沿海GPS業(yè)務觀測在海底地震監(jiān)測中的應用＊

范士杰，劉焱雄，喬方利，張化疑，張尊良，秦學彬

（1.國家海洋局 第一海洋研究所，山東 青島266061；2.中國石油大學（華東）地球科學與技術(shù)學院，山東 青島266580；3.東方地球物理公司 裝備服務處測量服務中心，天津 大港300280）

GPS精密定位技術(shù)可以在一個區(qū)域或局部地區(qū)尺度上，高效率、低成本和高時空分辨率獲取對地殼運動的觀測數(shù)據(jù)，所以成為監(jiān)測地殼形變和地球動力學現(xiàn)象的重要手段［1］。許多國家和地區(qū)建立了綜合或?qū)Ｓ肎PS連續(xù)運行參考站網(wǎng)，用于本地區(qū)的地殼形變監(jiān)測、地震監(jiān)測和預報。例如：日本GEONET（GPS Earth Observation Network）已廣泛應用于地震監(jiān)測、地殼運動監(jiān)測、大氣水汽遙感等方面［2］。中國地殼運動觀測網(wǎng)絡、北京市GPS形變監(jiān)測系統(tǒng)、臺灣地震觀測系統(tǒng)等，均獲取了大量的地殼形變GPS觀測數(shù)據(jù)［3－5］，為認知中國大陸地殼運動特征及其動力學機制提供了至關(guān)重要的基礎(chǔ)資料，為我國地震監(jiān)測和地學研究提供了一個基礎(chǔ)平臺。2009年國家海洋局在中國沿海布設了56個連續(xù)運行GPS觀測站，形成了沿海GPS業(yè)務觀測系統(tǒng)，為海洋監(jiān)測、服務、科研和管理提供了新的數(shù)據(jù)來源，直接服務于海面變化監(jiān)測、海氣相互作用、災害海洋天氣的監(jiān)測［6］。

2011－03－11UTC 05：46：23日本宮城縣以東的太平洋海域（38°6′N，142°36′E）發(fā)生海底地震，震中距離東京382km，震級高達Mw9.0級，震源深度約20km。王敏等［7］依據(jù)“中國大陸構(gòu)造環(huán)境監(jiān)測網(wǎng)絡”的GPS觀測資料，得到此次日本特大地震的遠場同震位移，結(jié)果顯示日本地震造成中國東北和華北地區(qū)產(chǎn)生毫米至厘米級的同震水平位移，最大值為35mm。國家海洋局的沿海GPS業(yè)務觀測系統(tǒng)遍布于中國的東部和南部沿海，處于海陸結(jié)合部和海底地震影響的前沿地帶，不僅受到固體地球傳導的地震波的直接影響，也由于海嘯引起西北太平洋海域的海平面巨大變化，受到了海潮負荷的間接影響。為此，研究此次日本地震對沿海GPS業(yè)務觀測系統(tǒng)的影響，探索沿海GPS觀測站對于特大型海底地震的反應及其靈敏度，可為系統(tǒng)的運行、維護和應用提供科學依據(jù)。

基于精密單點定位（Precise Point Positioning，PPP）技術(shù)，借助自行研制的PPP軟件，對國家海洋局沿海GPS業(yè)務觀測站所記錄的數(shù)據(jù)進行處理，提取GPS站點的震后地表形變、瞬時地表同震位移以及站點上空大氣水汽的動態(tài)變化等信息，監(jiān)測地震發(fā)生前后GPS站址的位置變異和水汽變化。根據(jù)計算結(jié)果，揭示此次地震對國家海洋局GPS業(yè)務觀測系統(tǒng)的影響，為系統(tǒng)的運行和維護提供科學依據(jù)；并進一步挖掘沿海GPS站在海底地震發(fā)生時的響應，探索沿海GPS系統(tǒng)在海底地震監(jiān)測、海嘯預警以及震后災害天氣預報中的應用。

