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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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    极区受激电磁辐射实验研究

    陈靓杨巨涛何凌磊李清亮...
    2487-2495页
    查看更多>>摘要：受激电磁辐射(stimulated electromagnetic emissions,SEE)复杂的谱线特征,为研究电离层加热物理机制提供了强有力的研究手段.本文基于2017年和2022年我国学者利用EISCAT加热系统开展电离层加热实验期间的SEE数据,分析了加热电磁波的极化、频率、功率以及波束指向对SEE谱线特征的影响,研究结果表明:(1)相比于非寻常波,加热波为寻常波实验期间更易观测到丰富的SEE谱线结构,如频率上移分量最大值(upshifted maximum,UM)、热窄带连续谱(thermal narrow continuum,NCth)及向下偏移最大值(downshifted maximum,DM)等;(2)加热频率由4.07 MHz增至4.10 MHz,向下偏移峰值(downshifted peak,DP)频移与加热频率呈强线性相关,当加热频率达到电子回旋倍频时,DP和DM谱消失,上混杂波的产生过程被抑制.因此,结合电离层加热过程中DP和DM谱特征可以实时快速估算加热区内电子回旋频率的大小;(3)加热功率由24 MW增至192 MW,在DM和加热频率之间出现了一种新型下移谱特征,即中间向下偏移最大值(intermediate downshifted maximum,IDM),本实验中观测到UM随功率的变化是IDM相对于加热波频率的镜像行为;(4)结合超高频非相干散射雷达联合探测发现,加热波束指向为垂直方向逆时针夹角6°时,更易激励振荡双流不稳定性的密度纯增长模式,形成更多人工密度不均匀体,从而获得更强DM谱线.

    受激电磁辐射电离层加热人工沿场不均匀体振荡双流不稳定性

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    基于FY-3D电离层光度计数据开展夜间135.6 nm辉光辐射强度对赤道环电流指数Dst的响应特性研究

    江芳毛田付利平王劲松...
    2496-2505页
    查看更多>>摘要：远紫外气辉探测仪小型电离层光度计IPM于2017年11月15日随FY-3D卫星发射升空.IPM通过对地测量夜间O+和电子辐射复合产生的135.6 nm辉光辐射、白天光电子激发产生的OI 135.6 nm和N2 LBH波段的辉光辐射,可以得到夜间电离层峰值电子密度、电子总含量以及白天大气氧原子和氮分子的柱密度比O/N2等参数.本文基于IPM夜侧数据研究了在非极光区的中低纬度上,135.6 nm波段辐射强度在磁暴时与磁平静时的相对变化.研究表明,135.6 nm波段辐射强度极易受到磁暴影响发生扰动,对Dst指数响应十分敏感,即使是较弱的磁暴,135.6 nm波段辐射强度也会出现增强,辐射增强出现的时间与磁暴的主相与恢复相有很好的对应性;通过与IGS(International GNSS Service)提供的TEC比对研究表明,磁暴期间135.6 nm辐射增强并非仅由与电离层电子密度信息正相关的O+和电子辐射复合机制产生的辐射贡献引起;多个不同强度的磁暴事件研究表明,135.6 nm辐射强度在磁暴时相对平静时的增加量与Dst指数呈反比,即Dst指数越低,135.6 nm辐射强度的增加量越大,且纬度越高,135.6 nm辐射强度的增加量越大.

    Dst指数135.6nm气辉辐射强度峰值电子密度电子总含量

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    磁暴期间极区电离层等效电流无旋分量变化1.个例分析

