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地球物理学报
地球物理学报

刘光鼎

月刊

0001-5733

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010-82998105

100029

北京市9825信箱

地球物理学报/Journal Chinese Journal of GeophysicsCSCD北大核心CSTPCDEISCI
查看更多>>本刊为专业学术性刊物。报道地球物理学领域的研究成果，刊登论文、研究简报及综述等。内容涉及地震及地球内部物理学和化学、地磁及空间物理、重力及大地测量学、大地构造物理学、地球动力学、勘探地球物理、海洋及大气物理等方面。读者对象为地球物理及其相关学科的科学技术工作者和大专院校师生。
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    哨声模合声波对辐射带电子扩散系数的多维建模及损失时间尺度建模研究

    张琼月马新郭德宇付松...
    1679-1698页
    查看更多>>摘要：哨声模合声波是地球内磁层中一种典型的等离子体电磁波动,对辐射带电子动态演化起着至关重要的作用.合声波可以与外辐射带电子发生相互作用,将电子散射至损失锥进而沉降至大气;此外合声波也能将几十keV的电子加速到几MeV,是辐射带相对论电子的重要来源.因此,快速准确地计算合声波对辐射带电子的扩散系数,对于优化地球辐射带动理学建模并深入理解电子通量的演化机制具有重要作用.本研究利用Full Diffusion Code(FDC)定量计算了典型合声波波模对辐射带电子的弹跳平均投掷角、能量和交叉扩散系数,并建立了地球内磁层空间中L为2～7、背景环境参数α*为1～13,投掷角αeq为0°～90°、能量Ek为10 eV～10 MeV的电子散射系数矩阵数据库.在此基础上通过线性插值方法可以快速得到不同L和α*参数条件下的合声波对辐射带电子的扩散系数,并计算相对误差验证应用线性插值方法的合理性和准确性.基于扩散系数矩阵数据库,本研究还计算了合声波散射辐射带电子的损失时间尺度,建立了以L、α*和Ek为输入参数的电子损失时间尺度经验模型,从而可以快速获取合声波散射电子的损失时间尺度.结果表明,扩散系数矩阵数据库构建和线性插值方法的使用大幅度减少了获取不同L和α*对应的扩散系数所需时间,同时建立的三维损失时间尺度经验模型可快速得到不同L、α*和Ek所对应合声波散射辐射带电子的损失时间尺度,这些结果提高了地球辐射带动理学建模效率,对于空间天气预报具有重要意义.

    波粒相互作用合声波辐射带电子扩散系数损失时间尺度

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    基于一维变分法的微波辐射计反演边界层温湿廓线

    黄威李宛桐胡帅脱宇峰...
    1699-1708页
    查看更多>>摘要：地基微波辐射计能够克服星载遥感对低层大气不敏感的缺点,在边界层大气探测方面更具优势.一维变分反演算法考虑了辐射传输过程等物理机制,在应用于微波辐射计的反演时具有很高的可信度.针对微波辐射计信息含量较低以及一维变分算法收敛率不高等问题,提出利用地面气象要素改进算法在近地面层的反演精度和引入正则化算子提升算法的收敛特性.利用探空数据对上述改进方法的提升效果进行验证,结果表明:地面气象要素的引入使得反演算法在地表温湿度的均方根误差分别降低了 78.2％和55.5％,对于上层大气温湿廓线也有小幅提升;正则化算子对算法的反演时间和反演精度影响很小,但是可以显著地减少未收敛样本个数和提升反演廓线的质量.

    一维变分温湿廓线微波辐射计正则化算子

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    土壤湿度-地表气温耦合对长江中下游地区2022年8月复合型热浪事件的影响

