大地测量与地球动力学

厄尔尼诺-南方涛动在年际尺度对超导重力观测的可能影响

刘颖 ¹ , 丁浩 ¹^,*

大地测量与地球动力学 | 地球动力学 2026,46(1): 63-67

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大地测量与地球动力学 |地球动力学 2026 , 46 (1) : 63 -67

厄尔尼诺-南方涛动在年际尺度对超导重力观测的可能影响

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刘颖, 硕士生, 主要从事ENSO相关研究, E-mail: yliusgg@whu.edu.cn

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刘颖¹, 丁浩¹^,*

作者信息

1 武汉大学地球与空间科学技术学院, 武汉, 430072

通讯作者:

丁浩, 博士, 教授, 博士生导师, 主要从事全球大地测量观测的地学应用研究, E-mail: dhaosgg@sgg.whu.edu.cn

作者简介:

刘颖, 硕士生, 主要从事ENSO相关研究, E-mail: yliusgg@whu.edu.cn

Possible Impacts of the El Niño-Southern Oscillation on Superconducting Gravimetric Observations at Interannual Scale

Ying LIU¹, Hao DING¹^,*

Affiliations

1 School of Earth and Space Science and Technology, Wuhan University, Wuhan 430072, China

出版时间: 2026-01-15 doi: 10.14075/j.jgg.2025.02.035

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摘要

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选择数据长度较长(2004—2020年)且观测质量较好的CB和MB超导重力仪(SG)台站，并选用海洋Niño指数(ONI)作为厄尔尼诺-南方涛动(ENSO)指数，研究ENSO在年际尺度(主要指1~5 a尺度)对SG观测的可能影响。首先对CB和MB观测序列去除仪器响应、大气潮、潮汐、水文和极移等影响，然后利用Morlet小波变换及交叉小波方法对2类数据进行研究分析。结果表明，SG观测与ONI主要在约1.5 a和约3 a周期上存在一定的相关性，其中CB台站的重力变化与ONI表现为负相关，而MB台站的重力变化与ONI表现为正相关，且重力变化信号相对ONI具有一定的时延性。同时还发现，ENSO对CB台站的影响比MB台站更显著，特别是在约3 a周期上，ENSO与CB台站重力变化呈负相关。推测这种差异化影响主要与台站的地理位置有关，但定量的显式影响关系仍有待进一步研究。

关键词

超导重力 / ENSO / Morlet小波变换 / 交叉小波

Abstract

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We select CB and MB superconducting gravimeter (SG) stations with longer data length (2004-2020) and better observation quality, and use the oceanic Ni1o index (ONI) as the El Ni1o-southern oscillation (ENSO) index to assess the possible impact on SG observations at the interannual timescale (primarily 1-5 a). First, we remove the influences of instrument response, atmospheric tides, tidal effects, hydrological factors, and polar motion from the CB and MB observation series. Then, we apply the Morlet wavelet transform and cross-wavelet analysis to the data. The results show there is a significant correlation between SG observations and ONI, primarily at periods of approximately 1.5 a and 3 a. Specifically, gravity variations at CB station exhibit a negative correlation with ONI, while at MB station, the correlation is positive, with a time delay in the gravity observation relative to ONI. Furthermore, the ENSO effect on CB station is more pronounced than that on MB station, especially at about 3 a period, where ENSO shows a negative correlation with gravity variations at CB station. We hypothesize that this discrepancy is largely due to the different geographical locations of stations. However, more detailed quantitative studies are needed to further explore this relationship.

