田云鋒

(1)中國(guó)地震局地殼應(yīng)力研究所,北京 100085 2)中國(guó)地震局地質(zhì)研究所地震動(dòng)力學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100029)

大氣質(zhì)量負(fù)荷對(duì) GPS基準(zhǔn)站的影響＊

田云鋒1,2)

(1)中國(guó)地震局地殼應(yīng)力研究所,北京 100085 2)中國(guó)地震局地質(zhì)研究所地震動(dòng)力學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100029)

分析大氣質(zhì)量負(fù)荷對(duì)中國(guó)地殼運(yùn)動(dòng)觀(guān)測(cè)網(wǎng)絡(luò) GPS基準(zhǔn)站的影響,對(duì)所有歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行了重新分析,比較了全球框架、區(qū)域框架以及經(jīng)過(guò)AT ML改正的區(qū)域框架下 3種解中白噪聲和閃爍噪聲的大小、周期項(xiàng)和速率估計(jì)等的差別,并分析了AT ML與公共噪聲的關(guān)系。結(jié)果表明對(duì)于區(qū)域框架來(lái)說(shuō),加入 AT ML改正能夠帶來(lái)一定的改進(jìn),如：水平分量白噪聲和垂向分量閃爍噪聲減小,垂向周年運(yùn)動(dòng)振幅降低等,但對(duì)臺(tái)站運(yùn)動(dòng)速率的估計(jì)影響較小。

GPS;大氣質(zhì)量負(fù)荷;共模噪聲;地殼運(yùn)動(dòng);觀(guān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)

1 引言

大氣質(zhì)量負(fù)荷 (Atmospheric Mass Loading,ATML)是引起 GPS坐標(biāo)季節(jié)性波動(dòng)的一個(gè)重要因素,尤其是對(duì)垂向分量,能夠引起約 10 mm的周年運(yùn)動(dòng)[1-3]。盡管 AT ML效應(yīng)已為廣為人知,Tregoning[4]也為 GAM IT/GLOBK軟件開(kāi)發(fā)了專(zhuān)門(mén)進(jìn)行AT ML改正的模塊,但目前國(guó)際 GNSS服務(wù) (IGS)的各個(gè)分析中心尚未在 GPS單日數(shù)據(jù)解算階段進(jìn)行AT ML改正,其原因有：1)對(duì)地殼形變監(jiān)測(cè)來(lái)說(shuō)這些成分是噪聲,但對(duì)于其他研究來(lái)說(shuō)這又是信號(hào),因此,有必要保留AT ML成分;2)在觀(guān)測(cè)級(jí)進(jìn)行AT ML改正與基于 GAM IT單日松弛解進(jìn)行單日平均ATML改正的效果相當(dāng)[4];3)現(xiàn)有的氣象數(shù)據(jù)尚有待完善,各氣象模型之間還存在較大差異,缺少一個(gè)公認(rèn)的準(zhǔn)確的全球性氣象數(shù)據(jù)模型。

本文通過(guò)對(duì)比在加入AMTL改正前后所得 GPS坐標(biāo)時(shí)間序列的差別,分析AT ML對(duì)白噪聲和閃爍噪聲、區(qū)域共模誤差、周期項(xiàng)、速率估計(jì)等的影響。

2 數(shù)據(jù)

選擇中國(guó)地殼運(yùn)動(dòng)觀(guān)測(cè)網(wǎng)絡(luò) (CMONOC)27個(gè)GPS基準(zhǔn)站(圖 1)進(jìn)行分析,同時(shí)還納入了中國(guó)及周邊的其他 GPS連續(xù)站。對(duì)所有臺(tái)站在 1999—2007年的觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行重新分析,數(shù)據(jù)解算采用GAM IT軟件進(jìn)行,運(yùn)用了二組處理策略,除了是否進(jìn)行AT ML改正之外,其他參數(shù)、模型設(shè)置均相同,如,采用了 FES2004模型對(duì)海潮進(jìn)行改正,大氣映射函數(shù)采用 G MF(GlobalMapping Function)代替舊的NMF(NeillMapping Function),采用絕對(duì)天線(xiàn)相位中心模型代替相對(duì)模型。