    崔彩珍余锦华代刊云星娥...
    1709-1720页
    查看更多>>摘要：2022年8月长江中下游地区的复合型热浪给社会经济、人类健康、农业生产和自然环境等方面均造成了严重影响.本文利用国家信息中心提供的1979-2022年6-8月逐日最高、最低气温和欧洲中期天气预报中心再分析数据集的土壤湿度等资料,定义了复合型热浪事件强度指数及其相应的土壤湿度-地表气温耦合指数,采用分段线性拟合等方法,探讨此次复合型热浪特征及土壤湿度-地表气温耦合的影响.结果表明:(1)2022年8月长江中下游地区的复合型热浪事件强度为1979年以来最强,伴随最强的土壤湿度-地表气温耦合.空间分布显示,强的热浪发生在四川东部、重庆西部、湖南等地,这些区域的土壤湿度严重偏干,蒸发受限,获得的净辐射主要用于地表向上的感热通量,使土壤湿度-地表气温出现强的正反馈过程,对热浪的维持起重要作用.(2)复合型热浪中土壤湿度-地表气温耦合影响日间和夜间热浪的物理强迫及过程不同:日间,地表净太阳短波向下辐射增强的强迫作用,促使发生强的土壤湿度-地表气温耦合,引起日间热浪.夜间,白天积累在土壤的热量,通过减小大气热量通量辐散,使夜间地表气温下降减慢,形成夜间热浪,这与以往研究单独夜间热浪的过程不同,后者认为夜间热浪主要与大气柱水汽增加引起的大气逆辐射增强有关.

    复合型热浪事件土壤湿度-地表气温耦合长江中下游地区

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    顾及日变化和非线性垂直改正的区域大气加权平均温度模型

    黄良珂廖发圣陈发德张红星...
    1721-1732页
    查看更多>>摘要：大气加权平均温度(Tm)是全球导航卫星系统(GNSS)技术反演大气水汽的关键因素,针对已有区域Tm模型未能同时顾及Tm在垂直方向的非线性变化和精细的日变化以及在构建模型时仅使用单一格网点数据等问题,本文以中国地区为研究区域,提出了一种基于滑动窗口的区域Tm建模方法,利用2012-2017年欧洲中期天气预报中心(ECMWF)的ERA5资料建立顾及日变化和非线性垂直改正的区域Tm格网模型(CNTm模型).联合未参与建模的2018年ERA5资料和无线电探空数据,验证CNTm模型的精度和适用性,并与当前广泛使用的GPT3模型和顾及了线性垂直改正的IGPT2w模型进行精度对比.结果表明:以2018年ERA5资料和无线电探空数据为参考值,CNTm模型的均方根误差(RMS)分别为3.31 K和3.21 K,其精度相较于GPT3模型分别提高了约16％和23％,相较于IGPT2w模型分别提高了约7％和11％;顾及了非线性垂直改正的CNTm模型的估计值更接近于Tm在垂直方向上的变化趋势,且CNTm模型能够捕获Tm的日变化.由于CNTm模型在研究区域表现出优异的性能,因此,其在研究区域实时高精度、高分辨率GNSS水汽监测中具有重要的应用.

    CNTm模型大气加权平均温度全球导航卫星系统非线性垂直改正日变化

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    星载加速度计频域噪声对时变重力场反演的影响研究

    周浩李耀宗周泽兵肖云...
    1733-1745页
    查看更多>>摘要：星载加速度计是低低卫星跟踪卫星测量的核心载荷之一,其观测噪声受仪器本身和观测环境的综合影响.本文综合考虑加速度计仪器的研制能力和观测环境,系统分析了不同频率特性的加速度计噪声对时变重力场反演精度的影响.首先,下一代重力卫星推行的加速度计频域噪声明显小于GRACE卫星搭载的加速度计,但受限于背景力模型误差的影响,其反演重力场模型精度的提升幅度小于2％.其次,受卫星飞行过程中温度和磁场等周期性变化的影响,加速度计观测数据中存在固定频率的音调误差,在同类型、大小的音调误差下,径向和沿轨方向的音调误差对重力场精度的影响显著,而法向方向影响较小;以能否提取空域内的时变信号为限制条件,径向和沿轨方向的音调误差应小于10-8m·s-2,而法向方向可放宽至10-7m·s-2;为了削弱时变重力场模型南北条带误差的影响,应该约束加速度计高频音调误差的影响.最后,探讨了三轴敏感加速度计对重力场反演精度的潜在贡献,由于重力场反演精度与加速度计法方向观测精度的响应关系相对较弱,三轴敏感加速度计仅能提升约2％的重力场反演精度.研究结果表明,由于加速度计频域噪声与重力场反演精度存在复杂的响应关系,在重力卫星研制或观测数据处理过程中,不能仅仅考虑加速度计的噪声水平,还应该充分考虑加速度计在频域内各类噪声特性的影响.

