基于GPS觀測的地殼垂向季節性運動研究進展

占偉 田剛

摘要：介紹了基于GPS觀測獲取的地殼垂向季節性運動組成及相應的分析方法，闡述了地殼季節性運動在GPS流動垂向季節性修正、區域負荷質量變化監測、應力擾動與地震活動性的季節性變化分析、區域地殼結構反演等方面的應用研究進展，認為利用GPS觀測研究地殼季節性運動的應用正向多手段、多學科融合發展，但需進一步完善數據處理模型（策略）、削弱解算結果中的誤差，且各區域的地殼季節性運動機理值得深入分析。

關鍵詞：地殼垂向季節性運動;負荷質量變化;GPS觀測

中圖分類號：P315.730.1文獻標識碼：A文章編號：1000-0666（2019）01-0049-08

0引言

20世紀90年代初以來，GPS在地殼運動監測方面發揮了重要的作用（Wangetal，2001;Ganetal，2007;Wuetal，2013，2016，2018;龐亞瑾等，2017;常金龍等，2018;郭炳輝等，2018;劉辛中等，2018;趙靜旸等，2018;朱爽，周偉，2015;朱爽等，2017;朱爽，時爽爽，2018），一些研究結果表明（Dongetal，1998;Nikolaidis，2002），地殼運動不僅僅包含了長期的線性運動，還存在季節性運動，尤以垂向運動最為突出。長期以來，地殼季節性運動一直被認為是構造演化和動力學研究中需要剔除的噪聲，但由于其根源與性質難以準確界定，地殼季節性運動的精確獲取與消除成為了應用GPS分析地殼運動的最大挑戰之一。然而，近年來隨著研究和認識不斷的深入，地殼季節性運動不再被認為是“一無是處的噪聲”，相反，它在提高地固參考架的穩定性（張飛鵬等，2002;朱文耀等，2003;Altamimietal，2016）、區域地下水變化監測（Borsaetal，2014;Argusetal，2014，2017）等領域顯現出重要的作用。因此，研究精確獲取地殼季節性運動的方法及其成因與機理，具有重要的意義和實用價值，尤其是在青藏高原等垂向季節性運動劇烈的區域。

GPS觀測連續觀測具有時間和空間分辨率高的特點，目前是精確獲取地殼季節性運動的重要手段之一。依據GPS獲取的地殼季節性運動研究經歷了“現象—驗證—分析—應用”的過程，本文首先介紹GPS獲取的地殼垂向季節性運動組成及相應的分析方法，然后介紹地殼季節性運動應用的最新進展，并對今后的發展趨勢提出自己的看法。

1GPS觀測獲取的地殼垂向季節性運動的組成與分析方法如前所述，GPS觀測獲取的地殼季節性運動以垂向運動最為顯著（圖1），因此以地殼垂向季節性運動為例，介紹地殼季節性運動的組成與分析方法。

1.1地殼垂向季節性運動的組成

研究結果（李昭，2012;姜衛平等，2013;Zhanetal，2017）表明，依據GPS觀測得到地殼垂向季節性運動可分為兩部分：①GPS觀測中的干擾和解算模型/策略的不完善產生的虛假的季節性位移，稱為系統誤差;②各種負荷質量及溫度的季節性變化產生的真實的地殼季節性運動，稱為地球物理效應。

系統誤差包括GPS觀測過程中的多路徑效應、衛星軌道周期性變化和一些解算策略的不完善。Ray等（2008）、田云峰（2011）、Rodriguez-Solano等（2014）發現在GPS垂向時間序列中存在周期為約351天/n（n=1，2，…，6）的運動，這種周期性運動與GPS衛星軌道的周期有關;Freymueller（2009）、Collilieux等（2010，2012）、Zou等（2014）認為目前GPS數據處理普遍采用的線性參考框架存在周期性運動，這種未去除的運動會通過參考框架的轉換參數傳遞到非參考框架點，使得測網其它測站產生虛假的周期性信號，這種現象在垂向最為突出;Fritshce等（2005）、Deng等（2017）認為忽略高階電離層延遲會使GPS垂向時間序列出現虛假的年和半年周期信號。姜衛平等（2014）量化了高階電離層延遲對全球GPS坐標時間序列的貢獻，提出高階電離層延遲可能是造成中緯度地區GPS測站垂向年周期性、東西向半年周期性及低緯度地區GPS站垂向半年周期性運動的主要原因之一;King等（2008）認為一些未去除干凈的、周期為1天和小于1天的信號會傳遞到GPS垂向時間序列中的1年和半年周期信號里。