圖1 GPS臺(tái)站分布Fig.1 Distribution of GPS stations

然后將GAM IT解算所得的CMONOC單日松弛解轉(zhuǎn)換到 ITRF2005國(guó)際地球參考框架下：

1)利用 GLOBK與 SOPAC的 IGS各子網(wǎng) (igs1～igs6)的 GAM IT單日解 (H文件)合并,以分布均勻的全球 158個(gè) ITRF2005參考站為基準(zhǔn),通過(guò) 7參數(shù)變換將未進(jìn)行AMTL改正的CMONOC單日松弛解轉(zhuǎn)換到 ITRF2005框架下;

2)利用 GLORG以 14個(gè) GPS站為基準(zhǔn)(圖 1中的五角星),通過(guò) 7參數(shù)變換分別將經(jīng)過(guò)和未經(jīng)過(guò)AMTL改正的 CMONOC單日松弛解轉(zhuǎn)換到ITRF2005框架下。

在參考框架定義階段,實(shí)際上每天用于計(jì)算轉(zhuǎn)換系數(shù)的參考站的數(shù)目是變化的。以經(jīng)過(guò)觀(guān)測(cè)級(jí)AT ML改正的區(qū)域框架解為例,參考框架定義站實(shí)際參與框架定義的天數(shù)大致在 70%～90%(圖 2)。對(duì)于區(qū)域參考框架定義來(lái)說(shuō),大部分公共運(yùn)動(dòng)在參考框架轉(zhuǎn)換系數(shù)估計(jì)過(guò)程中被吸收掉了,由于我們選擇的框架點(diǎn)相對(duì)均勻、穩(wěn)定,一個(gè)或少量框架點(diǎn)的缺失不會(huì)引起整個(gè)框架的明顯變動(dòng)。但對(duì)于全球尺度的參考框架來(lái)說(shuō),因?yàn)榇蟛糠值貐^(qū)參考站分布稀疏,框架點(diǎn)數(shù)據(jù)缺失所引起的參考框架變動(dòng)不可忽視,可能是全球解中公共噪聲的起源。

圖2 用于定義參考框架的基準(zhǔn)站Fig.2 Fiducial sites used for defining reference frame

所獲取的 GPS坐標(biāo)時(shí)間序列中包含了若干局外點(diǎn),我們采用 I QR(interquartile range)準(zhǔn)則將其剔除。此外,部分臺(tái)站受到非構(gòu)造因素的影響,如泰安站 (TA I N)在 1999—2000年受到天線(xiàn)進(jìn)水的影響,其各分量坐標(biāo)呈現(xiàn)異常變化;海拉爾站 (HLAR)垂向分量在 2000年 11月之前存在偏大的周年波動(dòng)。此外,部分臺(tái)站坐標(biāo)時(shí)間序列中還包含由于天線(xiàn)墩改造、地震等造成的階躍等非線(xiàn)性變化。階躍、震后形變、周年和半年項(xiàng)、與速率同時(shí)估計(jì)：

其中,a為初始位置,b為速率,c、d、φann、φsemi分別為周年、半年項(xiàng)的振幅和相位,e為階躍,f為震后速率變化,g為震后對(duì)數(shù)衰減函數(shù),v為誤差,ti為時(shí)間,H為階梯函數(shù)。

3 進(jìn)行ATML改正的影響

3.1 對(duì)解算精度的影響

分別計(jì)算各組解所得的殘差坐標(biāo)時(shí)間序列的RMS值。從各站 RMS統(tǒng)計(jì)的均值來(lái)看,相對(duì)于全球框架下的解,區(qū)域框架下N、E和U分量殘差RMS值平均可分別降低 20%、26%和 12%。而區(qū)域框架下在觀(guān)測(cè)級(jí)數(shù)據(jù)解算階段加入AT ML改正能夠再帶來(lái)水平、垂向分量各 2%和 3.7%的 RMS改進(jìn)。然而,從速率及其方差估計(jì)值來(lái)看,在區(qū)域框架下,進(jìn)行AMTL改正帶來(lái)的改進(jìn)很小,都在亞毫米量級(jí),例如,垂向分量速率估計(jì)差異均值僅約 0.05 mm/a,速率估計(jì)方差均值也僅相差 0.06 mm/a。

3.2 相關(guān)噪聲的大小

目前,已證實(shí) GPS坐標(biāo)時(shí)間序列中包含著有色噪聲,其中閃爍噪聲占主導(dǎo)地位[5-8]。為此,我們采用白噪聲 +閃爍噪聲的混合模型,估計(jì)了各站中白噪聲和閃爍噪聲的大小。

