觀實際的需要，當前世界各國對建立和研究全球垂直基準(GVD)甚為重視。在1983年第18屆IUGG(國際大地測量與地球物理聯(lián)合會)的會議上IAG(大地測量協(xié)會)就成立了相應的專題SSG 1.75研究組，并相繼成立了SSG 5.149研究組。在1987年IAU(國際天文聯(lián)合會)和IUGG又聯(lián)合成立了IERS組織(國際地球自轉局)，該局于1996年10月的會議上專門討論了全球垂直參

4、考系(GVR)1，無論是GVR或GVD均具有相同的概念、都涉及地球上存在的幾個面，即地球參考橢球(E)、大地水準面(G)、海洋大氣邊界面(S)、大陸地形面(T)，為進一步研究和確定上述幾個面間的關系及它們隨時間的變化，大地測量學、海洋學、地質學、地球物理學、地球動力學等方面的科技工作者正在積極開展有關工作。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)的一些點或由這些點組成的面，由于這種高程是在重力場中測定的，亦即在這些點間的位差或大地位數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面。從概念上講，把無擾動的海

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

6、.510-5 ms-2(mGal)，如用它計算大地水準面，其誤差將有可能超過7 cm3。(3) 檢測相鄰兩地的大地水準和海洋水準的結果，為確定海面傾斜提供資料。(4) 為全球定位系統(tǒng)(GPS)的觀測提供正高(海拔高)。(5) 為確定海面地形提供基準。(6) 與研究地殼垂直運動相結合，為監(jiān)測海平面的變化提供依據。2確定全球垂直基準的幾種方法2.1海洋學法它的作用是用位水準和地轉流水準來確定海面地形(平均海面距大地水準面的高度)。位水準法的前提是假定海洋面上的地轉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，則相對于大地水準面的海面地形可求，亦即：這時位差：W=ghD，hD為動力高。當取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，則動力高4：式中p為水柱的壓力。實際上，人們測量的不是密度，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)的一個標準水柱的密度。根據上式求出各點的動力高，則海面地形可以確定。例如Lisitzin就據此方法編制成全球海面變化圖和局部海面地形圖，并標出美國西海岸由北向南上升了20 cm5。地轉流水準法則是假定海面在流動中產生的科氏力與壓強梯度項

8、相平衡，然后根據兩點間的流速可計算兩點間的海面地形之差。根據運動方程6：式中為x(x1，x2,x3)的加速度，gradV為瞬時引力位梯度，gradP為壓力(壓強)梯度，F(xiàn)為擾動力，對于與海面水平和垂直的x1,x2方向有式中，科里奧系數f=2vsin，v為海水流速，為緯度，當不顧及海水流動加速度和擾動加速度，則科氏力與壓力梯度相平衡，此時稱這樣的海流為地轉流。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，以上兩種方法的測定精度不夠高，約為1020 cm或更大。2.2測高重力法利用衛(wèi)星測高數據結合海洋重力資料，同時解算擬穩(wěn)態(tài)海面地形和大地水準面起伏

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

10、間)，不過在相應點間需有精確的位差或正高，在以測站為中心的200 km范圍內有密布的重力數據。目前全球各空間大地測量站確定地面點的定位精度已達到110 cm，一般在5 cm以下，全球的IERS站有171個，國際GPS服務(IGS)站有85個，此外還有其它測站，其中包括我國的6個站在內。對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能夠達到0.1 m2/s2(千伽厘米)的精度。估計這種方法的精度比其它方法的高，目前各國大地測量學者正在著手解決這一問題，并有望取得更高的精度。根據不同情況進行估算，用該法得到的精度在0.42.1 m2/s28

11、。由于大地高h與大地水準面起伏(N)之差等于正高H0，因此求取H0的精度也取決于N，由文獻3、9可知：式中G為引力常數，M為地球的質量，a為地球平均半徑，M0、U0和、m為正常橢球的質量、正常位和正常重力及其平均值，nm為正常化的位系數，r,、為計算點的向徑、余緯和經度，張赤軍10即利用上式計算出珠穆朗瑪峰的正高，該值為8 847.82 m。上式中：nm(cos)為正?；兆尩露囗検?，有人已經利用360階地球位模型及圍繞測點2內有詳細的重力數據作出估計，N的誤差為18.6 cm8。近年來由于位模型的改善，使N的誤差還會減小。另一種是大地水準重力法，所謂大地水準就是精密水準測量，它是一種地面上的

