非構造形變對中國大陸GNSS基準站垂向周期運動的影響

2015-02-15 01:05:26梁洪寶劉志廣黃立人

大地測量與地球動力學 2015年4期

關鍵詞：模型

梁洪寶劉志廣黃立人占偉

1 中國地震局第一監測中心，天津市耐火路7號，300180

GNSS基準站的連續觀測是地殼水平運動監測的主要手段之一，被廣泛應用于地殼形變分析［1－4］、強震水平位移場監測［5－6］等。但GNSS基準站高程分量的應用成果甚少，造成GNSS高程分量數據資源的浪費。GNSS垂直位移時間序列既包含軌道誤差及各種改正模型誤差，如大氣對流層和電離層改正、GNSS天線相位中心改正和環境因素（多路徑效應）等的影響，也包含各種地球物理信號的影響，如地表流體質量變化可以引起GPS臺站垂直位移的變化。目前，地表流體荷載形變量的計算主要采用格林函數［7］。地表流體質量變化部分可以在全球解釋42% 的GNSS臺站垂直位移變化［8］。朱文耀［9］、Bogusz［10］利用GPS高程導出全球高程振蕩運動及季節變化，發現地球存在以半周年和周年為周期的整體性擴張與收縮振蕩運動。張鵬飛［11］利用GPS監測中國地殼的垂向季節性變化，并計算了大氣壓、非潮汐海洋負荷、積雪和地表水等質量負荷引起的地殼垂向季節性位移，但GPS估計的季節性變化結果與質量負荷預報結果存在明顯的系統性差別，這說明GPS的垂向季節性變化是由包括上述質量負荷和其他未知因素綜合作用的結果。要充分發揮我國大陸GNSS 基準站垂向分量數據在地殼監測中的應用，必須明確非構造形變對我國大陸區域內GNSS基準站垂向運動的影響。

1 數據處理

1.1 GNSS時間序列計算

利用GAMIT／GLOBK 10.4軟件對2011～2013年陸態網絡GNSS基準站和IGS站觀測數據進行單天解算，數據采樣間隔30s。

控制網采用三級控制［15］：1）全球性的子網（jzig），由全球挑選的77 個均勻分布的IGS 站與18 個網絡工程站組成；2）全國性的子網（jzjz），由中國大陸及周邊地區挑選的17個IGS 測站與34個網絡工程基準站組成；3）230 個陸態網絡新建GNSS 站按區域分為6 個子網（華北、東北、華南、川滇、新西、甘青），每個子網加入子網所在區域及周邊地區的一些網絡工程基準站和IGS 站。利用QOCA 軟件st＿filter模塊對所有站點的單日松弛解進行整網嚴密平差，獲取ITRF 框架下GNSS基準站坐標時間序列。圖1僅列出北京房山（BJFS）、上海（SHAO）、拉薩（LHAZ）和烏魯木齊（URUM）4個站的垂向序列。

1.2 非構造形變計算

非潮汐海洋模型由美國國家海洋合作計劃制定的海洋環流及其估值ECCO 模型提供，其基礎是MIT 的全球環流模型和一個用于同化的Kalman濾波器。ECCO 模型覆蓋區域從79.5°S～78.5°N，在赤道附近（20°S～20°N）緯度方向的分辨率為1／3°，而在高緯度地區緯度方向的分辨率降低到1°，經度方向的分辨率保持1°。垂直方向分為46層，海面附近150m 內垂直方向分辨率為10m，時間分辨率為12h；氣壓數據模型采用NECP（National Center for Environmental Prediction），時間分辨率為6h，空間分辨率為2.5°；積雪深度與土壤濕度數據采用GLDAS數據的NOAH 模型，其中土壤濕度模型由土壤深度為0～0.1、0.1～0.4、0.4～1.0和1.0～2.0m等4層模型組成，空間分辨率覆蓋區域為60°S～90°N、180°W～180°E，時間分辨率均為3h。

圖1 GNSS基準站垂向序列與荷載形變序列Fig.1 GNSS reference station vertical series and loading deformation series

荷載形變的計算采用格林函數原理，利用QOCA 軟件對260個GNSS基準站荷載形變進行解算，獲取GNSS荷載形變時間序列，如圖1。對所有測站垂向荷載形變量值統計和比較發現，大氣荷載形變量最大，尤其是華北地區靠近沿海的測站；其次是土壤濕度荷載形變，最大形變區域在川滇降水較多的地區；再次是積雪深度荷載形變，主要體現在新疆和東北等降雪較多的地區；最后是非潮汐海洋荷載形變，最大數值在1mm 左右。

2 非構造信息對GNSS基準站垂向運動的影響

利用非潮汐海洋、大氣、積雪和土壤濕度產生的垂向荷載形變對GNSS 基準站垂向分量進行修正，主要體現在年周期和半年周期項的修正上。為了突出荷載形變對GNSS垂向分量的影響，對測站的垂向線性變化予以扣除。修正前后垂向序列的周期項用正弦函數擬合：

