盛傳貞

（中國地震局地質(zhì)研究所，北京 100029）

自20世紀(jì)90年代初以來，GPS空間大地測量學(xué)的迅速發(fā)展和全面應(yīng)用，為全球范圍各種規(guī)模尺度的地殼運(yùn)動(dòng)和構(gòu)造形變觀測提供了革命性的手段，使高精度、大范圍、全天候、低成本的大地測量變成了現(xiàn)實(shí)。為及時(shí)把握GPS空間對地觀測技術(shù)為防震減災(zāi)應(yīng)用帶來的機(jī)遇，我國先后于1997～2000年和2007～2012年實(shí)施了國家重大科學(xué)工程 “中國地殼運(yùn)動(dòng)觀測網(wǎng)絡(luò)”和“中國大陸構(gòu)造環(huán)境監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)”，在中國大陸及周邊建立了由260個(gè)連續(xù)GPS觀測站和2 056個(gè)非連續(xù)GPS觀測站構(gòu)成的高精度、高密度觀測網(wǎng)絡(luò)，為精細(xì)而定量地研究中國大陸不同構(gòu)造區(qū)域的現(xiàn)今地殼運(yùn)動(dòng)方式和構(gòu)造形變演化態(tài)勢提供了至關(guān)重要的基礎(chǔ)平臺(tái)。

近年來，隨著GPS星座系統(tǒng)、觀測設(shè)備、處理軟件和全球服務(wù)的進(jìn)一步完善和發(fā)展，在正常觀測環(huán)境和規(guī)范測量方式下，基于約24小時(shí)的連續(xù)靜態(tài)觀測和標(biāo)準(zhǔn)化的GPS數(shù)據(jù)處理策略，已經(jīng)實(shí)現(xiàn)以 “數(shù)毫米”量級的精度（水平向優(yōu)于3mm、垂直向優(yōu)于6mm）獲得站點(diǎn)在全球參考框架下的單日平均坐標(biāo)。因此，通過對 “中國地殼運(yùn)動(dòng)觀測網(wǎng)絡(luò)”等工程的各GPS站點(diǎn)進(jìn)行長年累月的連續(xù)觀測或間歇性的非連續(xù)觀測，可獲得其高精度坐標(biāo)位置隨時(shí)間變化的序列過程。據(jù)此，我們不僅能夠估計(jì)各站點(diǎn)的平均運(yùn)動(dòng)速度，而且能夠解析其運(yùn)動(dòng)變化過程，并直接獲取到一系列量值較為顯著的非線性變化現(xiàn)象，如同震位移、震后馳豫形變、活動(dòng)斷裂的慢地震滑移等等。但是，當(dāng)我們關(guān)注和地震危險(xiǎn)性相關(guān)的構(gòu)造運(yùn)動(dòng)或地殼形變時(shí)，GPS站點(diǎn)坐標(biāo)變化時(shí)間序列中所包含的一些系統(tǒng)性誤差，尤其是一些非構(gòu)造形變的干擾將不容忽視，因?yàn)樵S多非構(gòu)造干擾（如時(shí)變的大氣潮汐、區(qū)域海洋潮汐、陸地水負(fù)荷等等）所產(chǎn)生的地殼形變或站點(diǎn)位移，往往與構(gòu)造形變處于同一量級。因此，如何從GPS的坐標(biāo)變化時(shí)間序列中有效地分離和剔除各種非構(gòu)造形變的影響，使其更好地服務(wù)于地震危險(xiǎn)性監(jiān)測與分析，一直是GPS大地測量領(lǐng)域兼具重要科學(xué)意義和迫切實(shí)際需求的研究課題。

本論文以非構(gòu)造負(fù)荷形變對中國大陸GPS坐標(biāo)時(shí)間序列的影響為主題，以中國大陸及周邊高精度連續(xù)GPS觀測資料為基礎(chǔ)，對不同區(qū)域時(shí)變大氣潮汐、區(qū)域海洋潮汐和陸地水負(fù)荷所引起的非構(gòu)造形變特征開展定量研究，并將改正模型應(yīng)用于中國大陸連續(xù)GPS觀測站和非連續(xù)GPS觀測站的坐標(biāo)變化時(shí)間序列中，獲得了更加接近真實(shí)構(gòu)造形變的結(jié)果，使其更加有效地反映構(gòu)造形變。具體的研究和探討主要有以下幾個(gè)方面：

（1）歸納總結(jié)國內(nèi)外高精度GPS數(shù)據(jù)處理優(yōu)化方法和先進(jìn)策略，采用美國JPL的GPS前處理軟件GIPSY和后處理平差軟件QOCA，對中國大陸各區(qū)域典型連續(xù)GPS觀測站數(shù)據(jù)進(jìn)行了嚴(yán)密處理，獲得了高精度坐標(biāo)變化時(shí)間序列，為進(jìn)一步分離和研究不同區(qū)域非構(gòu)造形變特征提供了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