Key words

superconducting gravity / ENSO / Morlet wavelet transform / cross-wavelet

引用本文

刘颖, 丁浩. 厄尔尼诺-南方涛动在年际尺度对超导重力观测的可能影响. 大地测量与地球动力学, 2026 , 46 (1) : 63 -67 . DOI: 10.14075/j.jgg.2025.02.035

Ying LIU, Hao DING. Possible Impacts of the El Niño-Southern Oscillation on Superconducting Gravimetric Observations at Interannual Scale[J]. Journal of Geodesy and Geodynamics, 2026 , 46 (1) : 63 -67 . DOI: 10.14075/j.jgg.2025.02.035

正文

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地球重力场变化能反映地球内部密度结构变化以及地球动力学特征。相较于传统的机械弹簧重力仪，超导重力仪(superconducting gravimeter, SG)在测量范围、测量精度、稳定性以及漂移率方面更具优势，能够对短周期和长周期尺度的重力变化进行研究^[1-3]。由国际大地测量与地球物理联合会发起的全球地球动力学合作计划(global geodynamics project, GGP)从1997-07起，提供全球不同超导重力台站相同采样率的超导重力信号数据，为研究全球大尺度的地球动力学特征创造了条件。Sun等^[4]利用武汉超导重力台站观测数据精密确定了FCN的共振参数；雷湘鄂等^[5]基于武汉超导重力台站数据对2004年苏门答腊地震激发的地球自由振荡进行观测；徐建桥等^[6]基于超导重力仪观测数据发现一组可能来自内核平动振荡的三重谱线，其周期分别为5.310 h、4.995 h和4.344 h；Ding等^[7]利用2010年智利地震和2011年日本地震之后的全球超导重力数据对1 mHz以下的简正模复频率进行估计；Ding等^[8]利用全球GPS和超导重力信号对极潮进行研究；陈晓东等^[9]利用武汉超导重力仪和同期地下水位观测数据定量估算武汉台站地下水储量变化。

SG观测除受到仪器自身影响之外，还受到潮汐、大气潮、极潮、气候等的影响^[10]。其中，潮汐、大气潮、极潮可在数据预处理过程中被消除或减弱^[11]。在气候相关因素中，陆地水储量以及温度变化会对重力观测产生一定影响。Sato等^[12]在扣除其他影响的重力残差中观测到明显的季节性信号，并认为其主要受到陆地水影响；周江存等^[3]联合GRACE卫星重力时变信号和超导重力观测信号验证了陆地水储量对重力信号的影响；Harnisch等^[13]利用超导重力台站数据探索降水以及地下水位变化对重力场观测的影响；徐建桥等^[14]对南极中山站重力场观测数据进行研究，结果表明, 温度对重力观测的影响主要表现在长周期信号中，对重力场的高频扰动作用非常微弱。

厄尔尼诺-南方涛动(El Niño-southern oscillation, ENSO)是热带地区大规模海气耦合现象的产物，其主要特征表现为赤道中东太平洋海表温度在2~7 a尺度上呈现周期性波动，对全球气候系统具有显著影响^[15-16]。Angell^[17]研究认为，ENSO通过加强热带地区水分循环来实现对对流层大气的加热作用；龚道溢等^[18]对全球气温与ENSO观测资料进行分析，结果表明，ENSO指数对热带地区温度影响最为明显，而对热带以外地区的影响逐渐减弱，尤其是在2~7 a周期段上。

上述研究表明，ENSO很可能会直接或间接地影响SG观测。因此，本研究结合多种频谱以及小波分析方法，在多个周期尺度上分别对不同SG台站的重力变化与ENSO进行相关性分析，以期发现规律性结果。

1 数据与方法

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1.1 超导重力数据

国际地球动力学和地球潮汐服务(International Geodynamics and Earth Tide Service, IGETS, 2015年至今)结合早期的全球地球动力学计划(GGP, 1997-2015年)可提供1997年至今的全球SG台站观测数据。由于不同超导重力台站的数据长度、数据质量以及数据连续性存在较大差异，在考虑上述因素以及地理位置因素后，本文选取澳大利亚CB(Canberra, 149.007 7°E、35.320 6°S)和比利时MB(Membach, 6.006 7°E、50.609 2°N)站点的超导重力数据，数据长度为2004-2020年，采样间隔为1 h。对原始数据进行预处理，首先对数据的台阶、尖突以及间断进行修正，然后去除仪器响应、大气潮、潮汐、趋势项等。对于降水的影响，通过下式进行计算并去除^[19]：