相對(duì)于全球框架下的解而言,區(qū)域框架下白噪聲明顯降低(表 1),而在區(qū)域框架中進(jìn)行AT ML改正并未降低白噪聲。

表 1 各解的白噪聲大小均值對(duì)比(單位:mm/a)Tab.1 Comparison between white noise magn itudes(unit:mm/a)

圖3 各解閃爍噪聲的大小Fig.3 Amplitudes of flicker noises

與白噪聲不同,由全球框架至區(qū)域框架帶來(lái)的水平分量中閃爍噪聲的改進(jìn)較小,僅在垂向分量有較大的改進(jìn)(圖 3);在區(qū)域框架下,解算中加入ATML改正對(duì)閃爍噪聲的影響不大。在個(gè)別地區(qū),如廣州 (GUAN)、瓊中 (Q I ON)、下關(guān) (XI AG)和永興(YONG),區(qū)域解中的閃爍噪聲要大于全球解的結(jié)果,可能與周邊缺少框架點(diǎn)來(lái)進(jìn)行約束而包含了較大的框架誤差有關(guān)。

3.3 對(duì)垂向周年項(xiàng)的影響

垂向分量是受地表質(zhì)量負(fù)荷影響最為明顯的分量,那么,進(jìn)行AT ML改進(jìn)是否能夠降低周期性波動(dòng)的振幅?從各解中周年項(xiàng)的振幅均值 (表 2)來(lái)看,區(qū)域解中的周年變化要明顯弱于全球解,尤其是垂向分量;在觀(guān)測(cè)級(jí)進(jìn)行AMTL改正的效果也較明顯(圖 4),尤其是在拉薩 (LHAS和 LHAZ)、泰安(TA I N)、德令哈 (DHLA)、西安 (XI AA)等地,說(shuō)明即使是針對(duì)區(qū)域參考框架,AT ML對(duì)坐標(biāo)系統(tǒng)變換的影響也是很顯著的。

表 2 各解的周年振幅大小均值對(duì)比(單位:mm)Tab.2 Comparison of averaged annual amplitudes(un it: mm)

圖4 垂向周年項(xiàng)Fig.4 Vertical annual ter ms

4 ATML效應(yīng)與共模誤差

由于大氣變化往往具有較大的空間尺度,因此AT ML可能是公共誤差(CME)的來(lái)源之一。與全球框架相比,采用區(qū)域參考框架時(shí)很大一部分大尺度的CME被消除了,此時(shí)再進(jìn)行AMTL改正是否還有必要?對(duì)于未進(jìn)行 AMTL改正的解,采用空間濾波[9]是否能夠代替進(jìn)行此類(lèi)地表質(zhì)量負(fù)荷效應(yīng)改正?針對(duì)這些問(wèn)題,我們對(duì)比了全球解、區(qū)域解、加入AT ML改正的區(qū)域解以及經(jīng)過(guò)空間濾波的全球解所得的殘差坐標(biāo)時(shí)間序列的差別。圖 5(從上至下,各曲線(xiàn)依次為全球框架解、區(qū)域框架解、經(jīng)過(guò)AT ML改正的區(qū)域框架解、以及經(jīng)過(guò)空間濾波的全球解的結(jié)果。各時(shí)間序列經(jīng)歷了窗口為 30天的平滑濾波)給出了薊縣站(J IXN)的結(jié)果,與此類(lèi)似,大部分臺(tái)站加入AT ML改正后區(qū)域解的變化不大,而經(jīng)過(guò)空間濾波的全球解要明顯好于區(qū)域解。這表明CME還包含有負(fù)荷效應(yīng)之外的其他來(lái)源。

圖 5 薊縣站(J IXN)的殘差坐標(biāo)時(shí)間序列Fig.5 Residual time series at J IXN station

5 結(jié)語(yǔ)

1)在區(qū)域參考框架下加入大氣質(zhì)量負(fù)荷改正能夠帶來(lái)約 3%的殘差 RMS改進(jìn),水平分量白噪聲和垂向閃爍噪聲也有一定的減小,且能夠降低部分站的垂向周年運(yùn)動(dòng)振幅,這些表明各站的AT ML效應(yīng)存在較大差別,能夠影響參考框架定義過(guò)程。其他地表質(zhì)量負(fù)荷因子 (如地表水)也面臨同樣的問(wèn)題。

2)對(duì)于已有多年觀(guān)測(cè)歷史的中國(guó)地殼運(yùn)動(dòng)觀(guān)測(cè)網(wǎng)絡(luò) GPS基準(zhǔn)站來(lái)說(shuō),在 GPS觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)解算階段進(jìn)行AT ML改正并未帶來(lái)臺(tái)站運(yùn)動(dòng)速率估計(jì)的明顯改善。

1 DongD,et al.Anatomy of apparent seasonal variations from GPS-derived site position time series[J]. J. Geophys. Res.,2002,107(B4)：2 075.