1 站點選擇

國家海洋局在沿海均勻布設56個連續(xù)運行GPS觀測站，構(gòu)成中國沿海GPS業(yè)務觀測系統(tǒng)。GPS觀測站與國家海洋局已有海洋站并址建設，處于海陸邊界，并綜合考慮多路徑效應、衛(wèi)星通視條件、電磁干擾、地質(zhì)環(huán)境以及便于維護管理等因素。56個GPS觀測站包括33個基巖型觀測墩、11個屋頂混凝土觀測墩和12個鋼架結(jié)構(gòu)的觀測墩［6］。此次日本地震發(fā)生前后的2個月，共有26個GPS觀測站記錄并保存了連續(xù)、完整的觀測數(shù)據(jù)，及時記錄了震前、震時和震后的信息，為研究地震波傳播、動態(tài)的地表破裂過程以及地震動力學特征等提供了可靠的基礎(chǔ)資料。

選取NDOG等26個GPS觀測站（圖1）進行數(shù)據(jù)處理和分析。其中基巖型觀測墩13個、鋼架結(jié)構(gòu)的觀測墩6個、屋頂混凝土觀測墩7個，至日本地震震源中心的距離（震中距）為1 600～3 900km（表1）。

圖1 GPS觀測站的分布Fig.1 Locations of GPS stations

表1 GPS觀測站的觀測墩類型和震中距Table 1 The types of observation pillars and the epicentral distance at the GPS stations

2 數(shù)據(jù)處理方法

PPP技術(shù)與雙差相對定位模型具有等價性［8］，采用作者研制的PPP軟件，基于靜態(tài)定位和動態(tài)定位兩種模式進行GPS觀測站數(shù)據(jù)處理。

在靜態(tài)PPP模式中，對26個GPS觀測站每天24h的連續(xù)觀測數(shù)據(jù)進行處理，得到其PPP單天解，具體數(shù)據(jù)處理策略：基于傳統(tǒng)的雙頻無電離層組合非差觀測模型，消除電離層一階項的折射影響；采用并固定IGS精密星歷和衛(wèi)星鐘差；接收機鐘差參數(shù)作為白噪聲處理，每1個歷元設置1個獨立的鐘差改正參數(shù)；GPS天頂靜水力學延遲利用經(jīng)驗模型（如Saastamoinen模型）估算，而GPS天頂濕延遲（Zenith Wet Delay，ZWD）分量則作為待估參數(shù)，并利用隨機游走過程模擬ZWD的動態(tài)變化［9］；映射函數(shù)采用GMF模型［10］；考慮對流層大氣水汽分布的不均勻性和不對稱性，引入大氣水平梯度改正參數(shù)［11］（北向分量GN和東向分量GE）；同時考慮接收機天線相位中心偏差、衛(wèi)星天線相位中心偏差、相對論效應、地球自轉(zhuǎn)改正、固體潮、海洋負荷等誤差影響；測站接收機坐標作為常參數(shù)處理，采用序貫最小二乘方法進行逐歷元遞推參數(shù)估計，得到GPS觀測站三維坐標的PPP單天解。

動態(tài)PPP數(shù)據(jù)處理策略與靜態(tài)PPP模式的不同之處在于測站接收機坐標為動態(tài)參數(shù)，每1個觀測歷元均需設立不同的三維坐標參數(shù)。在動態(tài)PPP模式中，仍然采用序貫最小二乘方法進行逐歷元遞推參數(shù)估計，得到GPS觀測站坐標等參數(shù)的單歷元動態(tài)PPP解，以描述站點位置隨時間的變化。