(1)

$\begin{gathered}\Delta g_i=2 \pi G \rho \sum\limits_{j=1}^{i-1} r_j\left(1-\exp \left(-\frac{i-j}{\tau_1}\right)\right) \cdot \\\exp \left(-\frac{i-j}{\tau_2}\right)\end{gathered}$

式中，r_j为在j小时的降水量；Δg_i为在i小时的重力观测影响；补给时间常数τ₁和排放时间常数τ₂分别表示降水向地面的渗透以及通过蒸发和蒸散作用使地面逐渐干涸；G为重力常数；ρ为渗透到自由孔隙空间的水的密度。

通过下式去除极移的影响^[20]：

(2)

$\begin{gathered}g_4(t)=\delta \cdot \varOmega^2 R \sin (2 \theta)(x \cos \varphi-y \sin \varphi) \times \\10^{\circ}\left(\mathrm{nm} / \mathrm{s}^2\right)\end{gathered}$

式中，δ为重力极潮因子，对于刚性地球取值为1，对于黏弹性地球则可取1.156^[8]；Ω为地球自转角速度；R为地球平均半径；θ为台站纬度；φ为台站经度；x和y为EOP给出的极移坐标。在去除上述因素的影响之后，为便于与ENSO指数进行相关性分析，对数据进行降采样处理。鉴于数据本身长度有限，且本文主要关注1~5 a周期段，因此进一步采用高通滤波对CB和MB数据进行滤波处理，最终得到滤波后的观测序列(图 1)。

1.2 ENSO指数

本文选用ONI作为ENSO指数，此外用于表征ENSO的指数还有多变量厄尔尼诺指数(MEI)和南方涛动指数(SOI)等，这些指数在年际尺度上表现出的特点基本类似。研究使用的月度ONI序列来自美国国家海洋和大气管理局(NOAA)提供的扩展重建海面温度(ERSSTv5)数据集^[21]，为赤道太平洋5°N~5°S、120°W~170°W范围内海表温度异常(SSTA)的3个月滑动平均值，采用的时间跨度与SG观测相同，为2004-2020年。根据NOAA提供的El Niño事件判定标准，将ONI至少连续5个月超过0.5 ℃的时期判定为一次El Niño事件。为了与SG数据一致，研究使用的ONI序列被滤波到大于0.2 cpy频段上(图 1(c))。

1.3 分析方法

本文使用一种改进的标准时频变换(normal time-frequency transform, NTFT)方法^[22]，能生成信号的高分辨率小波时频谱。该方法通过基于角频率和时间窗宽度的核函数，与信号进行卷积操作，从而实现信号的时频域映射。具体而言，核函数的生成根据不同的变换类型(标准Gabor变换(NGT)或标准Morlet小波变换(NMT))进行自适应调整，研究中采用NMT，因为其能够根据角频率动态调整参数以优化时频分辨率。该方法能捕捉信号的局部时频特性，并通过自适应调整来优化时频聚集效果，非常适用于分析具有非平稳特性的信号，广泛应用于信号处理和时频分析。

2 结果与分析

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2.1 归一化傅里叶振幅谱

为初步判断ONI与2个SG观测之间的相关性，首先采用经典的傅氏谱分析分别对其进行处理。图 2为所选用的CB和MB观测序列的傅氏振幅谱，其中红线表示相同时间跨度的ONI序列的振幅谱。为便于对比，对谱图进行归一化处理。由图 2(a)可知，ONI和CB观测之间存在3对周期较为接近的谱峰，分别对应约1.2 a、约1.5 a和约3.1 a周期。图 2(b)与2(a)存在比较明显的差异，ONI和MB观测在约1.2 a附近并无明显对应的谱峰，但在约1.5 a和约1.8 a附近存在比较类似的谱峰，在更长的约3.3 a周期，考虑到信号重叠等因素，也很有可能存在相近的信号。

