地球重力場的意義及其在地球科學(xué)中的作用

確定精細(xì)地球重力場在地球科學(xué)中具有重要意義。地球重力場結(jié)構(gòu)由地球物質(zhì)分布結(jié)構(gòu)所決定，重力場信息反映地球內(nèi)部密度分布信息。重力異常，即實(shí)際重力場與處于流體靜力平衡理想地球體的正常重力場之差，揭示地球內(nèi)部物質(zhì)分布的非平衡狀態(tài)，對(duì)應(yīng)地球內(nèi)部的密度異常，是地球內(nèi)部動(dòng)力學(xué)過程的動(dòng)因。測定重力異常是目前探索地球內(nèi)部結(jié)構(gòu)的三種手段（包括地震波傳播分析以及地磁場測定）之一，重力場提供了反映地球內(nèi)部構(gòu)造的“一面鏡子”。通過重力異常可反演密度異常，但這一反演問題不確定；目前地震波層析成像可提供地震波速度異常的三維圖像，但直接由波速異常轉(zhuǎn)換為密度異常還很困難。聯(lián)合重力異常和三維地震層析成像，結(jié)合地球表面的形變和位移信息（由大地測量獲得）以及對(duì)地幔物質(zhì)物理化學(xué)性質(zhì)的實(shí)驗(yàn)研究，加之地殼及巖石圈的磁異常信息，可以加深對(duì)地球內(nèi)部密度異常結(jié)構(gòu)及其動(dòng)力過程的了解和認(rèn)識(shí)。

確定高精度大地水準(zhǔn)面對(duì)研究海洋動(dòng)力環(huán)境和海洋地球物理問題具有重要意義。大地水準(zhǔn)面是地球重力場中代表地球形狀的一個(gè)特定重力等位面，僅由地球物質(zhì)引力和自轉(zhuǎn)離心力決定，不受外力干擾且最接近靜止海洋表面，是描述包括海洋在內(nèi)的地球表面地形起伏和地球形狀的理想?yún)⒖济妗Ｄ壳袄眯l(wèi)星雷達(dá)測高技術(shù)可精密測定平均海面，由于受各種非保守力的作用，使海水處于運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，平均海面并非重力等位面，其相對(duì)于大地水準(zhǔn)面的起伏為穩(wěn)態(tài)海面地形，決定全球大洋環(huán)流，產(chǎn)生海水熱能的傳遞和物質(zhì)的遷運(yùn)，與大氣互相作用影響全球氣候變化，厄爾尼諾和拉尼娜現(xiàn)象就是其中一種災(zāi)害性氣候變化，這兩種現(xiàn)象都會(huì)引起平均海面高的異常變化。海洋大地水準(zhǔn)面也是反映海底地形起伏及海底大地構(gòu)造的物理面，洋中脊、海溝、海山和海底斷裂帶都可經(jīng)過頻譜分析從海洋大地水準(zhǔn)面起伏圖像中進(jìn)行識(shí)別，為海洋地球物理研究和礦產(chǎn)資源勘探提供基礎(chǔ)信息。

確定具有cm級(jí)精度大地水準(zhǔn)面將是大地測量學(xué)發(fā)展新的里程碑。大地水準(zhǔn)面是大地測量的一個(gè)基本參考面，即正高（海拔高）的起算面，它的精密確定需要有高精度高分辨的全球重力數(shù)據(jù)。目前大地水準(zhǔn)面的精度在中、長波段大致還處于m級(jí)或dm級(jí)水平，而中、長波在地球重力場譜結(jié)構(gòu)中絕對(duì)占優(yōu)，大于95%。提高中、長波分量的準(zhǔn)確度是進(jìn)一步精化地球重力場和大地水準(zhǔn)面的關(guān)鍵，新的衛(wèi)星重力探測計(jì)劃是解決這一問題的最有效途徑，可以低成本高效率地提供高精度的分辨率為50～100 km全球分布的重力數(shù)據(jù)。如果實(shí)現(xiàn)cm級(jí)精度大地水準(zhǔn)面，就可將由GPS測定的橢球高（大地高）直接轉(zhuǎn)換為正高，并達(dá)到cm級(jí)精度，在實(shí)用上可替代相應(yīng)精度要求的繁重的水準(zhǔn)測量，這將是大地測量學(xué)解決正高或正常高測定難點(diǎn)的重大進(jìn)展。地面點(diǎn)正高數(shù)據(jù)是社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和地球科學(xué)研究需要的基礎(chǔ)信息。由于各個(gè)國家目前都是采用各自由特定驗(yàn)潮站所確定的平均海面作為本國的高程起算面，并非大地水準(zhǔn)面，由于海面地形的存在，各國高程基準(zhǔn)不統(tǒng)一，相差可達(dá)23 m。統(tǒng)一全球高程基準(zhǔn)也是大地測量跨世紀(jì)的目標(biāo)和任務(wù)之一，以適應(yīng)未來經(jīng)濟(jì)發(fā)展全球化和構(gòu)造數(shù)字地球?qū)崿F(xiàn)信息共享的發(fā)展趨勢。

李建成，長江學(xué)者特聘教授，武漢大學(xué)測繪學(xué)院院長、博士生導(dǎo)師，2011年12月當(dāng)選為中國工程院院士。李建成教授長期致力于地球重力場理論及其工程應(yīng)用領(lǐng)域的教學(xué)、科研和人才培養(yǎng)工作，特別在精密高程基準(zhǔn)面建立與維持、高程測定模式現(xiàn)代化、全球重力場建模、衛(wèi)星重力、海洋衛(wèi)星測高等領(lǐng)域做出了突出貢獻(xiàn)。主持和參加國家杰出青年基金、國家自然基金重點(diǎn)項(xiàng)目、國家973、國家863計(jì)劃項(xiàng)目等國家級(jí)及省部級(jí)科研和工程項(xiàng)目100余項(xiàng)；獲國家科學(xué)技術(shù)進(jìn)步二等獎(jiǎng)3項(xiàng)、省部級(jí)科技進(jìn)步一等獎(jiǎng)7項(xiàng)；發(fā)表論文120余篇、著作4部；榮獲光華科技工程獎(jiǎng)、中國青年科技獎(jiǎng)、國家測繪局科技領(lǐng)軍人才、加拿大卡爾加里大學(xué)“國際杰出科學(xué)家”等多項(xiàng)國內(nèi)外榮譽(yù)稱號(hào)。