3 日本地震對GPS業(yè)務觀測系統(tǒng)的影響

地震常常造成板塊和地表的永久性位移（包含同震地表形變和破裂斷層震后滑移信息）。為分析地震造成的地表形變，選用GPS站震前和震后各1個月的數(shù)據(jù)，采用靜態(tài)PPP模式，利用事后IGS精密衛(wèi)星軌道和衛(wèi)星鐘差（30s）產(chǎn)品，對上述GPS觀測站觀測數(shù)據(jù)進行統(tǒng)一處理。為更加直觀地描述GPS站點位置的變化，將PPP計算得到的三維地心坐標（X，Y，Z）轉(zhuǎn)換為站心坐標（N，E，U），直接反映水平和垂直變化。

震前1個月為2011－02－09—03－10（DoY：040～069），震后1個月為2011－03－11—04－09（DoY：070～099），共計60d的數(shù)據(jù)；考慮地震造成GPS站點位置的可能偏移，會影響靜態(tài)PPP的精度，因此2011－03－11（DoY：070）的數(shù)據(jù)只采用2011－03－11UTC06：00－24：00時間段（地震發(fā)生于2011－03－11UTC05：46：23）［7］。以天為單位，首先計算出各站點的單天解坐標（同精度觀測值）；然后分別以震前、震后各30d的平均坐標作為GPS觀測站的震前位置和震后位置。以GPS觀測站的震前坐標為原點（參考點），計算震后的水平位置變化（ΔN，ΔE）和垂直變化（ΔU），來描述此次日本強震對GPS觀測站的精確位移影響。同時，對震前30d和震后30dGPS站點平均坐標的精度（標準差STD）進行估算，并取其標準差的均值作為評價GPS站點震前和震后坐標的精度。最后，按照站點震中距由小到大的順序進行匯總（表2）。以站點震中距為橫坐標，站址變化（其中ΔN，ΔE，ΔU表示北、東和高程方向的坐標變化，ΔD表示站點位移）為縱坐標，描述GPS站點震中距與站址變化的關(guān)系（圖2）。

表2 震后GPS觀測站的坐標變化（mm）Table 2 Coordinate shift of the GPS stations after the earthquake（mm）

圖2 站點震中距與站址位置變化的關(guān)系Fig.2 Relationship between the epicentral distance and the position of the GPS stations

以3倍標準差為極限誤差，作為判斷GPS站點位置是否出現(xiàn)形變的標準，分析可知：

1）地震造成部分GPS站點位置的變化。受到此次日本Mw9.0級特大地震的影響，北部海區(qū)的NDOG等12個站點和東部海區(qū)EDJS站點出現(xiàn)了明顯的7～20mm的位移，且主要影響是在向東方向上；其中NDOG的東向位移最大為19.6mm，其次NCST和NXCS分別為16.2mm和16.1mm。

2）GPS站址的位置變化與震中距的大小有關(guān)。距震中越近的站點，其站點和東向位移越大；反之，則越小。其中NDOG距離震中最近，受此次地震的影響最大；北部海區(qū)站點的震中距均小于2 200km，其站點坐標的變化較為明顯；而南部海區(qū)的震中距均大于2 800km，站點位置變化不明顯。

3）GPS站點觀測墩結(jié)構(gòu)的抗震性不同。與震中距離相近的GPS觀測站，其位置變化應大致相等。但是，由于站點觀測墩結(jié)構(gòu)的不同，其站點坐標變化出現(xiàn)差異。例如北部海區(qū)NRZH和NTAG、東部海區(qū)EDJS和EZJJ四個站點，其震中距相近（2 033～2 152km）。其中基巖型站點EZJJ沒有發(fā)生明顯的形變；屋頂型站點NTAG的東向位移達10.2mm；鋼架型站點NRZH和EDJS的位移也分別達到7.6mm和7.4 mm。由此可見，基巖型觀測墩結(jié)構(gòu)更為穩(wěn)定，這對海底地震及其沉降監(jiān)測是非常重要的；否則，觀測墩本身的位置變化會影響監(jiān)測信息的質(zhì)量。

