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其他數(shù)據(jù)論文 I 區(qū)論文（評(píng)審中） ? 版本 ZH3

GRACE精密星間重力位差數(shù)據(jù)集（2002年4月至2016年7月）

A dataset of GRACE intersatellite geopotential differences from April 2002 to July 2016

鐘波，李瓊，陳劍利，羅志才

Zhong Bo, Li Qiong, Chen Jianli, Luo Zhicai

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DOI:? 10.11922/11-6035.csd.2022.0010.zh
PID:? 21.86101.1/11-6035.csd.2022.0010.zh
:? 10.11922/sciencedb.j00001.00365
?

： 2022 - 01 - 22

： 2022 - 03 - 10

6828 48 0

摘要&關(guān)鍵詞

摘要：GRACE（Gravity Recovery and Climate Experiment）星間重力位差是一種沿衛(wèi)星軌道的原位觀測量，它具有明顯的物理含義。本研究基于改進(jìn)的能量平衡方程和移去恢復(fù)技術(shù)RCR（remove-compute-restore)，利用GRACE Level-1B核心載荷數(shù)據(jù)（KBR星間距離變率、衛(wèi)星精密軌道、非保守力加速度計(jì)和衛(wèi)星姿態(tài)等數(shù)據(jù)）估計(jì)了2002年4月至2016年7的精密星間重力位差數(shù)據(jù)，并通過數(shù)據(jù)質(zhì)量控制手段對(duì)估計(jì)結(jié)果進(jìn)行了質(zhì)量標(biāo)記。這些數(shù)據(jù)按月進(jìn)行存儲(chǔ)，共有155個(gè)月的數(shù)據(jù)文件，提供了GRACE雙星A和B的地心地固坐標(biāo)、扣除平均重力場（GGM05C模型）的星間重力位差和質(zhì)量標(biāo)記等數(shù)據(jù)。本數(shù)據(jù)集進(jìn)一步豐富了GRACE數(shù)據(jù)產(chǎn)品的種類，可為靜態(tài)和時(shí)變重力場建模、全球和局部地表質(zhì)量變化反演及相關(guān)地學(xué)應(yīng)用研究提供有力的數(shù)據(jù)支撐。

關(guān)鍵詞：GRACE；星間重力位差；改進(jìn)的能量平衡方程；Level-1B數(shù)據(jù)；地表質(zhì)量變化

Abstract & Keywords

Abstract:?Gravity Recovery and Climate Experiment (GRACE) intersatellite geopotential differences are in-situ gravimetric observables with explicit geophysical interpretation. Based on the improved energy balance equation and remove-compute-restore (RCR) technique, the precise intersatellite geopotential differences are estimated over the period April 2002 to July 2016 from GRACE Level-1B data (including K-band ranging (KBR) range-rate, satellite orbits, accelerometer and attitude measurements), and the estimates are marked by means of data quality control method. The dataset includes 155 data files with monthly interval, and each data file includes the positions of GRACE satellites A and B in Earth-centered Earth-fixed (ECEF) coordinate system, intersatellite geopotential difference after deducting the mean gravity field model (i.e., GGM05C), and the corresponding quality flags. This dataset further enriches the GRACE data products, and can provide data support for static and time-varying gravity field modeling, global and regional surface mass change inversion, and related studies in geoscience.

Keywords:?GRACE;?intersatellite geopotential differences;?improved energy balance equation;?Level-1B data;?surface mass variations