    葛攀泽李汇军成巍黄莹莹...
    2506-2518页
    查看更多>>摘要：磁暴期间极区电离层电导率分布发生变化,导致场向电流和电离层电流无旋分量形成的电流回路也随之发生复杂变化.通过地磁反演获取极区电离层等效电流,有助于分析磁暴期间上述电流回路变化规律.本文应用低秩近似方法实现了极区INTERMAGNET地磁台网磁扰观测资料的反演,获得了 2015年9月20日、11月30日两次典型磁暴活动期间北半球极区电离层等效电流信息,重点考察了无旋分量在磁暴期间变化规律.主要结论有:电离层等效电流包含无源分量和无旋分量,磁暴期间总体呈现为无源分量主导,无旋分量占比较少的特征;磁暴急始阶段,地磁场扰动源主要来自磁层顶,电离层电流没有明显变化;磁暴主相阶段,极区电离层等效电流无源分量呈双涡结构,与以往的研究一致,而无旋分量主要由晨侧流向昏侧;恢复相阶段,极区地磁活动减弱,等效电流无源分量双涡结构发生演化,无旋分量中由日侧流向夜侧的电流成分增加;恢复相后期等效电流无旋分量主要由昏侧流向晨侧,与主相时相比流向相反.无旋电流流向的变化能够反映场向电流在电离层中的闭合电流的总体流向变化,流向出现反转可能是受场向电流变化的影响.

    电离层等效电流极区电离层地磁观测低秩近似分析

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    地磁平静期赤道电集流的建模研究

    文昕周云良熊超
    2519-2527页
    查看更多>>摘要：本文利用Swarm-A卫星从2013年11月到2023年2月近十年观测的赤道电集流(Equatorial Electrojet,EEJ)数据,挑选地磁活动平静时(Kp ≤3)EEJ的峰值电流密度为研究对象,构建了一个以经度、地方时、季节、太阳辐射通量和月相为参数的EEJ经验模型.将模型计算的EEJ与上述建模所用的Swarm-A卫星实测的EEJ进行比较发现,两者的相关系数约为0.76,平均绝对误差(均方根误差)约为20.91(27.32)mA • m-1.该模型可较好地反映Swarm-A卫星从2013年11月到2023年2月观测到的EEJ典型特征,比如,EEJ的幅度随着太阳辐射通量的增加而增加;EEJ有明显的日变化特征,在正午出现峰值,日出附近常出现反向EEJ;EEJ随经度变化呈现显著的波状结构;EEJ的季节变化特征明显,二分季节附近出现峰值,二至季节附近出现谷值;月相对EEJ产生明显影响,正午的EEJ在新月和满月附近出现极大值.为了进一步检验上述建立的EEJ模型的性能,我们利用Swarm-B卫星2013年11月到2023年2月期间地磁平静条件下观测的EEJ数据,对上述模型进行了验证,结果表明本文所建立的EEJ模型能较好地重现Swarm-B卫星观测的EEJ变化.

    赤道电集流Swarm星座经验模型

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    不同指向模式下星载冷原子梯度仪对重力场解算精度的影响

    穆庆禄王长青闫易浩钟敏...
    2528-2545页
    查看更多>>摘要：冷原子干涉测量技术(CAI,Cold-Atom Interferometry)的发展为未来卫星重力梯度测量任务提供了新的测量思路.目前基于该任务概念的模拟研究均基于单一的观测指向模式对CAI梯度仪的对地观测能力进行论证.本文在GOCE卫星任务背景下,通过数值闭环模拟评估了 CAI梯度仪在近地指向和惯性指向模式下对重力场观测影响.实验结果表明:在近地指向观测模式下,CAI梯度仪受卫星旋转角速度的影响,重力场解算的精度仅在50阶以内优于GOCE卫星的模拟结果.若当卫星搭载轨道旋转补偿系统时可以有效地减弱卫星旋转对CAI梯度仪的影响,进而提高重力场模型的解算精度.梯度张量主对角线三分量的联合解算精度在全频段内都要优于GOCE卫星相应分量的结果,精度可提高1.5～6倍.在惯性指向观测模式下且仅考虑卫星残余角速度的影响时,CAI梯度仪的解算结果在30阶以后比GOCE卫星所搭载的GRADIO梯度仪的精度低.而在综合考虑卫星残余角速度和卫星轨道面旋转后,解算得到的重力场在100阶以内优于GOCE卫星解算精度.进一步比较两种指向模式下分别基于单轴、双轴和三轴观测的结果可以发现,三轴观测时两种指向模式的解算精度相当,在所有阶次上都要优于GRADIO梯度仪的结果.但基于单轴进行观测时,近地指向模式下Vzz分量的精度更高,而对于双轴观测的情况,惯性指向下的组合(Vxx+Vzz和Vyy+Vzz)解算精度更高.本研究通过对不同指向模式下CAI梯度仪对地观测影响的分析,可为基于CAI梯度仪的新型空间量子-地球重力场测量任务提供相应的参考.