4）GPS可以確定震源中心。根據(jù)GPS站點水平位置的變化，可以推算震源的方位。26個GPS觀測站中9個坐標變化大于10 mm的站點存在著明顯的站址變化，以此推算震源的方位（簡稱推算方位角）。同時，根據(jù)公布的震源位置和GPS站點位置，也可以推算出震源相對于GPS站點的方位（簡稱已知方位角）。GPS觀測可以較好地確定震源的中心，推算方位角與已知方位角的偏差為2.0°～5.2°，平均偏差為3.8°。這充分表明，密集的GPS站點能夠很好地確定地震中心（表3）。

表3 震源中心方位推算比較Table 3 Comparison between the calculated and the known hypocenter azimuths

4 GPS業(yè)務觀測系統(tǒng)對日本地震的監(jiān)測響應

4.1 瞬時地表同震位移

基于動態(tài)PPP模式，利用事后IGS精密衛(wèi)星軌道和衛(wèi)星鐘差（30s）產(chǎn)品，對地震發(fā)生當日（2011－03－11，DOY：070）的上述GPS觀測站數(shù)據(jù)進行動態(tài)處理，提取瞬時的GPS同震地表位移信息。為揭示GPS觀測站震時地表真實的運動過程，避免非地震因素的影響，選取基巖型站點進行分析。GPS觀測站的震后地表形變主要發(fā)生在東坐標方向（表2）。因此按照震中距的大小，以NCST，EZJJ，ENJI，SZLG站點為例，主要對GPS觀測站的震時平面坐標及其隨時間的變化進行分析（圖3）。圖3中橫軸為UTC時間。

研究分析可知：

1）GPS觀測站的動態(tài)PPP結(jié)果詳細地記錄了地表同震位移信息，精確地描述了地震發(fā)生時地表真實的運動過程。由于國家海洋局GPS觀測站距震源較遠，地震波傳播到各GPS站點所引起的瞬時形變量較小，其水平形變量基本上在（±0.1）m之內(nèi)；而且對比各GPS站點震前、震后平面位置，可以看出日本地震引起的GPS觀測站的震時水平位移以可恢復性的彈性形變?yōu)橹鳌?/p>

圖3 GPS觀測站的震時平面坐標Fig.3 Co－seismic horizontal coordinates of the GPS stations

2）當?shù)卣鸩▊鞑サ紾PS觀測站時，各站點坐標（N，E）均發(fā)生不同程度的位置跳變，且產(chǎn)生位置跳變的UTC時間與GPS觀測站的震中距有關(guān)，也就是與地震波傳播的時間有關(guān)。由此便可確定此次地震波傳播到各GPS站點的UTC時間信息，進而可估算出地震波的傳播速度。同樣選取13個基巖型站點進行統(tǒng)計和分析，此次地震波傳播到GPS觀測站的UTC時間和速度信息詳見表4。

此次地震波傳播到上述GPS觀測站的時間約為9～14min，地震波的平均傳播速度為3 379.5 m/s。海嘯的傳播速度為gh（g為重力加速度，h為海洋的深度），在深度為4 000m的海域，其傳播速度接近200m/s，遠遠低于地震波的傳播速度［12］。與海嘯傳播時間相比，PPP處理的計算時間延遲可以不予考慮。所以，采用國家海洋局的GPS業(yè)務觀測系統(tǒng)實時的GPS觀測數(shù)據(jù)，能夠快速捕獲海底地震信息，進而利用地震波與海嘯傳播的速度差異，對地震可能引起的海嘯做出預報和預警。

表4 地震波傳播到GPS觀測站的歷元時刻和速度估算Table 4 The arrival epoch and the propagation velocity of seismic wave to the GPS stations