數(shù)據(jù)庫（集）基本信息簡介

數(shù)據(jù)庫（集）名稱	GRACE精密星間重力位差數(shù)據(jù)集（2002年4月至2016年7月）
數(shù)據(jù)作者	鐘波、李瓊、陳劍利、羅志才
數(shù)據(jù)通信作者	鐘波（bzhong@whu.edu.cn）
數(shù)據(jù)時(shí)間范圍	2002年4月–2016年7月
地理區(qū)域	-89°S–89°N，-180°W–180°E，除兩極空白以外的全球所有區(qū)域
采樣間隔	5 s
數(shù)據(jù)量	4.39 GB
數(shù)據(jù)格式	*.txt
數(shù)據(jù)服務(wù)系統(tǒng)網(wǎng)址	http://www.doi.org/10.11922/sciencedb.j00001.00365
基金項(xiàng)目	國家自然科學(xué)基金（41974015、41474019）
數(shù)據(jù)庫（集）組成	本數(shù)據(jù)集包括2002年4月至2016年7月期間按月存儲(chǔ)的GRACE星間重力位差數(shù)據(jù)，扣除因衛(wèi)星儀器故障或其他因素導(dǎo)致數(shù)據(jù)缺失的17個(gè)月份以外，共有155個(gè)月的數(shù)據(jù)文件。每個(gè)數(shù)據(jù)文件提供了該月GRACE雙星A和B的地心地固坐標(biāo)、扣除平均重力場（GGM05C模型）的星間重力位差和質(zhì)量標(biāo)記等數(shù)據(jù)。每個(gè)文件以“GRACE_GPD_YYYYMM.txt”形式命名，其中“GRACE_GPD_”表示GRACE星間重力位差，“YYYY”表示年，“MM”表示月，文件的原始格式為.txt，壓縮后的格式為.zip。

Dataset Profile

Title	A dataset of GRACE intersatellite geopotential differences from April 2002 to July 2016
Data corresponding author	ZHONG Bo (bzhong@whu.edu.cn)
Data author(s)	ZHONG Bo, LI Qiong, CHEN Jianli, LUO Zhicai
Time range	April 2002 – July 2016
Geographical scope	-89°S–89°N, -180°W–180°E, global regions except the polar gaps
Sampling rate	5 s
Data volume	4.39 GB
Data format	*.txt
Data service system	<http://www.doi.org/10.11922/sciencedb.j00001.00365>
Source(s) of funding	National Natural Science Foundation of China (41974015, 41474019)
Dataset composition	The dataset includes 155 data files of GRACE intersatellite geopotential differences with monthly interval from April 2002 to July 2016, the remaining 17 months data are not available due to the instrument failure or other influencing factors. Each data file includes the positions of GRACE satellites A and B in Earth-centered Earth-fixed (ECEF) coordinate system, intersatellite geopotential differences after deducting the mean gravity field model (i.e., GGM05C), and the corresponding quality flags. Each data file is named in the form of "GRACE_GPD_YYYYMM.txt", where "GRACE_GPD_" represents the GRACE intersatellite geopotential difference (GPD), "YYYY" represents the year, and "MM" represents the month. The original format of each data file is .txt, and the compressed format is .zip.

引言

2002年3月至2017年10月，美德聯(lián)合實(shí)施的GRACE（Gravity Recovery and Climate Experiment）衛(wèi)星重力測量任務(wù)搜集了約15年的衛(wèi)星跟蹤衛(wèi)星觀測數(shù)據(jù)，其核心載荷數(shù)據(jù)包括星載GPS（Global Positioning System）接收機(jī)觀測的衛(wèi)星精密軌道數(shù)據(jù)、KBR（K-band ranging）微波測距系統(tǒng)觀測的星間精密距離變率數(shù)據(jù)、星載加速度計(jì)觀測的衛(wèi)星非保守力數(shù)據(jù)和恒星敏感系統(tǒng)觀測的衛(wèi)星姿態(tài)數(shù)據(jù)等。GRACE重力衛(wèi)星相關(guān)研究機(jī)構(gòu)CSR（Center for Space Research）、JPL（Jet Propulsion Laboratory）和GFZ（Geoforschungszentrum）等利用這些數(shù)據(jù)反演了一系列的月間隔時(shí)變重力場球諧系數(shù)模型（Spherical Harmonic Solution, SH solution）和地表質(zhì)量變化模型（Mascon solution），并廣泛應(yīng)用于陸地水循環(huán)、冰川冰蓋質(zhì)量平衡、海平面變化和海底壓力變化及地震等全球變化研究領(lǐng)域^[1-3]。