    地球重力场GOCE冷原子梯度仪近地指向惯性指向

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    基于GRACE星间重力位差的Slepian局部地表质量变化反演法

    钟波谭江涛李贤炮李建成...
    2546-2567页
    查看更多>>摘要：根据Slepian基函数在频域和空域的局部集中特性,建立了利用GRACE星间重力位差(GPD)估计局部地表质量变化的Slepian基函数反演模型及病态问题求解算法,并以亚马逊流域的陆地水储量变化(TWSC)反演为例,评估了反演方法的精度和有效性.首先,通过闭环数值模拟比较了 Slepian基函数法(GPD SBF)、基于GPD的mascon方法(GPD Mascon)和球谐系数法(GPD SH)反演2005年亚马逊流域TWSC的性能,结果表明:Slepian基函数法通过限定信号的频域和空域范围,降低了反演过程中向下延拓带来的不确定性,有效削弱了法方程求解的病态性,其解算结果的稳定性明显优于GPD Mascon;GPD SBF的反演精度及可靠性总体上优于GPD Mascon和GPD SH,并且能够更好地恢复边缘区域的信号和减小泄漏误差的影响.其次,利用实测的GRACE GPD数据反演了2004-2015年亚马逊流域的TWSC时间序列,结果显示:GPD SBF相比GPD Mascon反演的TWSC与官方mascon模型(CSR、JPL和GSFC RL06 mascon)更为一致,并且GPD SBF反演结果呈现出更多的空间细节和更好的信噪比.最后,利用不同GRACE反演结果计算的dS/dt(TWSC的一阶导数)和水文气象数据(GPCP降水、ERA5蒸散发)由水量平衡方程估计了亚马逊流域Obidos水文站的月平均径流量,并采用测站的实测径流量进行检验,结果表明:GPD SBF和GPD Mascon估计的径流量与实测值扣除季节性信号后的差值STD分别为12.35 mm和14.54 mm,相关系数分别为0.71和0.69,并且GPD SBF和各种官方mascon模型估计的径流量与实测径流量更为接近.本文研究证明Slepian基函数法可削弱病态问题求解对正则化约束的依赖,其比传统的GPD Mascon解算精度和可靠性更高,为反演高精度、高分辨率的局部地表质量变化提供了一种新的解决方案.

    局部地表质量变化Slepian基函数星间重力位差Tikhonov正则化GRACE亚马逊流域

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    顾及土壤热传导-对流效应的InSAR冻土活动层厚度估计

    杨沙王琪洁李佳晨张亚...
    2568-2581页
    查看更多>>摘要：冻土活动层厚度(Active Layer Thickness,ALT)的变化是反映青藏高原多年冻土发育情况及其状态的一个重要指标,监测活动层厚度变化对寒区景观稳定发展、碳循环等方面具有非常重要的意义.由于合成孔径雷达干涉测量(Interferometric Synthetic Aperture Radar,InSAR)技术具有大范围、高精度、高时空分辨率等优势,近年来逐渐被用于反演活动层厚度.已有研究中基于InSAR和土壤一维热传导模型的活动层厚度估计方法,没有充分考虑到冻土中土壤水分对流引起的热量传递.因此本文提出了基于InSAR时序形变及土壤热传导-对流模型的活动层厚度估计方法,利用土壤热传导-对流模型建立InSAR探测的最大融沉形变与最高地温之间的滞后时间与活动层厚度之间的相关关系,实现了由滞后时间直接推算大范围、高分辨率的冻土活动层厚度.本文以青藏高原五道梁多年冻土区为例,利用116景Sentinel-1影像图作为实验数据,估计了该地区2017-2020年的平均活动层厚度.结果表明,活动层厚度值范围为0～7.0 m,平均活动层厚度为3.06 m,与已有研究中相近时间段相关成果及观测数据结果一致.本文方法兼顾冻土水热过程,证明了土壤热传导-对流模型在冻土活动层厚度反演中具有良好的应用前景,可用于青藏高原其他偏远地区的高空间分辨率活动层厚度反演.