由于傅氏谱分析所展示的谱峰是信号在所选择时段内平均振幅的体现，且受限于数据长度所决定的频率分辨率，因此某一谱峰可能并不只对应一个周期性信号，或者某一谱峰并不一定是一个具有稳定周期的信号。图 2(a)和2(b)在统计意义上表明ONI和2个SG观测之间可能存在部分周期接近的信号，更进一步的判断需要结合时频分析结果。

2.2 Morlet小波时频谱

为进一步分析2004-2020年ONI和SG时序所包含的信号周期及其随时间的变化特征，对滤波后的ONI信号和SG观测进行Morlet小波变换，结果如图 3所示。由图 3(c)可知，ONI在大于0.2 cpy频段上存在多个周期振荡，最显著的2个主导周期分别为约1.5 a和约3 a，其中后者周期振荡更稳定，并且振幅更强，此外在2012-2016年，ONI信号中还存在较微弱的约1.2 a和约1.8 a周期振荡。结合同期SG观测的小波谱可以看出，在年际尺度上，CB台站的SG观测存在约1.5 a、约2.1 a和约3.1 a的周期振荡(图 3(a))，MB台站的SG观测存在约1.8 a、约2.5 a和约3.4 a的周期振荡，以及存在于2004-2008年的约1.5 a周期振荡，而约2.5 a和约3.5 a的周期振荡在2016年之后合为约3.3 a的周期振荡(图 3(b))，这也很好地解释了傅氏谱中MB台站的SG观测在约3.3 a周期出现谱峰(图 2 (b))。从小波时频结果的对应关系上看，CB台站的SG观测与ONI信号在约3.1 a周期上体现出显著的反相位振荡，说明两者之间存在负相关关系; MB台站的SG观测中所存在的约1.2 a、约1.5 a和约1.8 a周期振荡在2个台站的SG观测中表现出一定的时变性，只在部分时段有显示，可能与信号本身能量较弱有关。总体而言，Morlet小波时频谱中的ONI信号与2个台站的SG观测所体现出的周期一致性和图 2的傅氏谱具有较好的对应关系。此外，相比于SG观测，ONI中的周年项与半周年项信号较弱，因此研究中对于ONI与SG观测相关性的分析主要集中于1~4 a的周期振荡。

2.3 交叉小波功率谱

进一步分别对各个台站的SG观测和ONI信号序列进行交叉小波变换，分析其在不同周期尺度上的联合行为及其随时间的变化。交叉小波功率谱能可视化2个信号在时间和频率上的同步区域，图 4中黑色实线所围区域表示通过95%的置信度检验，其中箭头向右表示两者呈正相关，箭头向左表示两者呈负相关，箭头向上表示ONI信号领先SG变化半个周期。图 4(a)为2004-2020年CB台站的SG观测与ONI在0.2~4 a周期频段内的交叉小波谱，可以看出CB台站的SG观测与ONI在2009-2016年在约3 a周期上呈显著负相关；在2006-2011年在约1.5 a周期上表现为负相关，而这种关系相对微弱，可能与约1.5 a信号振幅较小有关。MB台站的SG观测与ONI信号在2011-2018年在约3 a周期上呈正相关，且ONI变化领先SG约1/2个周期；在2008-2012年在约1.5 a周期上呈正相关，ONI变化领先SG约1/4个周期(图 4(b))。相比于MB台站，CB台站的SG观测与ONI信号在时间和频率上的一致性更稳定，特别是在约3 a周期上。