GRACE任務(wù)是通過測定在同一低軌道上相距約220 km的兩顆衛(wèi)星之間的相對(duì)速率變化來感知地球重力場變化并推演地表質(zhì)量變化，其最直接的觀測量為KBR星間距離變率數(shù)據(jù)。但由于星間距離變率為幾何觀測量，其與地表質(zhì)量變化之間為復(fù)雜的非線性函數(shù)關(guān)系，并不能直接地用于地表質(zhì)量變化的反演與分析。目前，CSR、GFZ、JPL和GSFC（Goddard Space Flight Center）等機(jī)構(gòu)利用動(dòng)力學(xué)積分法由GRACE星間距離變率數(shù)據(jù)及衛(wèi)星軌道、加速度計(jì)和衛(wèi)星姿態(tài)等輔助數(shù)據(jù)反演地表質(zhì)量變化模型的空間分辨率約為200~300 km、時(shí)間分辨率為個(gè)1月^[4-6]。但由于動(dòng)力學(xué)積分法的算法復(fù)雜、計(jì)算耗時(shí)，并且各種官方發(fā)布的地表質(zhì)量變化模型采用了固定的正則化約束方法進(jìn)行求解，并不便于用戶采用不同的正則化方法對(duì)特定區(qū)域進(jìn)行研究與分析^[7]。

GRACE星間重力位差（geopotential difference, GPD）是一種沿衛(wèi)星軌道的原位觀測量，它具有明顯的物理含義（與幾何觀測量的星間距離變率不同），并且與地表質(zhì)量變化之間為簡單的線性關(guān)系，因此可直接用于地表質(zhì)量變化的反演與分析^[8-11]。本研究基于改進(jìn)的能量平衡方程^[11-13]，利用GRACE Level-1B（RL03）數(shù)據(jù)估計(jì)了2002.04–2016.07期間月間隔的共155個(gè)月（其余17個(gè)月數(shù)據(jù)缺失）的精密星間重力位差數(shù)據(jù)，可方便用于靜態(tài)和時(shí)變重力場建模、全球和區(qū)域地表質(zhì)量變化的反演與分析等研究。本研究提供的GRACE星間重力位差在本質(zhì)上是由核心載荷觀測數(shù)據(jù)計(jì)算導(dǎo)出的一種間接觀測量，因此可視為介于Level-1B（觀測值）和Level-2（應(yīng)用產(chǎn)品）之間的一種新的數(shù)據(jù)產(chǎn)品，可為大地測量學(xué)、地球物理學(xué)、水文學(xué)、冰川學(xué)、海洋學(xué)和地震學(xué)等相關(guān)地學(xué)研究提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支撐，具有重要的科學(xué)意義和實(shí)用價(jià)值。

1 ? 數(shù)據(jù)采集和處理方法

1.1 ? 數(shù)據(jù)來源

本研究利用2002年4月至2016年7月的GRACE Level-1B（RL03）數(shù)據(jù)（ftp://isdcftp.gfz-potsdam.de/grace/Level-1B/JPL/）估計(jì)星間重力位差，這些數(shù)據(jù)具體包括KBR星間距離變率數(shù)據(jù)（KBR1B）、衛(wèi)星精密軌道數(shù)據(jù)（GNV1B）、非保守力加速度計(jì)數(shù)據(jù)（ACC1B）和衛(wèi)星姿態(tài)數(shù)據(jù)（SCA1B）等。其中，KBR1B和GNV1B數(shù)據(jù)的采用間隔為5 s，而ACC1B和SCA1B數(shù)據(jù)的采樣間隔為1 s。為了使這些數(shù)據(jù)的時(shí)間間隔保持一致，本研究將ACC1B和SCA1B數(shù)據(jù)降采樣為5 s。同時(shí)，為了估計(jì)精密的GRACE星間重力位差數(shù)據(jù)，本研究參考了最新的GRACE Level-2（RL06）產(chǎn)品數(shù)據(jù)處理標(biāo)準(zhǔn)^[14]，最終采用的背景力模型如表1所示。其中，靜態(tài)重力場采用GGM05C模型計(jì)算，三體攝動(dòng)采用JPL DE430星歷計(jì)算，海潮采用EOT11a模型計(jì)算，固體潮、大氣潮、固體極潮、海極潮和相對(duì)論效應(yīng)的計(jì)算與IERS 2010（International Earth Rotation Service Conventions 2010）一致，短期大氣和海洋非潮汐變化采用AOD1B（Atmosphere and Ocean De-aliasing Level-1B） RL06模型（ftp://isdcftp.gfz-potsdam.de/grace/Level-1B/GFZ/AOD/RL06/）計(jì)算。

