DOI: https://doi.org/10.5194/gmd-19-3361-2026
تاريخ النشر: 2026-04-27
المؤلف: Yixiang Liu وآخرون
الموضوع الرئيسي: الدراسات الجيولوجية والجيوفيزيائية
نظرة عامة
تتناول ورقة البحث قيود نماذج مجال الجاذبية في المناطق الساحلية، حيث تعيق فجوات البيانات والتلوث الناتج عن نماذج اليابسة والمد والجزر الدقة. للتغلب على هذه التحديات، تستخدم الدراسة نهج نمذجة الجاذبية الأمامية باستخدام نموذج التضاريس المتبقية (RTM) الذي يدمج بيانات التضاريس الأرضية والبحرية عالية الدقة. يهدف هذا الأسلوب إلى تقليل أخطاء الاقتطاع وتعزيز دقة معلومات شذوذ الجاذبية (GA) في المناطق الساحلية. يتم بناء RTM من خلال دمج نموذج الارتفاع الرقمي SRTM V4.1 مع نموذج الأعماق GEBCO_2024 ونموذج التضاريس المرجعية Earth2014، تليها عملية تفكيك إلى منشورات شبكية لحساب GA.
تظهر النتائج تحسنًا كبيرًا في دقة نموذج شذوذ الجاذبية (XGM-GA) بعد تطبيق طريقة RTM. انخفض متوسط خطأ الجذر التربيعي بين بيانات GA المودلة والمقاسة من 14.55 مGal إلى 8.19 مGal عبر منطقة الدراسة، مع ملاحظات مشابهة في المناطق الساحلية. كما تسلط الدراسة الضوء على فعالية طريقة التضاريس المعادلة للصخور (RET) وتصحيح انحراف مركز الكتلة المقترح في تعزيز الدقة الحسابية. في النهاية، يظهر نموذج XGM/RTM-GA المنقح زيادة ملحوظة في التوافق مع القيم المقاسة، مما يشير إلى تحسين كبير في جودة النموذج، لا سيما في التقاط الإشارات عالية التردد المرتبطة بتغيرات التضاريس.
مقدمة
تؤكد مقدمة ورقة البحث هذه على أهمية دراسة شكل الأرض ومجال الجاذبية ضمن مجال الجيوديسيا الفيزيائية. يعتبر مجال الجاذبية أمرًا حيويًا لفهم توزيع الكتلة وحركتها على الأرض، حيث يوفر بيانات أساسية عبر مختلف التخصصات العلمية، بما في ذلك الجيوديسيا، وعلم الجليد، ورصد المخاطر الطبيعية. لقد أدت التطورات الأخيرة في قياسات الارتفاع عبر الأقمار الصناعية والبيانات البحرية إلى تحسين دقة نماذج مجال الجاذبية البحرية؛ ومع ذلك، لا تزال التحديات قائمة في المناطق الساحلية بسبب التداخل من اليابسة وفجوات البيانات الناتجة عن المسافة بين خطوط المسح البحرية والسواحل.
تناقش الورقة قيود نماذج مجال الجاذبية العالمية الحالية، مثل XGM2019e-2159 وEGM2008، التي تستخدم دوال هارمونيك كروية لكنها تفشل في التقاط معلومات شذوذ الجاذبية (GA) عالية التردد بعد درجة معينة. هذا يمثل مشكلة خاصة في التضاريس الوعرة والمناطق الساحلية. لمعالجة هذه القضايا، تسلط الدراسة الضوء على أهمية دمج بيانات التضاريس التفصيلية في نماذج مجال الجاذبية، لا سيما من خلال طرق نموذج التضاريس المتبقية (RTM)، التي أظهرت فعالية في تعويض أخطاء الاقتطاع. تقترح الأبحاث تحسين نموذج شذوذ الجاذبية باستخدام نهج المجال المكاني، الذي يعد أكثر دقة من طرق المجال الترددي، وتقدم طريقة RTM محسنة تدمج بيانات التضاريس التفصيلية وبيانات الأعماق، مما يسمح بتمثيل أكثر دقة للتضاريس المعقدة.
مناقشة
تركز هذه الدراسة على تعزيز دقة نموذج شذوذ الجاذبية XGM2019e-2159 (XGM-GA) في المناطق الساحلية من خلال معالجة أخطاء الاقتطاع من خلال بناء نموذج التضاريس المتبقية (RTM). تم تطوير RTM باستخدام بيانات الارتفاع الرقمي عالية الدقة من مهمة رادار تضاريس المكوك (SRTM V4.1) وبيانات الأعماق من GEBCO_2024، جنبًا إلى جنب مع نموذج التضاريس المرجعية الكروية Earth2014. تم إجراء نمذجة أمامية لـ RTM لتوليد شذوذات الجاذبية RTM (RTM-GA)، والتي تم استخدامها بعد ذلك لتحسين نموذج XGM-GA. أكدت التحقق من بيانات شذوذ الجاذبية المقاسة من المسح الجيوديسي الوطني (NGS99) فعالية هذا النهج.
