重力场是反映地球介质密度变化和在各种环境(固体地球潮汐、内部热流、固体和液体之间质量的交换、表面负荷和地震构造运动等)下动力学特征的最基本和最直接的物理量[1]。重力场及其变化反映了地球表层及内部的物质密度分布和运动状态，而根据重力场的时空变化，又可推演和监测地球系统物质运移和交换过程(图1)[2]，并且重力场的时空分辨率越高，其中包含的地球物质系统时变信息量就越多。因此，高分辨率的地球重力场时变信息对于研究地球动力学过程和实际应用都具有非常重要的意义。地球重力变化反映在一系列时间尺度上，有数以亿年的大陆漂移、海底扩张和造山运动，有数以万年的冰期和冰期所引起的构造运动和海洋运动，也有几十年、一年、半年、一月、一日乃至更短时间(如地震)的物质运移造成的重力变化。重力变化的监测与解释一直是地震预测研究领域的重要内容。同时，重力场的时空变化对空间飞行器的轨道控制、运动规律等都有不可忽视的影响。

重力场的变化可以通过两种途径得到：地面重复重力观测和卫星重力观测。从16 世纪惠更斯(C. Huygens)发明的摆重力测量工具，到20 世纪后期微伽级高精度相对和绝对重力仪等高精度测量仪器的出现，使观测到重力场随时间的变化成为可能[3]。但目前地面连续重力观测站点相对比较少，高精度重复重力观测比较耗时，难以获得连续的时变重力场信息。随着卫星对地观测技术的飞速发展，其具有的全天候、全球覆盖、精度均匀等优点越来越受到人们青睐，科学家可通过卫星测量技术获取全球重力场变化的信息。

20 世纪80 年代中期实现的卫星激光测距技术，可以精确测定重力场的超长波部分(即6 阶以下的地球重力场带谐系数)的时变量，但由于大气对低轨卫星定轨的影响，其时变部分的空间分辨率达到了极限，无法提高，所以必须寻找更有效的途径，这就促使了卫星重力研究的兴起[4]。经历了近30 年的研究和发展，利用卫星跟踪卫星技术和星载重力梯度仪测定静态(动态)地球重力场已趋向成熟并实用化。近年来，欧洲空间局(ESA)和美国宇航局(NASA )相继发射了具有测定地球重力场能力的CHAMP、GRACE 和GOCE 卫星[5](图2)。

CHAMP 卫星是由德国空间局(DLR)研发的一颗高低卫−卫跟踪重力试验卫星，于2000 年7 月被成功发射，主要用于测定地球重力场和磁场。由于卫星部分设备性能不稳影响了重力场的推算精度，故其模型在实际中应用不多。相对而言，CHAMP 是一次概念性的试验。

继CHAMP 卫星之后，德国DLR 和美国NASA 联合研制了GRACE 卫星，于2002 年3 月17 日发射升空，主要用于探测重力场和全球气候变化[6]。GRACE 卫星系统由两颗同样相距约200km的并行飞行的双星构成，近极圆轨道，采用了低低卫−卫跟踪技术、K 波段微波仪精确双星技术、测定非保守力的精密的三轴加速度计和测量卫星惯性方向的两个星相机等多种先进的仪器设备和技术方法，为获取全球覆盖、高精度、高分辨率的观测资料提供了可靠保证。研究表明[7]，GRACE卫星提供的资料解算的重力场模型序列可以在大于400km空间尺度上反映地球重力场月间隔时间变化，并能够达到相当高的精度。

2009 年3 月17 日，ESA 研制的人类第一颗重力梯度测量卫星—— GOCE 卫星成功升空，它同时采用卫星轨道摄动和重力梯度测量技术确定地球重力场。GOCE卫星平台上搭载了GPS/GLONASS 接收机、由三轴加速度计构成的重力梯度仪以及姿态控制系统等与测定地球重力场有关的设备，预定为近极轨道，高度设计为250km左右。GOCE 的主要目的是提供具有高空间解析度和高精度的全球重力场模型，其空间分辨率将达到80~200km，最短可达65km[5]。

卫星重力测量技术的发展，使重力测量跨入新时代，极大地推进了获取重力场时变信息的研究进展，但主要限于测定地球重力场的中长波分量，不能获得涵盖所有时空变化尺度的地球重力场信息。要测定高频重力场信息，仍需依赖于传统的重力测量技术。

综上可见，高分辨率、高精度重力场时变信息的获取依赖于两方面因素：一方面是重力观测技术和在有效载荷上重力时变信息的提取。在卫星重力观测技术方面，未来的重力卫星(如GRACE Follow-on)将采用先进的激光测距或者无拖曳技术等；在载荷时变信息提取方面，国内外已发展了根据卫星载荷观测资料(轨道位置及速度、K 波段/激光干涉系统的星间距离及速度、星载加速度计的非保守力、卫星重力梯度仪的重力梯度张量等)反演重力场时变信息一些方法(如能量法、动力学法等)[8]，但仍然存在不足或局限性，需要寻求高精度、全频段、高效的重力场反演方法。另一方面是各种不同观测技术手段获得的重力场时变信息的综合处理。地面重力测量、卫星重力测量等观测技术，各有优缺点，如何将这些观测资料进行融合处理，也是获得高分辨率地球重力场时变信息所需要解决的难题。

面对全球变化日趋加剧的今天，高分辨率的重力场时空动态变化信息对于监测与其相关的陆地水储量、水循环、海水质量变迁、地震形变、冰体质量平衡、冰后回弹等地球物理过程具有重要意义和应用前景。随着观测技术的进步和数据处理方法的发展，科学家将确定出其分辨率和精度越来越高的时变重力场。

参考文献

[1] 王谦身, 安玉林, 张赤军等. 重力学 —— 中国现代科学全书·固体地球物理学. 北京:地震出版社, 2003. 467−470.

[2] Ilk K H, Flury J, Rummel R et al. Mass transport and mass distribution in the earth system. Proposal for a German Priority Research Program, GeoForschungsZentrum Potsdam. 2004.

[3] 胡明城. 现代大地测量学的理论及其应用. 北京：测绘出版社, 2003. 6−10.

[4] 许厚泽. 卫星重力研究: 21 世纪大地测量研究的新热点. 测绘科学, 2001, 26(3): 1−3.

[5] 孙文科. 低轨人造卫星(CHAMP、GRACE、GOCE) 与高精度地球重力场: 卫星重力大地测量的最新发展及其对地球科学的重大影响. 大地测量与地球动力学, 2002, 22 (1) :92−100.

[6] Tapley B D, Bettadqur S. The gravity recovery and climate experiment: mission overview andearly results. Geophys Res Lett, 2004, 31: L09607.

[7] Tapley B D, Bettadpur S, Ries J C et al. GRACE measurements of mass variability in the earth system. Science, 2004, 305: 503−505.

[8] Visser P N A M, Schrama E J O. Space-borne gravimetry: determination of the time variable gravity field. In: Jekeli C, Bastos L, Fernandes J. Gravity, Geoid and Space Missions (GGSM 2004), IAG International Symposium. Berlin: Spinger, 2005, 6−10.

 

(张子占 钟敏 郑伟 许厚泽供稿)