表1 ? 背景模型信息

序號(hào)	背景模型	數(shù)據(jù)源	模型描述
1	靜態(tài)重力場	GGM05C	展開至360階次
2	三體攝動(dòng)	JPL DE430	牛頓點(diǎn)質(zhì)量模型，包括日、月及其他行星
3	固體潮	IERS 2010	計(jì)算2，3，4階潮，包括與頻率相關(guān)項(xiàng)和無關(guān)項(xiàng)
4	海潮	EOT11a	展開至120階次，包括18個(gè)主波、238個(gè)次波
5	大氣潮	Ray and Ponte^[15]	S1和S2分潮波，展開至30階次
6	固體極潮	IERS 2010	C₂₁和S₂₁項(xiàng)，平均極采用線性模型
7	海極潮	Desai^[16]	展開至100階次
8	相對(duì)論效應(yīng)	IERS 2010	僅考慮日、月的影響
9	非潮汐大氣海洋去混頻	AOD1B RL06	展開至180階次，時(shí)間分辨率為3小時(shí)

1.2 ? 數(shù)據(jù)處理方法

為了精密估計(jì)GRACE星間重力位差，首先需要消除衛(wèi)星軌道數(shù)據(jù)和背景力模型誤差的影響。本研究將衛(wèi)星精密軌道數(shù)據(jù)（GNV1B）視為偽觀測，利用表1給出的背景力模型由動(dòng)力學(xué)軌道積分方法重新估計(jì)純動(dòng)力學(xué)軌道，并且在軌道積分過程中對(duì)非保守力加速度計(jì)數(shù)據(jù)（ACC1B）進(jìn)行校準(zhǔn)。以每天一個(gè)弧段進(jìn)行軌道積分計(jì)算，對(duì)于GRACE的每顆衛(wèi)星而言，估計(jì)的參數(shù)包括衛(wèi)星初始狀態(tài)參數(shù)（3個(gè)位置坐標(biāo)分量和3個(gè)速度坐標(biāo)分量）、加速度計(jì)尺度和偏差參數(shù)（每個(gè)坐標(biāo)分量估計(jì)1個(gè)尺度和1個(gè)偏差）。

基于改進(jìn)的能量平衡方程，利用KBR星間距離變率數(shù)據(jù)（KBR1B）、重新估計(jì)的純動(dòng)力學(xué)軌道、校準(zhǔn)后的非保守力加速度計(jì)數(shù)據(jù)及衛(wèi)星姿態(tài)數(shù)據(jù)（SCA1B）可直接計(jì)算GRACE星間重力位差。由于以上采用了已知背景力模型重新估計(jì)的純動(dòng)力學(xué)軌道進(jìn)行計(jì)算，估計(jì)的GRACE星間重力位差只包含了KBR星間距離變率觀測提供的時(shí)變重力場信息，有效避免了衛(wèi)星軌道和背景力模型的誤差影響^[11-12,17]。同時(shí)，為了消除KBR星間距離變率數(shù)據(jù)低頻系統(tǒng)誤差的影響，還需要采用與衛(wèi)星軌道周期有關(guān)經(jīng)驗(yàn)參數(shù)^[8,10,12]對(duì)以上計(jì)算的GRACE星間重力位差進(jìn)行擬合，以有效分離系統(tǒng)誤差的影響。

但是，引入的經(jīng)驗(yàn)參數(shù)在分離系統(tǒng)誤差的同時(shí)，也會(huì)吸收GRACE星間重力位差包含的部分時(shí)變信號(hào)，特別是低頻的長波分量信號(hào)。為此，本研究基于移去恢復(fù)技術(shù)RCR（remove-compute-restore) ，首先從計(jì)算的GRACE星間重力位差中移去長波分量的貢獻(xiàn)（以CSR時(shí)變重力場模型的低階系數(shù)為參考），然后利用經(jīng)驗(yàn)參數(shù)估計(jì)并分離系統(tǒng)誤差，最后再將移去的長波分量信號(hào)進(jìn)行恢復(fù)。這樣便有效避免了經(jīng)驗(yàn)參數(shù)對(duì)時(shí)變重力場信號(hào)的吸收，進(jìn)而可得到高精度的全頻段的GRACE星間重力位差數(shù)據(jù)。圖1給出GRACE星間重力位差估計(jì)的數(shù)據(jù)處理流程，相關(guān)計(jì)算公式和算法可參見文獻(xiàn)[11]。

