聯合CORS與環境負荷形變數據的香港地表垂向形變

馬 敏 陶庭葉 謝廣闊 胡 尚

1 合肥工業大學土木與水利工程學院，合肥市屯溪路193號，230009

研究臺風過境地區地表垂向形變對于臺風預測、災害評估、災后恢復等工作具有重要意義[1]。GPS具有高精度、全天候、實時性等優點，是探測地表形變的主要技術手段之一[2]。由于香港地區的地質構造運動并不明顯，且以往的大地測量技術觀測精度較低，因此對香港地區地表形變特征的研究較少。袁林果等[3]分析了香港CORS站多年坐標序列的季節性特征，但沒有對該地區臺風天氣期間的地表形變進行研究。本文基于臺風“山竹”發生前、中、后期香港地區18個CORS站的觀測數據，利用GPS與國際質量負荷服務(international mass loading service，IMLS)的數據產品計算地表負荷形變，揭示臺風期間香港地區的地表垂直形變特征。

1 數據與方法

1.1 GNSS數據處理

本文使用的數據包括2018-09-09～23臺風“山竹”過境期間香港地區18個CORS站(圖1，未使用數據嚴重缺失的HKFN站)的觀測文件、周邊10個IGS站(LHAZ、BJFS、SHAO、USUD、IISC、KMNM、URUM、TNML、TCMS、PBRI)數據文件、星歷文件以及模型文件。從SatRef FTP server(ftp:∥ftp.geodetic.gov.hk/rinex2/)下載由RNXCMP software壓縮的按天存儲的30 s采樣率Hanataka-compressed RINEX 2 Format觀測值數據，從IGS的分析中心或全球數據中心獲取IGS站數據文件、星歷文件及鐘差文件。

圖1 香港CORS站分布Fig.1 Distribution of CORS stations in Hong Kong

利用GAMIT解算HKCORS及IGS站的觀測數據，得到單日松弛解，數據解算策略如表1所示。使用GLOBK對GAMIT的基線結果進行網平差處理：1)將下載的SPOAC全球h文件IGS1-7松弛解與HKCORS單日松弛解合并，設置解方案中估計和協方差矩陣的相對權重為1.0；2)以IGS站在ITRF2014框架下的坐標和速度為基準，解算出HKCORS的坐標時間序列，如圖2所示。

表1 數據處理策略Tab.1 Data processing strategy

圖2 香港CORS站垂向位移時間序列Fig.2 Vertical displacement time series of CORS stations in Hong Kong

臺風“山竹”于2018-09-16 17:00在廣東臺山登陸，同日13：00與香港的垂線距離最近，隨后向西離去。由圖2可見，隨著臺風逐漸逼近，地表開始出現下沉和異常波動；多數CORS站在17日左右出現明顯下沉，其中，HKCL站的垂直形變高達-15.62 mm；隨著臺風的離開，地表逐漸抬升至正常值。位于香港西南側距離臺風近的CORS站如HKCL、HKKT、HKOH的最大垂直形變分別為-15.62 mm、-8.11 mm、-2.20 mm；距離臺風較遠的香港東部、北部的CORS站小幅下沉，如HKWS、T430的垂直形變分別為-2.27 mm、-2.60 mm。

1.2 環境負荷數據

臺風導致的地表形變主要由3個方面組成：1)非潮汐大氣負荷變化；2)非潮汐海洋負荷變化；3)水文負荷變化[4]。本文使用的3種負荷形變模型數據由IMLS提供，研究時段為2018-09-09～23，產品信息如表2所示。

表2 數據產品信息Tab.2 Data product information

圖3～5為環境負荷因素的影響趨勢，研究時段為2018-09-12～20。由圖可見，9 d內非潮汐大氣負荷導致的垂直形變表現為下降-持續大幅上升-持續大幅下降，16日達到最高值，17日回落，至20日都在正常范圍內波動。相比于大氣負荷，非潮汐海洋負荷導致的垂直形變波動不顯著，總體表現為先小幅增長后回落，回落后區域垂直位移低于12～14日臺風來臨前。由于16～18日的地表下沉受到臺風的滯后影響[5]，水文負荷變化導致的垂直形變表現為下降-大幅下降-上升，18～20日回歸正常值。