地球物理效應包括各種負荷如冰川（Drouinetal，2016）、大氣潮汐、積雪、地下水、海潮和海洋非潮汐的變化及測站溫度變化，這些都是造成GPS季節性運動的主要原因（王敏等，2005;梁洪寶等，2015）。vanDam等（1994）在GPS測站的垂向時間序列中找到了由于大氣壓負荷造成的地殼形變，由于大氣壓變化產生的地表位移最高能達到GPS垂向變化量的24%;積雪和地下水的質量變化也是引起GPS垂向周期性運動的一個因素（Munekaneetal，2004;Chew，Small，2014）;vanDam等（2001）分析了陸地水含量季節性變化對地殼垂向運動的大尺度影響，結果表明1994—1998年陸地水變化造成的地殼垂向位移模型均方根值為8mm，最大達30mm，主要為年周期;海潮和海洋非潮汐對沿海地區GPS垂向周期性運動的影響為毫米至厘米不等（Yuanetal，2009;Williamsetal，2011;vanDametal，2012）;地表溫度變化可以引起GPS墩標和GPS臺站基巖變化，從而產生GPS垂向的周期性運動（Prawirodirdjoetal，2006;Yanetal，2009;孫付平等，2012）;閆昊明等（2010）分析表明，在23個網絡工程GPS連續站中，溫度變化造成的GPS站垂向位移總影響的年周期性運動振幅最大值可達2.8mm，其中13個GPS連續站的年周期性運動振幅變化超過1mm。

需要強調的是，在地殼季節性運動研究中，如果不盡量消減系統誤差，基于“不干凈”的季節性形變結果進行地球物理效應解釋，會對分析結果產生一定的影響。VanDam等（2007）對比分析了歐洲地區IGS站（InternatainalGNSSService）站GPS與GRACE得到的測站垂向周年期位移，結果表明二者在很多測站不相吻合，他認為不一致的主要原因是GPS數據解算策略的不完善;Tregoning等（2009）改進了GPS數據處理模型和策略后，全球范圍內GPS與GRACE垂向周期信號的一致性則好于VanDam等（2007）的結果。

1.2地球物理效應的分析方法

地球物理效應的分析方法主要有兩類，一類是針對某一種或多種負荷，根據負荷模型數據采用格林函數（Farrell，1972）計算負荷質量變化產生的地表位移，并與GPS測站的季節性運動對比（Tsai，2011;Lietal，2017;魏娜等，2016）;另一類是與其他觀測手段（如GRACE）得到的時間序列進行對比分析。多位學者按照第一種方法分析了全球及各區域負荷的質量變化與GPS垂向周期性運動的關系（張飛鵬等，2002;王敏等，2005;熊福文，朱文耀，2007;袁林果等，2008;李昭，2012），得到的結論較為統一：上述負荷的質量變化所產生的地殼垂向季節性位移與GPS垂向周期性運動相關性較好，但負荷質量變化產生的位移只是GPS垂向周期性運動的一部分，并不能完全解釋GPS垂向周期性運動。結合其他觀測手段分析GPS垂向周期性運動的研究也很多，尤其是新一代重力衛星GRACE可監測地表流體質量變化，并可得到研究區域表面質量（如陸地水）變化所產生的垂向位移，因此對比分析GPS和GRACE得到的垂向周期性運動成為近期地殼垂向形變分析的熱點之一（廖海華等，2010）。在陸地水變化較大的區域，如亞馬遜流域（Davisetal，2004）、喜馬拉雅地區（Fu，Freymueller，2012;王林松等，2014）、阿拉斯加（Fuetal，2012）、非洲（Nahmanietal，2012;Birhanu，Bendick，2015;Birhanuetal，2018）、華北地區（Liuetal，2014;Wangetal，2017）、青藏高原（Zouetal，2015;Haoetal，2016）、云南地區（盛傳貞等，2014），GPS與GRACE得到的垂向周期性信號相關性較好，但在一些水質量變化劇烈的區域則一致性較差，原因是GRACE數據處理時需要進行空間濾波（半徑數百千米），因此GRACE反映的是區域空間尺度數百千米的整體形變，而GPS不僅反映了區域整體形變，還可能疊加一些局部效應（Tesmeretal，2011;Yanetal，2016）。

