全球垂直基准研究中的几点思考

1、全球垂直基准研究中的几点思考张赤军摘要：目前全球垂直基准问题的研究已受到各有关国家的关注。介绍了建立全球垂直基准的意义、作用和方法，指出了研究中存在的一些问题，并提出了解决这些问题的初步意见。关键词：全球垂直基准；大地水准面；海面地形；地壳垂直运动中图分类号：P312文献标识码：A文章编号：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.由于科学的发展和全球变化研究等客观实际的需要，当前世界各国对建立和研究全球垂直基准(GVD)甚为重视。在1983年第18届IUGG(国际大地测量与地球物理联合会)的会议上IAG(大地测量协会)就成立了相应的专题SSG 1.75研究组，并相继成立了SSG 5.149研究组。在1987年IAU(国际天文联合会)和IUGG又联合成立了IERS组织(国际地球自转局)，该局于1996年10月的会议上专门讨论了全球垂直参

4、考系(GVR)1，无论是GVR或GVD均具有相同的概念、都涉及地球上存在的几个面，即地球参考椭球(E)、大地水准面(G)、海洋大气边界面(S)、大陆地形面(T)，为进一步研究和确定上述几个面间的关系及它们随时间的变化，大地测量学、海洋学、地质学、地球物理学、地球动力学等方面的科技工作者正在积极开展有关工作。1研究和确定GVD的意义和作用GVD是地球上高程为零且在其上重力位W=W0(常数)的一些点或由这些点组成的面，由于这种高程是在重力场中测定的，亦即在这些点间的位差或大地位数gdh=02，显然GVD具有明显的几何意义和物理意义。由这种高程组成的面，通常称之为大地水准面。从概念上讲，把无扰动的海

5、洋面作为大地水准面，但在实际上是不太可能的，因此在习惯上，常用各地的平均海面来逼近大地水准面，这时就必须顾及潮汐、海流等引起的海面地形的影响，对于大陆边缘的验潮站而言，除顾及太阳、月亮的周日、周年乃至18.6 a的变化对海洋和固体地球的影响外，还要考虑地壳垂直运动对验潮汐记录的影响。研究和确立GVD的意义、作用在于：(1) 为众多国家和地区提供高精度的高程基准，这在绘制地形图、地质图、水利工程图时甚为必要。目前全球在高程起始点上互差达到2 m，这是一个不可忽视的数字，就是在同一个国家，例如在我国沿海的南北方向上高度相差达到60 cm。(2) 消除重力测量中因高度不同而引起的误差，它的影响可达0

6、.510-5 ms-2(mGal)，如用它计算大地水准面，其误差将有可能超过7 cm3。(3) 检测相邻两地的大地水准和海洋水准的结果，为确定海面倾斜提供资料。(4) 为全球定位系统(GPS)的观测提供正高(海拔高)。(5) 为确定海面地形提供基准。(6) 与研究地壳垂直运动相结合，为监测海平面的变化提供依据。2确定全球垂直基准的几种方法2.1海洋学法它的作用是用位水准和地转流水准来确定海面地形(平均海面距大地水准面的高度)。位水准法的前提是假定海洋面上的地转力的垂直分量和摩擦力的垂直分量与重力相比可以忽略，其原理实际上是理想流体在重力作用下满足流体静力平衡方程，亦即海水压力的垂直梯度为重力g

7、与海水密度的乘积，若已知海水在不同深度上的密度分布，则相对于大地水准面的海面地形可求，亦即：这时位差：W=ghD，hD为动力高。当取P0为一自由面上的压力，Pr为参考面等压面或等位面上的压力，则动力高4：式中p为水柱的压力。实际上，人们测量的不是密度，而是从自由面到参考面的盐度(S)、温度(T)，0(S0、T0、P)为压力面P0处规定的盐度(S0)、温度(T0)的一个标准水柱的密度。根据上式求出各点的动力高，则海面地形可以确定。例如Lisitzin就据此方法编制成全球海面变化图和局部海面地形图，并标出美国西海岸由北向南上升了20 cm5。地转流水准法则是假定海面在流动中产生的科氏力与压强梯度项