4.2 震后站點上空大氣可降水量的動態(tài)變化

GPS可準確地獲取大氣中的水汽含量［13－14］。采用PPP軟件的大氣水汽提取模塊，對地震發(fā)生后位于日本的IGS站和國家海洋局黃渤海沿岸GPS觀測站的觀測數(shù)據(jù)（2011－03－11—16，DoY：070～075）進行處理，提取站點上空大氣可降水量（precipitable water vapor，PWV）信息。以日本本土TSK2和USUD、我們的NCST和NLHT為例，站點上空PWV的動態(tài)變化（時間分辨率為30s）（圖4）。

圖4 4個站點上空PWV的動態(tài)變化Fig.4 Dynamic variations of PWV over 4GPS stations

日本本土TSK2和USUD站點上空PWV在2011－03－11—15，出現(xiàn)多次明顯的升降變化，于2011－03－14—15達到頂峰，然后迅速下降，至2011－03－16PWV趨于穩(wěn)定。根據(jù)符睿等［15］的研究結(jié)果：降水大多為PWV值連續(xù)增加達到峰值（或峰值開始下降）后開始。3.11特大地震在日本東北太平洋沿岸引發(fā)巨大海嘯；之后，強冷空氣襲擊日本地震災區(qū)，于當?shù)貢r間2011－03－15夜開始，大部分地區(qū)降起了大雪。因此，本文計算得到的TSK2和USUD等日本本土GPS站點上空PWV的動態(tài)變化，很好地驗證了日本震后災區(qū)的降雪過程。國家海洋局北部沿海GPS站點上空PWV值在震后也出現(xiàn)了明顯的水汽增加過程，且各站點PWV值變化的趨勢基本一致，同樣記錄了強震和海嘯發(fā)生之后的天氣變化信息。

5 結(jié)論

針對2011－03－11日本Mw9.0級特大地震，利用國家海洋局沿海GPS業(yè)務觀測系統(tǒng)的觀測數(shù)據(jù)，提取和反演了GPS觀測站的瞬時地表同震位移、震后形變以及震源方位、站點上空水汽的動態(tài)變化等信息，分析了它們之間的相關(guān)關(guān)系。結(jié)果表明：

1）國家海洋局沿海GPS業(yè)務觀測系統(tǒng)遭受了此次日本特大地震的影響，部分站點在東坐標方向上出現(xiàn)了幾個毫米到厘米的水平位移。其中，NDOG站點的震后形變最為顯著，其東向位移為19.6mm。距離震中較遠的GPS站點位置均沒有發(fā)生明顯的形變，表明站點標石具有良好的穩(wěn)定性。與震源中心同等距離情況下，基巖型站點比非基巖型站點具有較好的穩(wěn)定性。

2）地震波傳播到GPS觀測站所引起的瞬時形變量較小，其水平絕對形變量基本上在10mm之內(nèi)；且地震引起的GPS觀測站的震時水平位移以可恢復性的彈性形變?yōu)橹鳌?/p>

3）沿海密集的GPS觀測站可以較好地捕捉海底地震引起的地殼形變，由此可推算地震的強度和方位。與震源距離越近，形變越大，GPS站址的變化也越明顯，其震源中心的推估也越準確。

4）伴隨地震和海嘯的發(fā)生，日本地震災區(qū)和中國北部沿海地區(qū)出現(xiàn)了明顯的水汽增加過程，成為災后天氣變化的前兆。日本本土和中國北部沿海地區(qū)GPS站點上空PWV信息的動態(tài)變化，很好地驗證了震后災區(qū)的降雪過程，顯示出GPS技術(shù)在監(jiān)測震后災害天氣變化的應用能力。

5）基于GPS觀測數(shù)據(jù)的實時傳輸和快速數(shù)據(jù)處理，國家海洋局GPS業(yè)務觀測系統(tǒng)可進一步升級成為海嘯監(jiān)測系統(tǒng)，快速捕獲海底地震信息，進而利用地震波與海嘯傳播的時差，對地震可能引發(fā)的海嘯做出預報和預警，最大限度地獲取逃生窗口。

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