2地殼季節性運動的應用

經過對GPS獲取的地殼季節性運動分析和驗證后，地殼存在季節性運動的結論逐漸被認可，因此地殼季節性運動的應用研究也逐步開展，其研究范圍和深度經歷了“由淺到深”的過程，即從地表的GPS流動觀測的時間序列季節性運動改正到地表深部的負荷質量變化和應力擾動反演等，涉及的研究領域愈發廣泛。

區域負荷質量的季節性變化（如雨季與旱季地下水含量的變化），能引起地殼季節性運動和區域應力擾動的季節性變化，后者則可能觸發區域小震，進而影響小震的活動性，因此可以利用GPS觀測到的地殼季節性運動監測區域負荷質量的季節性變化和計算應力擾動的季節性變化。同時，由于地殼季節性運動和區域小地震活動性的季節性變化有可能都是區域負荷質量的季節性變化引起的，因此地殼季節性運動與區域小震活動性的季節性變化可能會存在一定的相關性（圖2）。

2.1GPS流動時間序列的周期性改正

一些短期的GPS流動觀測由于數據量太少、無法消除垂向季節性形變的影響，得到的垂向線性運動速率結果精度不高，亟需對垂向季節性形變進行修正。GPS流動垂向季節性形變修正的關鍵是準確獲取流動站垂向季節性形變的振幅和初相。目前常用的方法可分為兩類，一類是根據一些物理模型（如全球負荷模型或GRACE）直接求解任意一點的垂向年周期運動參數（Fuetal，2012;朱良玉等，2014;梁洪寶等，2015;Zhaoetal，2016;郝明等，2017）。Fu等（2012）利用GRACE得到的信息修正流動站垂向時間序列，一些流動站的垂向速率結果精度有顯著的提高。另一類是依據同一區域內GPS連續站實測的垂向年周期運動參數進行空間內插獲取流動站的垂向年周期運動參數（占偉等，2016）。Liang等（2013）采用這類方法修正了青藏高原及其周邊地區GPS流動站的垂向時間序列，修正后部分測站垂向速率準確性有一定的提高。上述兩類方法各有千秋，第一類方法可以直接求解任意一點的垂向年周期運動參數，但GRACE和負荷模型的空間分辨率較低（數百千米）;第二類方法在GPS連續站密度較高且分布均勻的區域，精度更高。

2.2區域負荷質量變化監測

GPS能夠準確記錄地球表層由于水含量等負荷季節性變化所引起的響應（季節性位移），反之，利用GPS觀測得到的地表季節性運動可以反算地表水等效厚度的變化（Fuetal，2015）。

Argus等（2014）應用地表垂向季節性運動的GPS觀測數據反推等效水厚度的變化，結果表明：GPS數據反演的加利福尼亞境內總體水含量變化空間分辨率為50km，而GRACE由于需要進行空間濾波（半徑一般為200～300km），因此GRACE解的空間分辨率為200km。GPS連續觀測可以給出每天（甚至更高的時間分辨率）的地殼垂向位移（verticalcrustaldeformation，簡稱VCD），相對于GRACE的月分辨率有了較大的提高。Jiang等（2017）的分析結果驗證了GPS監測云南季風變化和干旱的能力，并顯示出將GPS導出的雨季大氣可降水汽量（precipitablewatervapor，簡稱PWV）、由于水文荷載產生的VCD和降雨量、GRACE導出的等效水高度EWH（equivalentwaterheight來源于GRACE）聯合，可以更為全面了解區域性季風和干旱的特征。上述研究表明，GPS已經成為一種新的、獨立的地表水變化監測手段。

2.3區域應力擾動變化與地震活動性分析

一些學者注意到在美國（Amosetal，2014;Craigetal，2017）、日本（Heki，2003）和喜馬拉雅地區（Bollingeretal，2007）的小震活動性存在季節性變化，如喜馬拉雅地區冬季小震平均頻率約是夏季的2倍，而這些區域積雪、地下水的季節性變化也較為顯著，因此一些學者分析了小震活動性與水文數據的季節性變化之間的相關性（Johnsonetal，2017a，b）。Bettinelli等（2008）認為喜馬拉雅地區地下水位季節性變化是區域地殼位移、應力擾動和地震活動性季節性變化的主要原因。夏季，雨季的降雨使得水位上升和地表負載增加，引起了地殼的彈性變形，Ganges盆地北部地表下沉，水平方向產生南向位移，這種地殼水平方向的拉張減少了震間應變積累引起的長期水平壓縮的影響;冬季與夏季相反，水位下降意味著地殼負荷減小和水平壓縮增加，有利于長期的震間地殼水平方向的壓縮和小震發生。