其中，振幅A和初始相位φ0為待估參數；對于周年項，ω＝2π／a，對于半周年項，ω＝4π／a；初始歷元t0＝2011.0，t以a為單位。

修正結果如圖2所示。通過修正，測站年周期振幅和初相變化較大，諧波明顯趨于平滑；半年周期振幅和初相變化較小。

圖2 GNSS測站垂向分量荷載修正前后的周期運動（正弦函數擬合）Fig.2 The periodic motion of GNSS sites vertical component before and after correction

陸態網絡GNSS 基準站由于供電、儀器、維護等因素，個別測站觀測數據缺失較為嚴重，因此本文選取其中241 個測站進行研究。經過非潮汐、大氣、積雪和土壤濕度修正后，所有測站垂向荷載修正前后周年和半周年變化示意如圖3、圖4。

圖3 修正前（藍色）后（紅色）GNSS測站垂向周年變化（正弦函數擬合，參考點為2011.0），箭頭長度表示振幅，東向逆時針旋轉的方位角表示初相位方向，箭頭指向東、南、西、北方向依次表示正極值發生在0.25、0.50、0.75、0.0aFig.3 GNSS sites vertical annual variation before（blue）and after（red）correction（fitting for a yearly sinusoidal curve，with the reference point 2011.0）

圖4 修正前（藍色）后（紅色）GNSS測站垂向半周年變化（正弦函數擬合，參考點為2011.0），箭頭長度表示振幅，東向逆時針旋轉的方位角表示初相位方向，箭頭指向東、南、西、北方向依次表示正極值發生在0.125、0.25、0.325、0.50aFig.4 GNSS sites vertical semi－annual variation before（blue）and after（red）correction（fitting for a semiannual sinusoidal curve，with the reference point 2011.0）

從圖3可看出，荷載修正前后測站垂向位置變化的周年項不僅振幅有顯著變化，而且相位也存在一定程度的系統偏差，修正前比修正后滯后2～3個月。這種系統偏差可能是GNSS測站對地球物理因素影響“遲鈍反應”的綜合表現，因為地球物理因素的強度變化存在一個過程。如雨季時，土壤濕度達到最大值，隨著水分的蒸發，土壤濕度降低，其對GNSS測站的垂向位移并不會隨土壤濕度的變化而實時變化。當這種變化達到一定量值時才會引起GNSS測站垂向位移的變化，使GNSS測站的垂向位移變化的時間點與地球物理因素產生的荷載時間點存在一定的系統性偏差。對于中國大陸不同區域的測站，周年項的振幅和相位修正幅度也不盡相同，四川南部和云南地區振幅最大，其次是東北、華北和新疆北部，新疆南部、青藏高原東北緣和華南地區最小。從振幅來看，靠近東部沿海地區的某些測站修正效果較差，約占10%，其余地區修正效果較好，這可能是GNSS定位精度或地球物理模型不精確造成的。從初始相位看，東北地區修正前后正極值分別出現在3～4月和1～2月，華北地區分別出現在4～5月和1～2月，華南地區分別出現在3～4月和1～2月，川滇、西藏和青藏高原東北緣地區分別出現在3～4月和2～3月，新疆地區修正前后正極值分別出現在5～6月和2～3月。分別加半年，就是負極值月份。

從圖4可看出，中國大陸不同區域的測站，半周年振幅和相位各不相同，東北、華南和新疆地區振幅較小，約為1～2mm；其余地區振幅較大，約為4～5mm。修正后，振幅平均減小1mm 左右，相位變化較小；修正前后，初相位差異較小，只有華北、華東地區測站相位差略大，相位修正前比修正后滯后10d左右。滇西和青藏高原西南地區修正前后正極值出現在每年的6月和12月，其余地區出現在每年1～2月和7～8月，分別加3個月就是負極值月份。

總之，非潮汐、大氣、積雪和土壤濕度對GNSS基準站垂向分量的修正主要體現在周年項上，并且振幅和相位的修正幅度均較大；對于半周年項的修正，主要體現在振幅上，縮小幅度在1 mm 左右，相位修正幅度較小。

3 結語

1）全球框架點的影響。由于GNSS 測站垂向分量存在周期性運動，因此，在GNSS 解算中作為全球框架點的測站假設只存在線性運動，這種假設是否對測站垂向周期運動特性有影響還需進一步研究。

2）不同非構造地球物理模型的影響。目前，關于氣壓、非潮汐海洋、積雪深度和土壤濕度等模型都是基于全球范圍建立的，對于中國大陸區域不一定精確地符合，圖3 中某些測站修正后振幅反而變大可能與此有關。因此，有必要優化選擇或建立適合中國大陸區域的非構造地球物理模型。

3）不同修正方法的影響。本文先對非構造信息進行周期特性分析，獲取周期運動特征，以此修正GNSS垂向序列，對一些較高頻或較低頻的非構造信息修正效果較差。即不同修正方法會對GNSS垂向序列中含有的非構造信息修正的頻譜層次不一樣，因此對非構造信息的修正方法還需進一步探討。

4）某些測站周期運動不明顯，是否受非構造地球物理因素的影響還需進一步討論。

致謝：感謝華東師范大學董大南教授提供QOCA 軟件和在非構造地球物理模型方面提供建議，感謝周峰博士在非構造形變計算和修正方面提供的幫助。

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