    星载加速度计频域噪声音调误差时变重力场卫星重力测量

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    利用GPS观测中国大陆固体地球潮汐形变

    韩昆延袁林果姜中山由晓文...
    1746-1766页
    查看更多>>摘要：利用中国陆态网242个GPS连续观测站超过10年的观测数据,采用精密单点定位静态方法获得了八个主要潮波的三维潮汐位移.与建模值对比结果表明,GPS观测潮汐位移的精度可达亚毫米级.进一步将GPS观测值与OTL(Ocean Tide Loading)建模值对比,除DTU10外其他七种海潮模型与GPS观测值之间一致性较好.综合考虑验潮站观测结果,最适合中国大陆M2、O1潮波OTL建模的海潮模型是TPXO9-Atlas,地球模型为PREM.本研究还发现,M2、O1潮波GPS观测值与建模值之间的残差存在明显的大尺度空间相关性,表明中国地区存在固体潮建模误差等系统误差.本文对198个离海岸线距离超过200 km的内陆站点的系统误差进行分析,改正系统误差后内陆站点东、北和垂直方向加权均方根误差(Weighted Root Mean Square,简称WRMS)分别为:0.04 mm、0.07 mm 和 0.11 mm(M2),0.05 mm、0.07 mm 和 0.11 mm(O1);44 个沿海站点 WRMS 分别为:0.18 mm、0.27 mm 和0.59 mm(M2),0.10 mm、0.16 mm和0.30 mm(O1).部分沿海站点仍存在较大残差,主要源于海潮负荷位移建模误差,除海潮模型外还包括海水密度、地球模型、上地幔和地壳模型等因素影响.本文首先使用最新WOA(World Ocean Atlas)18海洋数据集计算海水密度和可压缩性的影响,结果表明中国大陆OTL建模对海水密度变化和可压缩性并不敏感.其次,软流圈滞弹性散耗效应可使半日潮软流圈的剪切模量降低约8.5％,周日潮软流圈的剪切模量降低约9.1％,考虑滞弹性散耗效应,M2、O1潮波垂直方向上残差最大可分别减小0.50 mm、0.25 mm.最后,本文利用GPS实测数据对四种三维地球模型进行了适用性评价,结果表明除USTC地球模型受沉积层影响外,其他三种地球模型都能有效提高GPS观测结果与理论建模结果的一致性;另外全球地壳模型CRUST1.0与GPS观测值之间的残差最小,说明中国大陆海潮负荷建模精度受地壳结构精度影响较大.本文研究结果证明现今中国大陆GPS观测潮汐位移的结果已经具有足够的精度用于约束该区域地球内部结构.

    GPS固体潮海潮负荷效应地球模型滞弹性散耗效应

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    泸定Ms6.8地震发震机制研究——来自震前噪声成像和b值分布的共同约束

    花茜裴顺平杨宜海薛晓添...
    1767-1780页
    查看更多>>摘要：2022年9月5日四川省甘孜州泸定县发生了 Ms6.8地震,打破了鲜水河断裂带东南段的大震"平静期",造成了重大自然灾害.清楚认识泸定地震震源区发震构造、地震活动性和应力状态对研究强震发震机制具有重要作用.本文利用震前在泸定地震震源区布设的50台短周期流动地震台阵观测资料及区域地震台网震相走时数据,分别采用背景噪声成像、双差定位和改进的b值成像技术,获得了震前震源区浅层高分辨率S波速度结构、地震空间分布及b值横向变化图像.结果揭示,泸定地震主震初始破裂起始于鲜水河断裂磨西段、具有高速异常和高应力特征的凹凸体内;主震西侧存在一条隐伏的正断型伴生分支断裂,5.0级的最大余震即发生在该断裂上;主震凹凸体的破裂同时造成了东南方向另一个较小高速凹凸体的破裂并形成密集余震群.由此可见,震源区跨断层高速异常"铆钉"结构和震前的高应力积累在整体上控制了泸定地震的发生和强余震活动.通过浅层高分辨率结构成像识别这种特殊的"铆钉"结构,同时通过b值成像识别高应力区,可有效评估断层的发震能力,对重点区域地震危险性研判具有极其重要的意义.

