地球重力場的意義及其在地球科學中的作用

確定精細地球重力場在地球科學中具有重要意義。地球重力場結構由地球物質分布結構所決定，重力場信息反映地球內部密度分布信息。重力異常，即實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，揭示地球內部物質分布的非平衡狀態，對應地球內部的密度異常，是地球內部動力學過程的動因。測定重力異常是目前探索地球內部結構的三種手段（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部構造的“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換為密度異常還很困難。聯合重力異常和三維地震層析成像，結合地球表面的形變和位移信息（由大地測量獲得）以及對地幔物質物理化學性質的實驗研究，加之地殼及巖石圈的磁異常信息，可以加深對地球內部密度異常結構及其動力過程的了解和認識。

確定高精度大地水準面對研究海洋動力環境和海洋地球物理問題具有重要意義。大地水準面是地球重力場中代表地球形狀的一個特定重力等位面，僅由地球物質引力和自轉離心力決定，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的地球表面地形起伏和地球形狀的理想參考面。目前利用衛星雷達測高技術可精密測定平均海面，由于受各種非保守力的作用，使海水處于運動狀態，平均海面并非重力等位面，其相對于大地水準面的起伏為穩態海面地形，決定全球大洋環流，產生海水熱能的傳遞和物質的遷運，與大氣互相作用影響全球氣候變化，厄爾尼諾和拉尼娜現象就是其中一種災害性氣候變化，這兩種現象都會引起平均海面高的異常變化。海洋大地水準面也是反映海底地形起伏及海底大地構造的物理面，洋中脊、海溝、海山和海底斷裂帶都可經過頻譜分析從海洋大地水準面起伏圖像中進行識別，為海洋地球物理研究和礦產資源勘探提供基礎信息。

確定具有cm級精度大地水準面將是大地測量學發展新的里程碑。大地水準面是大地測量的一個基本參考面，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據。目前大地水準面的精度在中、長波段大致還處于m級或dm級水平，而中、長波在地球重力場譜結構中絕對占優，大于95%。提高中、長波分量的準確度是進一步精化地球重力場和大地水準面的關鍵，新的衛星重力探測計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全球分布的重力數據。如果實現cm級精度大地水準面，就可將由GPS測定的橢球高（大地高）直接轉換為正高，并達到cm級精度，在實用上可替代相應精度要求的繁重的水準測量，這將是大地測量學解決正高或正常高測定難點的重大進展。地面點正高數據是社會經濟發展和地球科學研究需要的基礎信息。由于各個國家目前都是采用各自由特定驗潮站所確定的平均海面作為本國的高程起算面，并非大地水準面，由于海面地形的存在，各國高程基準不統一，相差可達23 m。統一全球高程基準也是大地測量跨世紀的目標和任務之一，以適應未來經濟發展全球化和構造數字地球實現信息共享的發展趨勢。

李建成，長江學者特聘教授，武漢大學測繪學院院長、博士生導師，2011年12月當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用領域的教學、科研和人才培養工作，特別在精密高程基準面建立與維持、高程測定模式現代化、全球重力場建模、衛星重力、海洋衛星測高等領域做出了突出貢獻。主持和參加國家杰出青年基金、國家自然基金重點項目、國家973、國家863計劃項目等國家級及省部級科研和工程項目100余項；獲國家科學技術進步二等獎3項、省部級科技進步一等獎7項；發表論文120余篇、著作4部；榮獲光華科技工程獎、中國青年科技獎、國家測繪局科技領軍人才、加拿大卡爾加里大學“國際杰出科學家”等多項國內外榮譽稱號。