圖1 ? GRACE星間重力位差估計(jì)的數(shù)據(jù)處理流程

2 ? 數(shù)據(jù)樣本描述

本數(shù)據(jù)集包括2002年4月–2016年7月期間按月存儲(chǔ)的GRACE星間重力位差數(shù)據(jù)，扣除因衛(wèi)星儀器故障或其他因素導(dǎo)致數(shù)據(jù)缺失的17個(gè)月份以外，共有155個(gè)月的數(shù)據(jù)文件，總數(shù)據(jù)量為4.39GB。每個(gè)文件以“GRACE_GPD_YYYYMM.txt”形式命名，其中“GRACE_GPD_”表示GRACE星間重力位差，“YYYY”表示年，“MM”表示月。同時(shí)，為了節(jié)省存儲(chǔ)空間，每個(gè)文件被壓縮為“GRACE_GPD_YYYYMM.zip”的形式。每個(gè)文件都包括頭文件信息，用于說明平均重力場模型GGM05C的相關(guān)參數(shù)、該月可用的數(shù)據(jù)天數(shù)、每列數(shù)據(jù)的具體含義及單位等。頭文件結(jié)束后，數(shù)據(jù)的每一行提供了GRACE雙星A和B的地心地固坐標(biāo)3分量（單位為m）、扣除平均重力場（GGM05C）的星間重力位差（單位為m²/s²）和質(zhì)量標(biāo)記（0或1）等數(shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)的采樣間隔為5 s。圖2繪制了2005年3月、6月、9月和12月的GRACE星間重力位差空間分布，由于該數(shù)據(jù)已經(jīng)扣除了平均重力場的貢獻(xiàn)，因此可以直接反映地球重力場變化及地表質(zhì)量變化。對(duì)于陸地區(qū)域的地表質(zhì)量變化來說，其主要為陸地水儲(chǔ)量變化（如非洲、南美和中國等地區(qū)），可以看出該變化具有明顯的季節(jié)性特征。

圖2 ? 2005年3月、6月、9月和12月的GRACE星間重力位差空間分布圖

3 ? 數(shù)據(jù)質(zhì)量控制和評(píng)估

由于衛(wèi)星載荷觀測誤差、背景力模型誤差和數(shù)值計(jì)算近似誤差等的影響，GRACE星間重力位差的估計(jì)精度約為0.0020~0.0025 m²/s²^[8,12] 。為此，本研究在估計(jì)GRACE星間重力位差的過程中，以衛(wèi)星繞地球的旋轉(zhuǎn)周期（約為5400 s）為一個(gè)弧段，統(tǒng)計(jì)每個(gè)弧段估計(jì)星間重力位差的殘差標(biāo)準(zhǔn)差\(\sigma \)。若\(\sigma \)>0.0025 m²/s²，則認(rèn)為該弧段估計(jì)GRACE星間重力位差的質(zhì)量不可靠，并將整個(gè)弧段估計(jì)結(jié)果的質(zhì)量標(biāo)簽標(biāo)記為“1”，反之則認(rèn)為該弧段估計(jì)結(jié)果的質(zhì)量符合要求，將其質(zhì)量標(biāo)簽標(biāo)記為“0”。另外，對(duì)于每個(gè)弧段的GRACE星間重力位差數(shù)據(jù)，進(jìn)一步采用3倍標(biāo)準(zhǔn)差準(zhǔn)則對(duì)粗差或異常點(diǎn)進(jìn)行判斷，如果星間重力位差的殘差大于0.0075 m²/s²，則將其數(shù)據(jù)的質(zhì)量標(biāo)簽標(biāo)記為“1”。