أشارت النتائج إلى تحسين كبير في دقة نموذج شذوذ الجاذبية، حيث أظهر نموذج XGM/RTM-GA المنقح تقليصًا في اختلافات متوسط الجذر التربيعي (RMS) بمقدار 6.36 مGal، مما يترجم إلى تحسين بنسبة 43.7% في الدقة. كما أبرزت الدراسة أن طريقة RTM تعوض بشكل فعال عن فقدان المعلومات عالية التردد في نموذج XGM-GA الأصلي، لا سيما في المناطق ذات التضاريس الوعرة. تؤكد النتائج على أهمية بيانات التضاريس التفصيلية في تعزيز نماذج شذوذ الجاذبية، خاصة في المناطق الساحلية حيث تؤثر التموجات التضاريسية بشكل كبير على قياسات الجاذبية.
DOI: https://doi.org/10.5194/gmd-19-3361-2026
Publication Date: 2026-04-27
Author(s): Yixiang Liu et al.
Primary Topic: Geological and Geophysical Studies
Overview
The research paper addresses the limitations of gravity field models in coastal areas, where data gaps and contamination from land and tidal models hinder accuracy. To overcome these challenges, the study employs a gravity forward modeling approach utilizing a residual terrain model (RTM) that integrates high-resolution terrestrial and marine topographic data. This method aims to reduce truncation errors and enhance the precision of gravity anomaly (GA) information in coastal regions. The RTM is constructed by merging the SRTM V4.1 digital elevation model with the GEBCO_2024 bathymetric model and the Earth2014 reference topography model, followed by discretization into grid prisms for GA computation.
The findings demonstrate a significant improvement in the accuracy of the gravity anomaly model (XGM-GA) after applying the RTM method. The root mean square error between modeled and measured GA data decreased from 14.55 mGal to 8.19 mGal across the study area, with similar improvements noted in coastal regions. The study also highlights the effectiveness of the rock-equivalent topography (RET) method and a proposed mass center offset correction in enhancing computational accuracy. Ultimately, the refined XGM/RTM-GA model shows a marked increase in consistency with measured values, indicating a substantial enhancement in model quality, particularly in capturing high-frequency signals associated with terrain variations.
Introduction
The introduction of this research paper emphasizes the significance of studying the Earth’s shape and gravity field within the realm of physical geodesy. The gravity field is crucial for understanding mass distribution and movement on Earth, providing essential data across various scientific disciplines, including geodesy, glaciology, and natural hazard monitoring. Recent advancements in satellite altimetry and shipborne data have improved the precision of marine gravity field models; however, challenges persist in coastal areas due to land interference and data gaps caused by the distance between shipborne survey lines and coastlines.
The paper discusses the limitations of existing global gravity field models, such as XGM2019e-2159 and EGM2008, which utilize spherical harmonic functions but fail to capture high-frequency gravity anomaly (GA) information beyond a certain degree. This is particularly problematic in rugged terrains and coastal regions. To address these issues, the study highlights the importance of integrating detailed topographic data into gravity field models, particularly through residual terrain model (RTM) methods, which have shown efficacy in compensating for truncation errors. The research proposes refining the gravity anomaly model using a spatial-domain approach, which is more accurate than frequency-domain methods, and introduces an improved RTM method that incorporates detailed topography and bathymetric data, allowing for a more accurate representation of complex terrains.
Discussion
This study focuses on enhancing the accuracy of the XGM2019e-2159 gravity anomaly (XGM-GA) model in coastal regions by addressing truncation errors through the construction of a residual terrain model (RTM). The RTM was developed using high-resolution digital elevation data from the Shuttle Radar Topography Mission (SRTM V4.1) and bathymetric data from GEBCO_2024, combined with the Earth2014 spherical harmonic reference topography model. Forward modeling of the RTM was conducted to generate RTM gravity anomalies (RTM-GA), which were then utilized to refine the XGM-GA model. Validation against measured gravity anomaly data from the National Geodetic Survey (NGS99) confirmed the effectiveness of this approach.
The results indicated a significant improvement in the accuracy of the gravity anomaly model, with the refined XGM/RTM-GA model showing a reduction in root mean square (RMS) differences by 6.36 mGal, translating to a 43.7% improvement in accuracy. The study also highlighted that the RTM method effectively compensated for the loss of high-frequency information in the original XGM-GA model, particularly in areas with rugged terrain. The findings underscore the importance of detailed topographic data in enhancing gravity anomaly models, especially in coastal regions where terrain undulations significantly influence gravity measurements.