    冻土土壤热传导-对流模型青藏高原活动层厚度InSAR

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    一种基于谱分析的重力场统计特征建模方法

    黄佳喜边少锋纪兵杨军军...
    2582-2595页
    查看更多>>摘要：重力场的统计特征主要包括协方差(相关函数)、功率谱密度、球谐阶方差等参量,是从空域、频域和球谐域描述重力场变化规律的主要依据.本文以扰动位的距离倒数协方差模型为核函数,研究了一种能在不同重力场元之间自洽解析转换的统计特征建模方法.分别利用高分辨率的地面重力异常和实测航空重力梯度数据进行功率谱分析,结合EGM2008模型构建了 3组重力场统计特征模型,分析了本文模型与经典模型的差异,并用于高频重力场随机模拟,验证了本文方法在不同频率区间建模的可行性和实用性.本文模型可用于重力梯度探测、高频重力场随机模拟、重力场推估等方面的定量分析,相关算法和思路也可为构建更精细的统计特征模型提供借鉴.

    功率谱密度协方差阶方差统计特征航空重力梯度距离倒数模型

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    青藏高原东北隅断层活动及地壳变形模式

    徐炜祥苏小宁虞思晗朱庆...
    2596-2611页
    查看更多>>摘要：精准分析青藏高原东北隅断层活动和地壳变形模式对于理解区域大地震空间分布特征和地震危险性分析具有重要意义.本文在已有GPS速度场的基础上,通过建立由21个GPS连续观测站组成的3条跨断层剖面的加密观测,获得研究区较高空间分辨率的GPS速度场.利用K-中心点和欧拉矢量结合的方法分析GPS速度场的空间聚类特征,发现在陇西块体内部存在显著的差异性变形,进而结合区域已有块体-断层划分模型,给出与最新GPS速度场更为吻合的块体-断层模型.改进模型的最大特点是在陇西块体内部存在一条北北东向的右旋剪切带.利用最新GPS速度场和改进的块体-断层模型,基于负位错理论反演主要块体的运动特征和主要断层的滑动速率,结果显示在改进块体-断层模型中新增的右旋剪切带在分配该地区应变积累特征时扮演着重要的角色,进而计算的六盘山断裂的挤压速率远小于已有的结果,其地震危险性也可能相应地降低.

    青藏高原东北隅GPS速度场欧拉矢量聚类分析负位错模型滑动速率

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    从震源机制中准确识别发震断层面对重构应力场的意义

    李振月万永革郭祥云刘瑞丰...
    2612-2624页
    查看更多>>摘要：基于震源机制的应力场反演,需要从震源机制的两个节面中准确地识别出发震断层面,然后通过拟合发震断层面的滑动方向获得应力场.然而,目前的技术和方法不能保证能够从所有的震源机制中准确地识别出发震断层面.因此,用于应力场反演的断层数据中会参入小部分辅助断层面,这部分假断层的存在会造成重构的应力场与实际应力场产生多大程度的偏离?本文通过合成实验揭示出,从部分震源机制中错误地选择断层面可能会造成重构的应力场方向和主应力相对大小(R)与实际产生较大偏离,重构应力场的偏离程度主要与实际的应力R值、错误选择断层面的震源机制所占的比例以及震源机制中包含的噪声大小这三个因素有关.当实际的应力R值为中间值附近时,只有准确地选择断层面才能准确地重构R值,当实际的应力R值较小时,准确地选择断层面有助于准确地重构应力方向,故准确地从震源机制中选择断层面可以保证在不同的背景应力场下都能准确地重构应力场方向和R值,这对于根据重构的应力场合理解释构造运动具有重要意义.

    震源机制重构应力场识别发震断层面主应力相对大小

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