12、幾何水準測量，盡管它的測量精度很高，但由于地面二點間的幾何高差是與路徑有關系，是一個多值函數，故不能單獨用它來測定高程，只有將它與重力測量相結合，并用位差來表示這才能完整準確地表示出正高，即H0=，gm為平均重力值，顯然在大地水準面上H0=0，大地水準雖然精度高，但費時費力，不過在我國已經進行了兩期大地水準的測量。將按上述方法求得的結果與驗潮站的相比較，已經發(fā)現(xiàn)，我國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相對論方法11有的學者認為可用此法來直接測量位差，其原理是運用廣義相對論引力頻移原理，對運動著的地球進行檢測和計算。地球的自轉可使其在順、逆前進

13、方向上產生不同的收縮，而地球軌道的運動速度(公轉)僅為光速的萬分之一，它們收縮達510-9。這意味著地球的直徑在其運動方向上將縮短6.4 cm。從理論上講，用上述引力對頻率標準的效應可以測得地球表面上兩點間的位差。但實際上至今尚未見到該法用于實際。3待研究的幾個問題(1) 在海洋學法中，假定作為壓力基準的等壓面與等位面相重合，這無論在理論上或實際上是無法嚴格做到的。此外，對2 000 m以下鹽度和溫度密度知道得很少，它們對動力高的貢獻可達30%，這是不可忽視的。值得指出的是，在美國西海岸用該法測得的海面，與由大地水準測得的結果相反，這仍是值得研究的問題。在地轉流水準中假定只有橫向的海流或洋流，

14、實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，盡管從大趨勢講，海洋學方法確定海面地形的結果與測高相近，但為測定更精確的海面地形，必須對以上的不足加以試驗和研究。(2) 在測高重力法中，測高儀僅能測定某一歷元內(衛(wèi)星壽命不會很長)的QSST的長波部分，波長一般在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)海面地形之間的關系也需作探討。值得注意的是，只有將測高資料和重力數據相結合，才能確定海洋的大地水準面和海面地形。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，大地測量方法仍然是確定大地水準面和海面地形的最佳的方法，還可以將GPS的結果與雷達測高相比較和補充，借以提高精度12。如果利用衛(wèi)星對衛(wèi)星的跟蹤以及重力和重力梯度衛(wèi)星資料，則可能使測定精度更有所提高，并將它們與衛(wèi)星測高相結合，其測定范圍將可擴大至廣闊無垠的洋區(qū)。至于如何減弱GM0-GM、W0-U0的誤差13，14以及提高位系數的精度，提高SLR、VLBI和GPS在垂直方向的觀測精度，以及如何進一步降低大地水準面的測定誤差、多種數據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需有一個較長的過程，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據，是由數十年乃至百年積累的，因此在數據處理的過程中，必須考慮觀測點上的地殼垂直運動。地表的垂直位移顯示出隆起機制與侵蝕之間的不平衡，或沉降機制與沉積之間的不平衡，在地質上討論隆起和沉降機制時，常常與地質的構造運動、斷層活動、熱機制、侵蝕和沉積負荷、地殼的流變性(冰后回彈)等問題相聯(lián)系，例如人們在巴比亞新幾內亞的銅礦同位素測定中發(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)設立驗潮站或大地測量站和對于數十年觀測資料作處理時，

17、就必須顧及隆起等地質因素的影響。同樣在我國高程原點的青島，也有近1 mm/a的變化15，其變化的地質機理和規(guī)律仍在研究中。(5) 現(xiàn)已知道，風是洋流的驅動力，大氣壓力也是引起海面地形的一個因素，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海面與大地水準面的影響。4幾點建議鑒于統(tǒng)一全球高程基準甚為重要，而國際上正在加緊進行研究和實施的時候，我們也應抓住這一有利時機，結合我國的實際情況，密切與國際同行們合作，為建立統(tǒng)一的高程基準作出自己的貢獻，現(xiàn)提供下列建議：(1) 測繪、海洋、地質、地球物理和氣象等部門應密切合作，對海面地形包括穩(wěn)態(tài)地形、擬穩(wěn)態(tài)地形以及其間的關系等進

18、行研究，從不同學科對E、S、G、T等面進行研究。(2) 開展海洋、大氣熱傳輸及其對海面和GVD的研究。(3) 收集和分析測高數據，尋求長波與短波的分離方法及其它們之間的聯(lián)系以及如何提高測高精度(如提高到1 cm)。在沿海驗潮站間的水準聯(lián)測資料中，對大氣折射、磁場等影響和重力改正等需作深入分析，并將這一結果與垂直構造運動、海平面變化等觀測統(tǒng)一起來進行研究。(4) 積極改進SLR、GPS觀測技術，提高它們的垂直定位精度，爭取使定位精度高于1 cm，改善目前用于GPS的WG84系統(tǒng)。在對驗潮站及SLR站開展精化大地水準面和時變重力場的研究，其中包括在界圓2內的重力點布設，以及怎樣才能精確測定GM、W0和建立平差模型等等。(5) 進一步了解地球的流變特性，繼續(xù)對固體潮、海洋負荷潮、冰后效