圖3 ATM垂直形變Fig.3 Vertical deformation of ATM

圖4 LWS垂直形變Fig.4 Vertical deformation of LWS

圖5 NTO垂直形變Fig.5 Vertical deformation of LWS

2 結果與分析

2.1 非潮汐大氣負荷對地表垂直形變的影響

非潮汐大氣負荷主要通過2個途徑對地表垂直形變產生影響：1)垂直大氣柱對陸地的直接擠壓作用；2)間接作用于海洋，影響海面高度，進而影響地表變化[6]。

圖6為2018-09-09～23 CORS站的非潮汐大氣負荷垂直形變圖。由圖可見，氣壓變化趨勢與大氣負荷垂直形變趨勢相反。9～15日，臺風距離香港較遠，各站大氣負荷形變均值為0.27 mm，16日08：00風速達到最大(約50 m/s)。隨著風速逐漸增強并且與香港的垂直距離越來越近，非潮汐大氣負荷使地表逐漸抬升，并在16日達到最大值，該時段內各站形變均值為2.73 mm，其中T430站形變值達3.10 mm，形變值最小的站為HKOH(2.46 mm)。臺風于16日13：00距香港最近，之后離去，大氣負荷達到最大值后臺風繼續向西移動；16日20：00強臺風轉為臺風，風速減弱。隨后地表形變開始顯著下降，18日略微抬升至正常值后在一定范圍內波動，17～23日各站形變均值為-0.57 mm。

圖6 CORS站ATM垂直形變Fig.6 ATM vertical deformation of CORS stations

2.2 非潮汐海洋負荷對地表垂直形變的影響

圖7為2018-09-09～23 CORS站的非潮汐海洋負荷垂向形變情況。由圖可見，非潮汐海洋負荷垂直位移的時間序列總體上表現為先平穩緩慢上升，隨后驟減，最后恢復平穩緩慢上升趨勢。數據顯示，各站在14～17日的負荷形變均值分別為0.06 mm、0.15 mm、0.11 mm、-0.03 mm，15日達到峰值后，16日開始回落，17日左右達到最低值。由此可見，非潮汐大氣負荷和非潮汐海洋負荷對地表位移產生相反影響，前者對地表起到抬升作用，后者則起到壓制作用。這也驗證了Mémin等[7]提出的海面升高造成地表沉降、氣壓降低造成地表隆起的結論。

圖7 CORS站LWS垂直形變Fig.7 LWS vertical deformation of CORS stations

2.3 水文負荷對地表垂直形變的影響

圖8為2018-09-09～23 CORS站的水文負荷垂直形變情況。由圖可見，9～15日強臺風距離研究區較遠，尚未對該地區產生影響。強臺風逐漸靠近的過程中，強降雨導致的水文負荷急劇增加，使地表迅速顯著下沉，16日所有測站地表垂直位移均達到最低點，平均形變值為-4.08 mm。形變值最大的站為HKLM(-4.54 mm)，形變值最小的站為HKTK(-3.09 mm)。強臺風帶來的降雨是高強度且短暫的，隨著臺風向西運動，區域內降雨大規模減少，且在城市的雨水直排、滲濾、管道收集排放系統的共同作用下，地表迅速抬升。17日各測站負荷形變均值已恢復至-0.03 mm。

圖8 CORS站NTO垂直形變Fig.8 NTO vertical deformation of CORS stations

2.4 環境負荷總形變分析

將3種負荷形變加入到環境負荷總形變量的坐標時間序列中(圖9)。由圖可見，16日臺風距香港垂直距離最近時，環境總負荷出現異常下降，其中HKOH站的垂直形變達-1.73 mm。距離臺風較近的CORS站受影響更大，如HKCL、HKMW、HKOH、HKLM等，垂直形變分別為-1.40 mm、-1.53 mm、-1.73 mm、-1.72 mm；距離臺風較遠的HKTK與T430站則各自下沉-0.18 mm、-0.76 mm，受波及程度較小。

圖9 CORS站總垂直形變Fig.9 Total vertical deformation of CORS stations

綜合GAMIT的解算結果與環境負荷數據可知，兩者在地表垂直形變趨勢上較為一致，但在數值上存在差異，主要原因為：1)GPS計算的短時間內地表垂向位移包含溫度、緯度、解算誤差等影響因素；2)由于缺少地表水、地下水等相關信息，模型模擬各種因素對地表水、地下水的影響時存在較大誤差。

3 結 語

1)環境負荷形變數據表明，2018-09-16香港地區地表下沉至最低點，此時臺風距香港垂直距離最短；隨后臺風離開，地表逐漸回升至正常值。GPS數據顯示，絕大多數CORS站在2018-09-17左右出現明顯下沉。

2)相較于非潮汐海洋負荷，非潮汐大氣負荷引起的地表垂直位移更大，且兩者對地表形變的影響趨勢相反。

3)距離臺風較近的CORS站比距離臺風較遠的CORS站的沉降程度更大。

4)GPS解算的結果與環境負荷模型解算的結果在趨勢上呈現出較高的一致性，但在數值上存在差異。