3 结语

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本文在多个周期尺度上对2004-2020年间CB和MB超导重力台站的SG观测与ENSO的关系进行分析，并提出ENSO对超导重力影响主要体现在年际尺度上，且对于不同位置的超导重力台站，ENSO对SG观测的影响存在差异性。归一化傅氏振幅谱显示，CB台站的超导重力与ONI的谱峰在约1.2 a、约1.5 a和约3.1 a周期上较为接近，而MB台站的超导重力与ONI信号的谱峰在约1.5 a、约1.8 a和约3.3 a周期上较为接近。尽管本文使用的SG数据已去除多种因素影响，但仍存在部分影响因素难以去除，包括约2.5 a周期的水文因素影响。ENSO对不同区域的影响不一致，导致在周期上存在一定差异。

利用Morlet小波时频谱揭示SG观测和ONI信号中包含的主导周期信号以及随时间的变化，在最为显著的3.0~3.1 a周期上，CB台站的SG观测与ONI的小波实部变化呈反相位关系，说明在该周期上厄尔尼诺事件的发生会导致CB台站观测的SG异常增大，拉尼娜事件的发生会导致该地区SG异常减小。在此基础上，利用交叉小波功率谱进一步分析SG观测与ONI信号在时域和频域的共振以及相位关系。整体来看，CB和MB台站的SG信号分别与ONI在年际尺度(主要为约1.5 a和约3 a)上表现为负相关和正相关，且在约3 a周期上CB台站SG信号与ONI相关性更稳定，而在约1.5 a周期上MB台站SG信号与ONI相关性更稳定。相比于MB台站，CB台站的SG观测在滤波后与ONI具有更显著的相关性(R=-0.55)，且不存在明显时滞。导致相关性不同的原因可能为：ENSO对SG的影响主要通过对气候因素的调控，而ENSO对全球范围的气候影响存在区域差异性，因此不同台站观测到的SG信号与ONI之间的相关性和相滞关系存在差异，而CB台站在地理位置上距离赤道太平洋区域更近，受到的影响更显著。

ENSO会对超导重力台站的观测产生影响，且这种影响存在区域差异性。初步认为，产生这种影响的原因是ENSO对温度和气压等气候因素具有调控作用，进而影响重力变化。本文结果同样说明，深入研究ENSO与SG观测的联系有助于进一步分析气候因素对超导重力观测的影响，从而更好地探寻地球内部结构本身的变化。

基金

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国家自然科学基金(42388102)
国家自然科学基金(42192533)
国家自然科学基金(42192531)
武汉市自然科学基金(2024040701010027)

参考文献

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文献

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2026年第46卷第1期

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文章信息

doi: 10.14075/j.jgg.2025.02.035

接收时间：2025-02-14
首发时间：2026-10-29
出版时间：2026-01-15

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作者

出版历史

收稿日期：2025-02-14

基金

国家自然科学基金(42388102)

国家自然科学基金(42192533)

国家自然科学基金(42192531)

武汉市自然科学基金(2024040701010027)

作者信息

1 武汉大学地球与空间科学技术学院, 武汉, 430072

通讯作者:

丁浩, 博士, 教授, 博士生导师, 主要从事全球大地测量观测的地学应用研究, E-mail: dhaosgg@sgg.whu.edu.cn

参考文献

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2种不同金属材料的力学参数

科 Family	属数 Number of genus	种数 Number of species	占总种数比例 Percentage of total species (%)	属 Genus	种数 Number of species	占总种数比例 Percentage of total species (%)
鹅膏菌科Amanitaceae	2	11	5.26	鹅膏菌属 Amanita	10	4.78
小菇科 Mycenaceae	2	12	5.74	丝盖伞属 Inocybe	5	2.39
多孔菌科 Polyporaceae	8	14	6.70	蜡蘑属 Laccaria	5	2.39
红菇科 Russulaceae	3	23	11.00	小皮伞属 Marasmius	6	2.87
				小菇属 Mycena	11	5.26
				光柄菇属 Pluteus	5	2.39
				红菇属 Russula	17	8.13
				栓菌属 Trametes	5	2.39

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