8、相平衡，然后根据两点间的流速可计算两点间的海面地形之差。根据运动方程6：式中为x(x1，x2,x3)的加速度，gradV为瞬时引力位梯度，gradP为压力(压强)梯度，F为扰动力，对于与海面水平和垂直的x1,x2方向有式中，科里奥系数f=2vsin，v为海水流速，为纬度，当不顾及海水流动加速度和扰动加速度，则科氏力与压力梯度相平衡，此时称这样的海流为地转流。若是知道海流的速度，在求出压力的水平梯度后，则海面上相邻点间的起伏或海面地形差值可求。但需指出，以上两种方法的测定精度不够高，约为1020 cm或更大。2.2测高重力法利用卫星测高数据结合海洋重力资料，同时解算拟稳态海面地形和大地水准面起伏

9、，所谓拟稳态海面地形(QSST)是相对于稳态海面地形(SST)而言，前者是时间和位置的函数，后者仅是位置的函数。如果认为从某一历元起(时间段内)两者一致，则两者无需区分，不过实际上难以做到。有的研究者运用最小平方配置方法并借助于先验的信号阶方差模型，有可能分离QSST与大地水准面起伏。目前有的学者利用精确的Topex/Poseidon等测高资料求出了77 km的平均海面高和重力异常7。如果将测高资料与重力场模型和海上重力资料相结合，则可同时定出海面地形与大地水准面起伏。2.3大地测量方法一是在全球各个高程基点上与最近的VLBI站或SLR、GPS站进行联测，以便在这些点上具有精确三维坐标(某一瞬

10、间)，不过在相应点间需有精确的位差或正高，在以测站为中心的200 km范围内有密布的重力数据。目前全球各空间大地测量站确定地面点的定位精度已达到110 cm，一般在5 cm以下，全球的IERS站有171个，国际GPS服务(IGS)站有85个，此外还有其它测站，其中包括我国的6个站在内。对全球而言已有目前最佳的重力模型，如EGM96的360阶重力位模型及其它一些模型，这样就可使全球高程基准能够达到0.1 m2/s2(千伽厘米)的精度。估计这种方法的精度比其它方法的高，目前各国大地测量学者正在着手解决这一问题，并有望取得更高的精度。根据不同情况进行估算，用该法得到的精度在0.42.1 m2/s28

11、。由于大地高h与大地水准面起伏(N)之差等于正高H0，因此求取H0的精度也取决于N，由文献3、9可知：式中G为引力常数，M为地球的质量，a为地球平均半径，M0、U0和、m为正常椭球的质量、正常位和正常重力及其平均值，nm为正常化的位系数，r,、为计算点的向径、余纬和经度，张赤军10即利用上式计算出珠穆朗玛峰的正高，该值为8 847.82 m。上式中：nm(cos)为正常化勒让德多项式，有人已经利用360阶地球位模型及围绕测点2内有详细的重力数据作出估计，N的误差为18.6 cm8。近年来由于位模型的改善，使N的误差还会减小。另一种是大地水准重力法，所谓大地水准就是精密水准测量，它是一种地面上的

12、几何水准测量，尽管它的测量精度很高，但由于地面二点间的几何高差是与路径有关系，是一个多值函数，故不能单独用它来测定高程，只有将它与重力测量相结合，并用位差来表示这才能完整准确地表示出正高，即H0=，gm为平均重力值，显然在大地水准面上H0=0，大地水准虽然精度高，但费时费力，不过在我国已经进行了两期大地水准的测量。将按上述方法求得的结果与验潮站的相比较，已经发现，我国渤海的葫芦岛与南海的阐门，两者互差近62 cm，从而证明了海面自北向南往上倾斜。2.4相对论方法11有的学者认为可用此法来直接测量位差，其原理是运用广义相对论引力频移原理，对运动着的地球进行检测和计算。地球的自转可使其在顺、逆前进

13、方向上产生不同的收缩，而地球轨道的运动速度(公转)仅为光速的万分之一，它们收缩达510-9。这意味着地球的直径在其运动方向上将缩短6.4 cm。从理论上讲，用上述引力对频率标准的效应可以测得地球表面上两点间的位差。但实际上至今尚未见到该法用于实际。3待研究的几个问题(1) 在海洋学法中，假定作为压力基准的等压面与等位面相重合，这无论在理论上或实际上是无法严格做到的。此外，对2 000 m以下盐度和温度密度知道得很少，它们对动力高的贡献可达30%，这是不可忽视的。值得指出的是，在美国西海岸用该法测得的海面，与由大地水准测得的结果相反，这仍是值得研究的问题。在地转流水准中假定只有横向的海流或洋流，