由于GRACE衛(wèi)星儀器故障或其他因素的影響，通常會(huì)出現(xiàn)部分觀測數(shù)據(jù)缺失或質(zhì)量較差無法應(yīng)用的情況。例如，2002年4月–2016年7月期間共有155個(gè)月的觀測數(shù)據(jù)可用，有17個(gè)月的數(shù)據(jù)缺失。同時(shí)，在這可用的155個(gè)月份的數(shù)據(jù)中，部分月份的數(shù)據(jù)也會(huì)出現(xiàn)有若干天數(shù)據(jù)缺失的情況。因此，對(duì)于生成的每個(gè)月的GRACE星間重力位差數(shù)據(jù)，在數(shù)據(jù)頭文件中給出了該月可用數(shù)據(jù)的天數(shù)信息。

為了驗(yàn)證GRACE星間重力位差的估計(jì)精度，將其用于反演時(shí)變重力場球諧系數(shù)模型和地表質(zhì)量變化模型，并與官方機(jī)構(gòu)發(fā)布模型進(jìn)行比對(duì)。圖3為利用2005年2月和9月的GRACE星間重力位差數(shù)據(jù)反演的球諧系數(shù)模型（記為GPD SH）與官方發(fā)布的球諧系數(shù)模型（CSR RL06SH、JPL RL06SH和GFZ RL06SH）的位系數(shù)階均方根（Degree RMS）比較。圖4為利用2005年1月至2010年12月的GRACE星間重力位差數(shù)據(jù)反演的南美地區(qū)地表質(zhì)量變化（記為GPD Mascon）與官方發(fā)布的地表質(zhì)量變化模型（CSR RL06M、JPL RL06M和GSFC Mascon）計(jì)算得到的周年振幅、長期趨勢(shì)、均方根誤差（RMSE）和信噪比（SNR）的空間分布比較。圖3和圖4均顯示出GRACE星間重力位差反演的球諧系數(shù)模型和地表質(zhì)量變化模型與官方機(jī)構(gòu)發(fā)布模型的精度相當(dāng)，并且具有很好的一致性，驗(yàn)證了GRACE星間重力位數(shù)據(jù)估計(jì)的可靠性。

圖3 ? 各種重力場球諧系數(shù)模型的位系數(shù)階RMS比較（2005年2月和9月）

圖4 ? 各種Mascon模型計(jì)算的周年振幅、長期趨勢(shì)、RMSE和SNR比較（2005–2010年）

4 ? 數(shù)據(jù)價(jià)值

盡管GRACE星間重力位差是一種間接觀測量，但它比KBR測距系統(tǒng)提供的星間距離變率這種幾何觀測量更具有明顯的物理含義，可方便地應(yīng)用于時(shí)變重力場和地表質(zhì)量變化的反演與分析。由于GRACE星間重力位差是利用Level-1B核心載荷數(shù)據(jù)（KBR1B、GNV1B、ACC1B和SCA1B）估計(jì)得到，因此如何利用更為嚴(yán)密的估計(jì)模型并有效消除觀測數(shù)據(jù)誤差及背景力模型誤差的影響，是得到GRACE精密星間重力位差的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

本研究采用了更為嚴(yán)密的能量平衡方程進(jìn)行計(jì)算，并基于移去恢復(fù)技術(shù)RCR有效避免了文獻(xiàn)^[8-10]中經(jīng)驗(yàn)參數(shù)對(duì)長波部分時(shí)變重力場信號(hào)的吸收，得到全頻段的GRACE精密星間重力位差數(shù)據(jù)^[11]。并且，通過較為嚴(yán)格的數(shù)據(jù)質(zhì)量控制手段，對(duì)估計(jì)的GRACE星間重力位差數(shù)據(jù)進(jìn)行了質(zhì)量標(biāo)記。本數(shù)據(jù)集的建立進(jìn)一步豐富了GRACE數(shù)據(jù)產(chǎn)品的種類，可為靜態(tài)和時(shí)變重力場建模、全球和局部地表質(zhì)量變化反演及相關(guān)地學(xué)應(yīng)用研究提供有力數(shù)據(jù)支撐。

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許厚澤, 陸洋, 鐘敏, 等. 衛(wèi)星重力測量及其在地球物理環(huán)境變化監(jiān)測中的應(yīng)用[J]. 中國科學(xué): 地球科學(xué), 2012, 42(6): 843–853. DOI:10.1007/s11783-011-0280-z.

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