GPS坐標(biāo)變化時(shí)間序列中既包含著一系列隨機(jī)誤差、模型偏差、參數(shù)誤差，也包含地表負(fù)荷（如大氣潮汐、區(qū)域海洋潮汐及陸地水負(fù)荷）引起的非構(gòu)造形變信息。為了從高精度GPS時(shí)間序列中有效獲取中國大陸不同區(qū)域的非構(gòu)造負(fù)荷形變，我們選取了具有區(qū)域代表性的連續(xù)GPS觀測站，并在嚴(yán)密的數(shù)據(jù)處理中采用了GIPSY軟件的精密單點(diǎn)定位（PPP）策略和基于固定點(diǎn)法則的整網(wǎng)模糊度解算方法（Ambizap）；同時(shí)，選用了國際上最新的先驗(yàn)對流層延遲模型ECMWF（European Centre for Medium－Range Weather Forecasts）和對流層投影函數(shù)VMF1（Vienna Mapping Function 1），并納入高階電離層影響改正，對GPS數(shù)據(jù)處理的關(guān)鍵模型進(jìn)行了優(yōu)化。最后，通過聯(lián)合平差與地殼形變分析軟件QOCA，扣除了GPS時(shí)間序列中的構(gòu)造形變（構(gòu)造運(yùn)動(dòng)速率、地震影響等）及站點(diǎn)異常影響，突出了中國大陸各區(qū)域非構(gòu)造形變。

（2）分析研究了中國大陸及周邊大氣潮汐負(fù)荷的非構(gòu)造形變影響，并針對目前國際上通用大氣壓數(shù)據(jù)中包含有許多虛假“潮汐分量”信號的實(shí)際情況，設(shè)計(jì)編制了一套20階的Butterworth低通濾波器，有效地剔除了這種虛假 “潮汐分量”的影響，并較好地應(yīng)用于中國大陸各區(qū)域的GPS時(shí)間序列中。

大氣受到日月引力潮作用和局部熱力作用產(chǎn)生大氣潮汐和質(zhì)量的重新分布，由此可引起地殼的非構(gòu)造負(fù)荷形變?；贕PS的高精度觀測，可探測和分辨大氣負(fù)荷形變的存在。大氣負(fù)荷包含潮汐負(fù)荷和非潮汐負(fù)荷，總體的大氣負(fù)荷形變在地球表面的最大量值可達(dá)厘米級，主要出現(xiàn)在高緯度區(qū)域。我們的研究表明，對于中國大陸區(qū)域，大氣潮汐現(xiàn)象所引起的垂向形變通常為亞毫米級，而北向和東向分量僅為垂向分量的1／10左右；其中，半日潮汐（S1）負(fù)荷形變振幅具有明顯的緯度相關(guān)性，即同一緯度負(fù)荷形變的振幅基本一致，但相位隨經(jīng)度變化而不同。大氣非潮汐負(fù)荷形變的計(jì)算主要利用實(shí)測大氣壓力資料，并通過格林函數(shù)積分獲得。然而，考慮到目前國際上的大氣壓變化數(shù)據(jù)主要來源于ECMWF和NCEP等氣象中心提供的重分析產(chǎn)品，由于模型缺陷、數(shù)據(jù)噪聲和采樣率等引起的混頻效應(yīng)，使這些大氣壓數(shù)據(jù)中包含有許多虛假的 “潮汐分量”信號。理論計(jì)算表明，這種虛假的 “潮汐分量”會(huì)對GPS時(shí)間序列產(chǎn)生垂向0.5～1mm、水平向0.1～0.2mm的偏差，使GPS時(shí)間序列產(chǎn)生周期為5～6天、半年和整年的多種波動(dòng)，在GPS時(shí)間序列中不容忽視。為此，本文設(shè)計(jì)了一套阻帶頻率為1周／每天、阻帶衰減為35dB的20階Butterworth低通濾波器，有效地剔除了這種虛假 “潮汐分量”的影響，并獲取了更加可靠的大氣非潮汐分量。

（3）通過對比多種全球海洋潮汐模型在中國海域的差異性，提出采用高分辨率區(qū)域海洋潮汐模型進(jìn)行潮汐負(fù)荷形變的改正，可有效避免GPS時(shí)間序列中長周期的非構(gòu)造形變虛假信號。并通過對目前衛(wèi)星測高資料的分析，說明當(dāng)下海洋非潮汐改正的實(shí)用效果尚不可靠，需進(jìn)一步提高海洋非潮汐模型精度。