    泸定Ms6.8地震S波速度结构b值成像高速凹凸体地震发震机制

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    2022年门源Ms6.9地震的同震滑动分布:联合InSAR、GPS和地表位错的贝叶斯建模

    路珍王丽凤黄伟亮刘传金...
    1781-1796页
    查看更多>>摘要：2022年1月8日青海省门源Ms6.9地震发生于托莱山断裂东段和冷龙岭断裂西段的交汇部位,其运动学特征关系到青藏高原北缘的动力学行为,同时也是区域地震危险性评估中的基础数据.本研究针对该地震,综合InSAR和GPS观测的同震位移场,以及野外地质调查的同震位错数据,采用贝叶斯反演方法,构建同震滑动分布,断层模型采用三角网格更好地刻画断层的不规则几何形态.结果显示,本次左旋走滑型地震的主要滑动发生在冷龙岭断裂西段,深度范围约2～6 km,计算的地震矩为0.95×1019N·m,对应矩震级Mw6.65.利用多数据的联合反演解析出,沿走向存在两个滑动集中区,东侧的最大滑动达约4.8 m.震间亏损能量和库仑应力分析表明,托莱山断裂和冷龙岭断裂仍存在未来发震潜能;该地震造成的应力变化,对长期地震空区金强河—毛毛山段落有加载作用,因此,该段未来地震危险性值得关注.

    2022年门源地震同震滑动分布多数据联合反演贝叶斯方法冷龙岭断裂

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    通州—三河地区沉积层高分辨率三维S波速度结构和径向各向异性

    冯宣政鲁来玉秦彤威张友源...
    1797-1818页
    查看更多>>摘要：北京大都市区位于冀中凹陷与太行山隆起和燕山褶皱带的交汇区,区内被第四系松软沉积层覆盖,历史和现今的地震活动性表明,其面临潜在的巨震风险.地震风险评估和强地面运动模拟依赖准确的沉积层三维S波速度模型.本文基于布设在通州—三河地区前所未有的密集台阵数据,构建了该区域高分辨率三维S波速度结构和径向各向异性模型.首先将919个台站组成的密集台阵划分为若干子台阵,利用修正的背景噪声聚束分析方法,提取各个子台阵的Love波频散曲线,通过深度反演构建了通州—三河地区三维SH波速度模型.结合由基阶和一阶Rayleigh波模式反演构建的三维SV波速度模型,获得了台阵下方的径向各向异性模型.模型显示,大兴断裂在穿过牛堡屯之后,继续向北东向延伸约20 km.大兴凸起以大兴断裂为界,表现出明显不同的构造特征和沉积过程.断裂的北西侧第四系沉积层较浅,推测约为100～400 m;断裂的南东侧第四系沉积层厚度横向变化较大,发育夏垫凹陷和甘棠凹陷.沉积盆地径向各向异性的幅度可达±20％,地表约0～60 m范围有一较强的负径向各向异性(VSH＜VSV)覆盖层,推测与该地区垂直地裂缝发育有关.正的径向各向异性(VSH＞VSV)是沉积作用造成的水平层序排列的沉积分层的反映.

    通州—三河地区沉积层密集台阵聚束三维S波速度结构径向各向异性

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    基于逐元和轴对称谱元的混合方法及远震波场模拟

    李昊臻刘少林董兴朋蒙伟娟...
    1819-1831页
    查看更多>>摘要：远震波形成像是研究地球内部结构和动力学过程的重要手段.然而,由于巨大的计算需求,当前在全球尺度(包含震源-台站)数值模拟高频(频率到2 Hz)地震波传播并不现实.谱元法是一种高有效性的数值模拟算法,具有高精度和网格剖分灵活的优点,并且已经成功应用于弹性波方程求解中.但缺点是求解远震问题时计算量和存储量较大.为了克服上述难题,本文发展了一种基于逐元并行谱元法与轴对称谱元法相结合的混合方法:即在全球尺度层状模型下使用具有快速计算效率的轴对称谱元法模拟远震背景波场,而在研究区域内使用逐元并行谱元法精确计算非均匀介质中远震波场传播.该方法减少了非均匀介质中远震波场模拟的计算量与存储量,并保持了逐元并行谱元法高精度、低存储量、易并行的优点.数值实验验证了该混合方法的可行性和精确性,并有望进一步应用于实际地震数据远震波形成像研究中.

    弹性波方程混合方法逐元谱元法轴对称谱元法远震波场模拟

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