2 Zhang F P,et al.Seasonal vertical crustalmotions in China detected by GPS[J].Chinese Science,2002,47(21)：1 772-1 780.

3 王敏,等.非構(gòu)造形變對(duì) GPS連續(xù)站位置時(shí)間序列的影響和修正 [J].地球物理學(xué)報(bào),2005,48(5)：1 045-1 052.(Wang Ming,et al.Effects of non-tectonic crustal defor mation on continuous GPS position time series and correction to them[J].Chinese J.Geophys.,2006,48(5)：1 045-1 052)

4 Tregoning P and van Dam T.Atmospheric pressure loading corrections applied to GPS data at the observation level[J]. Geophys.Res.Lett.,2005,32,L22310.

5 黃立人.GPS基準(zhǔn)站時(shí)間序列的噪聲特性分析[J].大地測(cè)量與地球動(dòng)力學(xué),2006,(2)：31-33.(Huang Liren. Noise properties in time series of coordinate component at GPS fiducial stations[J].Journal of Geodesy and Geodynamics,2006,(2)：31-33)

6 黃立人,符養(yǎng).GPS連續(xù)觀(guān)測(cè)站的噪聲分析 [J].地震學(xué)報(bào),2007,29(2)：197-202. (Huang Liren and Fu Yang.Analysis on the noises from continuously monitoring GPS sites[J].Acta Seismologica Sinica,2007,29(2)：197-202)

7 顧國(guó)華,張晶.中國(guó)地殼運(yùn)動(dòng)觀(guān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)基準(zhǔn)站 GPS觀(guān)測(cè)的時(shí)間序列結(jié)果[J].大地測(cè)量與地球動(dòng)力學(xué),2002,22 (2)：61-67.(Gu Guohua and Zhang Jing.Time series of displacements from GPS observation at fiducial station in the crustalmovement observation net work of China[J].Journal of Geodesy and Geodynamics,2002,(2)：61-67)

8 楊博,張風(fēng)霜,韓月萍.多核函數(shù)法在 GPS時(shí)序資料處理中的應(yīng)用[J].大地測(cè)量與地球動(dòng)力學(xué),2010,(4)：137-141.(YangBo,Zhang Fengshuang and Han Yueping.Method of multi-kernel function and its application in GPS time series data processing[J].Journal of Geodesy and Geodynamics,2010,(4)：137-141)

9 Nikolaidis R.Observation of geodetic and seismic deformation with the Global Positioning System[D].Univ.of Calif.,San Diego,2002.

EFFECTS OF ATMOSPHERIC MASS LOAD ING ON GPS FIDUC IAL STATIONS

Tian Yunfeng1,2)

(1)Institute of Crustal Dynam ics,CEA,B eijing 100085 2)State Key Laboratory of Earthquake Dynam ics,Institute of Geology,CEA,Beijing 100029)

The effects of atmospheric mass loading(AT ML)on GPS fiducial stations in CrustalMotion Observation Network of China are studied.The historical data are reanalyzed in a consistentway and the results derived from three categories of solutions：global reference frame solutions,regional frame solutions,and regional frame solutionswith AT ML corrections at the observation level(the phase of processing daily observationswith GAM IT software)are analyzed aswell.The magnitudes of white noises and flicker noises,seasonal terms,and estimation of rates and rate uncertainties are compared with each other.It is shown that applying non-tidalAT ML corrections at the observation level can bring about s mall improvements in reducing the magnitudes of horizontalwhite noises and vertical flicker noises,aswell as vertical annual fluctuations;however,it does little effects to rate estimations.

GPS;atmospheric mass loading;common-mode error;crustalmotion;observation network

1671-5942(2010)05-0064-04

2010-04-15

中國(guó)地震局地殼應(yīng)力研究所所長(zhǎng)基金(ZDJ2009-01;ZDJ2007-13)

田云鋒,男,1976年生,副研究員,主要研究方向?yàn)槔?GPS監(jiān)測(cè)地殼形變.E-mail：tianyunfeng@yahoo.com.cn

P315.72+5

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