14、实际上纵向流也是存在的，例如在极区附近的洋区，冷流向下，而在赤道则有向上的暖流，尽管从大趋势讲，海洋学方法确定海面地形的结果与测高相近，但为测定更精确的海面地形，必须对以上的不足加以试验和研究。(2) 在测高重力法中，测高仪仅能测定某一历元内(卫星寿命不会很长)的QSST的长波部分，波长一般在4 000 km左右，故研究它们的短波部分很有必要，至于轨道的径向误差、电离层、对流层的影响等仍有待于深入研究，而拟稳态海面地形与稳态海面地形之间的关系也需作探讨。值得注意的是，只有将测高资料和重力数据相结合，才能确定海洋的大地水准面和海面地形。目前虽已有了与地球重力模型相匹配并用36阶球函数表示的海面地

15、形，可是它的分辨率仍然很低，且在靠近海湾港口附近也不能获得精确的海面地形，但不管怎样，测高重力法仍然是今后发展的主要方向。(3) 到目前为止，大地测量方法仍然是确定大地水准面和海面地形的最佳的方法，还可以将GPS的结果与雷达测高相比较和补充，借以提高精度12。如果利用卫星对卫星的跟踪以及重力和重力梯度卫星资料，则可能使测定精度更有所提高，并将它们与卫星测高相结合，其测定范围将可扩大至广阔无垠的洋区。至于如何减弱GM0-GM、W0-U0的误差13，14以及提高位系数的精度，提高SLR、VLBI和GPS在垂直方向的观测精度，以及如何进一步降低大地水准面的测定误差、多种数据的处理方法等仍然是有待解决

16、的问题。(4) 鉴于高精度确立GVD需有一个较长的过程，也不是十年、八年所能完成，加之在确定中可资利用的全球数据，是由数十年乃至百年积累的，因此在数据处理的过程中，必须考虑观测点上的地壳垂直运动。地表的垂直位移显示出隆起机制与侵蚀之间的不平衡，或沉降机制与沉积之间的不平衡，在地质上讨论隆起和沉降机制时，常常与地质的构造运动、断层活动、热机制、侵蚀和沉积负荷、地壳的流变性(冰后回弹)等问题相联系，例如人们在巴比亚新几内亚的铜矿同位素测定中发现那里平均隆起速率为1.3 mm/a4，在芬兰的斯堪的那维亚的中心，每年上升9 mm14。如果在这样的地区设立验潮站或大地测量站和对于数十年观测资料作处理时，

17、就必须顾及隆起等地质因素的影响。同样在我国高程原点的青岛，也有近1 mm/a的变化15，其变化的地质机理和规律仍在研究中。(5) 现已知道，风是洋流的驱动力，大气压力也是引起海面地形的一个因素，因此要想知道大气与海洋之间的界面，还必须研究气象因素、大气和海洋的热收支对海面与大地水准面的影响。4几点建议鉴于统一全球高程基准甚为重要，而国际上正在加紧进行研究和实施的时候，我们也应抓住这一有利时机，结合我国的实际情况，密切与国际同行们合作，为建立统一的高程基准作出自己的贡献，现提供下列建议：(1) 测绘、海洋、地质、地球物理和气象等部门应密切合作，对海面地形包括稳态地形、拟稳态地形以及其间的关系等进

18、行研究，从不同学科对E、S、G、T等面进行研究。(2) 开展海洋、大气热传输及其对海面和GVD的研究。(3) 收集和分析测高数据，寻求长波与短波的分离方法及其它们之间的联系以及如何提高测高精度(如提高到1 cm)。在沿海验潮站间的水准联测资料中，对大气折射、磁场等影响和重力改正等需作深入分析，并将这一结果与垂直构造运动、海平面变化等观测统一起来进行研究。(4) 积极改进SLR、GPS观测技术，提高它们的垂直定位精度，争取使定位精度高于1 cm，改善目前用于GPS的WG84系统。在对验潮站及SLR站开展精化大地水准面和时变重力场的研究，其中包括在界圆2内的重力点布设，以及怎样才能精确测定GM、W0和建立平差模型等等。(5) 进一步了解地球的流变特性，继续对固体潮、海洋负荷潮、冰后效