中國大陸東瀕太平洋，南臨印度洋，海岸線蜿蜒悠長，海水的潮汐變化和非潮汐變化均會(huì)引起沿海及內(nèi)陸一定范圍的非構(gòu)造形變。由于幾種全球海洋潮汐模型在中國海域的分辨率不同，我們發(fā)現(xiàn)納入高分辨率的區(qū)域海洋潮汐模型，可對沿海GPS站垂向M2潮汐波產(chǎn)生平均量值達(dá)1.1mm的改善，最大改正值可達(dá)5mm；若不考慮高分辨率的區(qū)域海洋潮汐模型，則會(huì)在GPS時(shí)間序列中產(chǎn)生“虛假”的長周期信號；而對于海洋非潮汐負(fù)荷形變，我們基于目前高精度衛(wèi)星測高資料對沿海區(qū)域GPS觀測站時(shí)間序列進(jìn)行海洋非潮汐負(fù)荷形變改正后，僅少數(shù)站點(diǎn)的時(shí)間序列有所改善，究其原因在于目前的衛(wèi)星測高資料仍不能完全滿足高精度海洋非潮汐負(fù)荷形變計(jì)算和改正的要求。考慮到海洋非潮汐形變的最大振幅＜1mm，因此，我們建議在GPS數(shù)據(jù)處理和時(shí)間序列分析中，可暫不考慮海洋非潮汐負(fù)荷形變的影響。

（4）結(jié)合GRACE時(shí)變重力場和全球陸地水資料NCEP的各自優(yōu)勢，嘗試研究了一種數(shù)據(jù)同化方法，獲得了中國大陸兼顧時(shí)－空分辨率的陸地水負(fù)荷時(shí)變資料，并據(jù)此計(jì)算了不同區(qū)域的陸地水遷徙負(fù)荷形變。在此基礎(chǔ)上，分析評估了該方法對GPS時(shí)間序列的改正效果。

陸地水負(fù)荷所產(chǎn)生的地殼形變量值在所有非構(gòu)造形變中最為顯著。中國大陸不同區(qū)域的陸地水負(fù)荷形變差異可達(dá)厘米量級。GRACE時(shí)變重力場和全球陸地水資料（NCEP）為目前計(jì)算陸地水負(fù)荷形變最重要的基礎(chǔ)資料，兩者均能反映陸地水的短期變化。其中，GRACE時(shí)變重力場不僅反映土壤濕度影響，而且還反映地表水和地下水影響，因而具有較高的精度，但存在時(shí)間分辨率較低的問題。全球陸地水資料（NCEP）提供0～2m深度范圍的土壤濕度和積雪負(fù)荷，具有較高的時(shí)間分辨率，但不包含地表和地下水資料。針對兩種資料各自的長短優(yōu)劣，我們嘗試研究了一種數(shù)據(jù)同化方法：以GRACE資料為主，以NCEP作為陸地水短時(shí)變化的有效補(bǔ)充，使陸地水負(fù)荷資料兼具GRACE在長時(shí)間尺度上的高精度和NCEP在短時(shí)間尺度上的高分辨率?；谕Y(jié)果，我們就中國大陸不同區(qū)域進(jìn)行了驗(yàn)證分析，并利用小波分析方法討論了陸地水遷徙負(fù)荷形變與GPS時(shí)間序列在低頻分量的相關(guān)性及改善程度。結(jié)果表明，當(dāng)陸地水遷徙負(fù)荷形變量大于GPS觀測噪聲時(shí)，改正效果明顯；而對于信噪比較小的區(qū)域，改正效果較差甚至負(fù)面。

（5）以連續(xù)GPS觀測資料和GRACE同化資料為基礎(chǔ)，采用支持向量回歸方法（SVR）聯(lián)合反演區(qū)域非構(gòu)造負(fù)荷形變模型，并針對中國大陸地表水變化顯著性差異較大的兩個(gè)典型區(qū)域，驗(yàn)證分析了該方法對連續(xù)GPS和流動(dòng)GPS觀測站時(shí)間序列的改善效果。

高精度GPS可直接探測到地表的非構(gòu)造負(fù)荷形變，但往往包含有站點(diǎn)局域干擾和環(huán)境模型誤差等方面的影響；而基于地球物理模型亦可獲得各種地表負(fù)荷所引起的 “理論形變”，但地球物理模型參數(shù)的精度缺陷和輸入資料的時(shí)空分辨率可能導(dǎo)致理論計(jì)算結(jié)果的偏差。為此，我們嘗試以連續(xù)GPS觀測資料作為基本觀測量，以GRACE同化資料為約束，采用SRV（Support Vector Regressing）方法聯(lián)合反演區(qū)域非構(gòu)造負(fù)荷形變。在滇西地區(qū)和隴中黃土高原區(qū)域?qū)嶋H應(yīng)用和效果驗(yàn)證表明，聯(lián)合反演方法兼顧了GPS和GRACE資料的特點(diǎn)，并納入了物理意義明確的模型約束，可避免對連續(xù)GPS的單一依賴，且聯(lián)合反演結(jié)果能明顯改善非連續(xù)GPS觀測的時(shí)間序列。

中國大陸；非構(gòu)造負(fù)荷形變；GPS時(shí)間序列；GRACE時(shí)變重力場；全球陸地水模型；大氣負(fù)荷；海洋負(fù)荷