西北地區連續運行基準站垂向運動機制探討

宋志揚，姜慶峰，蔡 巍，付國鋒

（1.61175部隊，湖北 武漢 430070；2.西安測繪總站，陜西 西安 710054）

西北地區連續運行基準站垂向運動機制探討

宋志揚1，姜慶峰1，蔡 巍2，付國鋒1

（1.61175部隊，湖北 武漢 430070；2.西安測繪總站，陜西 西安 710054）

通過對西北地區部分長期穩定CORS站觀測數據進行處理分析，發現這些測站垂向運動規律十分相似，周期性震蕩特征明顯。綜合分析各種物理機制，對其中部分震蕩特性進行了解析與探討。

CORS站；中國大陸構造環境監測網絡；傅里葉變換；季節性因素

2012年中國大陸構造環境監測網絡正式建成，該網絡包含基準網、區域網和數據系統3大部分。其中基準網包含有260個連續運行基準站，基本均勻覆蓋我國全境[1]。西北地區有鹽池站（YANC）、西寧站（XNIN）、德令哈站（DLHA）、西安站(XIAA)、烏魯木齊站（URUM）、烏什站（WUSH）、塔什庫爾干（TASH）7個CORS站列入陸態網骨干網絡，并參與了中國2000大地坐標系的建立與維持。眾多研究顯示，西北地區長期受到印度洋板塊和歐亞板塊的碰撞作用，構造活動十分活躍，對CORS站的影響是不容忽視的。針對CORS站運動規律的研究越來越受到重視，張詩玉等[1,2]通過研究中國大陸GPS基準站垂直氣象“激發”發現地下水季節性變化以及氣壓負荷對測站垂向位移影響較大；張飛鵬等[3]利用氣壓、非潮汐負荷、積雪和地表水負荷模型解釋了大部分地殼垂向位移；董大南等[4]利用半平面解析數學模型推算溫度變化對GPS測站垂向位移影響小于0．5 mm。本文結合眾多學者的研究成果，針對西北地區幾個運動活躍的CORS站進行數據處理分析，并對其中一些機制進行了探討與驗證。

1 測站概況

鹽池站、西寧站、德令哈站、西安站、烏什站、塔什庫爾干站整體數據質量較好，具體測站概率位置如表1所示。

表1 西北地區所選CORS站概率位置坐標

2 數據預處理

2.1 GAMIT基線解算

選取2010-07～2013-03共6個測站的連續觀測數據，采樣歷元1 d，坐標解算采用GAMIT（10．40版）/GLOBK（10．0版）軟件。GAMIT解算之前要進行數據準備、表文件更新和參數設置等。參數設置主要包括精密星歷或廣播星歷的選取、衛星截止高度角設置、對流層參數估計采樣間隔設置、地球自轉參數、站點坐標約束。具體解算流程包括命名工程鏈表文件、預處理程序、生成星歷表文件、生成鐘差文件、生成K文件和X文件、生成批處理程序，最終運行批處理程序生成結果文件和精度檢驗。

2.2 GLOBK平差處理

GLOBK平差處理過程為：①將GAMIT生成的基準網站點ASCII碼單天H文件使用htoglb命令生成二進制式的單天H文件；②合并產生單日松弛解文件；③產生單日松弛解的時間序列并進行重復性檢驗；④ 對于基準站將通過重復性檢驗的單天H文件按年積日進行合并，得到所有基準站點單日的H文件，為下一步的“非基準方法”平差工作打好基礎；⑤對單日松弛解成果采用“非基準方法”進行平差；⑥選擇ITRF97參考框架的參考站；⑦求得測站坐標和速度。

3 測站相對坐標時間序列分析

CORS站經過GAMIT/GLOBK軟件解算單日解，匯總之后便形成了每個測站的相對坐標時間序列，基準統一歸算至2000歷元，歷元間隔1 d。本文僅對6個CORS站垂直方向相對坐標時間序列進行研究，具體解算后垂向相對坐標序列如圖1所示。

圖1 CORS站垂直方向相對坐標序列

從圖1可以看出，6個CORS站的垂直方向相對坐標時間序列基本平穩，沒有明顯的線性運動趨勢，主要表現為縱向反復震蕩。解算的時間序列存在較多粗差及間斷點，說明這些測站自2010年連續觀測以來仍然處于不穩定期。

將上述解算的6個測站垂向相對坐標序列進行數據預處理，主要包括剔除粗差和擬合間斷點，其中粗差探測主要根據GAMIT/GLOBK軟件處理后的結果精度進行判定，間斷點擬合方法主要采用差值方法。

快速傅里葉變換[5]（FFT）是提取非線性時間序列中頻譜信號的常用辦法。它通過將時間序列正交分解到一族三角函數或者復數函數上，揭示信號內在頻率特性和信號時間特性與頻率特性之間的關系，從而導出信號頻譜、濾波等。

將上述6個CORS站垂向相對坐標序列進行快速傅里葉變換，提取其中的主要周期頻譜特征，見表2。

表2 CORS站垂向相對坐標序列包含的主要頻譜特性及振幅

從表2可以看出，6個CORS站垂直方向的主要周期頻譜都比較相似，以1 a周期頻譜和0．5 a頻譜最為明顯，影響最具普遍性。這與孫付平[6]利用全國GPS測站檢測分析的結果是吻合的。

水平方向由于長期受到板塊碰撞擠壓，線性漂移明顯，通過速度場歸算基本能夠消除，垂直方向非線性位移則較為復雜。通過閱讀大量相關文獻結合這些測站所處環境的溫度、濕度、氣壓等氣象因素進行分析，測站位于季節分明地區受季節性因素的影響最大[4,6,7]，測站所處的基巖受熱脹冷縮效應影響可以達到mm量級，對于測站位移的影響不容忽視。另外地下水季節性分布變化在西北地區也是非常明顯的，對該地區CORS站的位移的影響也較大。中國區域GPS基準站中地處西北地區的測站非線性運動規律明顯，是具體量化這些地球物理因素的重要數據參考。

[1] 張詩玉,鐘敏．我國GPS基準站地殼垂直位移周年變化的氣象激發[J]．測繪科學, 2004,29(2):33-35

[2] 張詩玉．我國GPS基準站垂直位移季節性變化研究[D]．武漢:中國科學院測量與地球物理研究所,2004

[3] 張飛鵬,董大南,程宗頤,等．利用GPS監測中國地殼的垂向季節性變化[J]．科學通報,2002,47(18):1 370-1 372

[4] Dong D N,Fang P,Bock Y,et al．Anatomy of Apparent Seasonal Variations from GPS Derived Site Position Time Series[J]．Journal of Geophysical Research,2002, 107(B4): 1-16

[5] 曲國慶．非線性大地測量信號小波分析理論與方法[M]．北京:測繪出版社,2010

[6] 孫付平,田亮,門葆紅,等．GPS測站周年運動與溫度變化的相關性研究[J]．測繪學報,2012,41(5):723-728

[7] 閆昊明,陳武,朱耀仲,等．溫度變化對我國GPS臺站垂直位移的影響[J]．地球物理學報,2010,53(4):825-832

[8] 成英燕．ITRF2008框架簡介[J]．大地測量與地球動力學,2012,32(1):47-50

P228.41

B

1672-4623（2015）02-0140-02

10.3969/j.issn.1672-4623.2015.02.049

宋志揚，工程師，主要從事大地測量工作。

2014-07-04。

項目來源：國家自然科學基金資助項目（D040102）；大地測量與地球動力學國家重點實驗室開放基金資助項目（SKLGED2013-4-5-E）。