地球重力场的意义及其在地球科学中的作用

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确定精细地球重力场在地球科学中具有重要意义。地球重力场结构由地球物质分布结构所决定，重力场信息反映地球内部密度分布信息。重力异常，即实际重力场与处于流体静力平衡理想地球体的正常重力场之差，揭示地球内部物质分布的非平衡状态，对应地球内部的密度异常，是地球内部动力学过程的动因。测定重力异常是目前探索地球内部结构的三种手段（包括地震波传播分析以及地磁场测定）之一，重力场提供了反映地球内部构造的“一面镜子”。通过重力异常可反演密度异常，但这一反演问题不确定；目前地震波层析成像可提供地震波速度异常的三维图像，但直接由波速异常转换为密度异常还很困难。联合重力异常和三维地震层析成像，结合地球表面的形变和位移信息（由大地测量获得）以及对地幔物质物理化学性质的实验研究，加之地壳及岩石圈的磁异常信息，可以加深对地球内部密度异常结构及其动力过程的了解和认识。

确定高精度大地水准面对研究海洋动力环境和海洋地球物理问题具有重要意义。大地水准面是地球重力场中代表地球形状的一个特定重力等位面，仅由地球物质引力和自转离心力决定，不受外力干扰且最接近静止海洋表面，是描述包括海洋在内的地球表面地形起伏和地球形状的理想参考面。目前利用卫星雷达测高技术可精密测定平均海面，由于受各种非保守力的作用，使海水处于运动状态，平均海面并非重力等位面，其相对于大地水准面的起伏为稳态海面地形，决定全球大洋环流，产生海水热能的传递和物质的迁运，与大气互相作用影响全球气候变化，厄尔尼诺和拉尼娜现象就是其中一种灾害性气候变化，这两种现象都会引起平均海面高的异常变化。海洋大地水准面也是反映海底地形起伏及海底大地构造的物理面，洋中脊、海沟、海山和海底断裂带都可经过频谱分析从海洋大地水准面起伏图像中进行识别，为海洋地球物理研究和矿产资源勘探提供基础信息。

确定具有cm级精度大地水准面将是大地测量学发展新的里程碑。大地水准面是大地测量的一个基本参考面，即正高（海拔高）的起算面，它的精密确定需要有高精度高分辨的全球重力数据。目前大地水准面的精度在中、长波段大致还处于m级或dm级水平，而中、长波在地球重力场谱结构中绝对占优，大于95%。提高中、长波分量的准确度是进一步精化地球重力场和大地水准面的关键，新的卫星重力探测计划是解决这一问题的最有效途径，可以低成本高效率地提供高精度的分辨率为50～100 km全球分布的重力数据。如果实现cm级精度大地水准面，就可将由GPS测定的椭球高（大地高）直接转换为正高，并达到cm级精度，在实用上可替代相应精度要求的繁重的水准测量，这将是大地测量学解决正高或正常高测定难点的重大进展。地面点正高数据是社会经济发展和地球科学研究需要的基础信息。由于各个国家目前都是采用各自由特定验潮站所确定的平均海面作为本国的高程起算面，并非大地水准面，由于海面地形的存在，各国高程基准不统一，相差可达23 m。统一全球高程基准也是大地测量跨世纪的目标和任务之一，以适应未来经济发展全球化和构造数字地球实现信息共享的发展趋势。

李建成，长江学者特聘教授，武汉大学测绘学院院长、博士生导师，2011年12月当选为中国工程院院士。李建成教授长期致力于地球重力场理论及其工程应用领域的教学、科研和人才培养工作，特别在精密高程基准面建立与维持、高程测定模式现代化、全球重力场建模、卫星重力、海洋卫星测高等领域做出了突出贡献。主持和参加国家杰出青年基金、国家自然基金重点项目、国家973、国家863计划项目等国家级及省部级科研和工程项目100余项；获国家科学技术进步二等奖3项、省部级科技进步一等奖7项；120余篇、著作4部；荣获光华科技工程奖、中国青年科技奖、国家测绘局科技领军人才、加拿大卡尔加里大学“国际杰出科学家”等多项国内外荣誉称号。