邵楠，包晗

(沈陽市勘察測繪研究院，遼寧 沈陽 110004)

利用GPS和GRACE監(jiān)測地表質(zhì)量負荷引起的周期性形變

邵楠*，包晗

(沈陽市勘察測繪研究院，遼寧 沈陽 110004)

GPS可以監(jiān)測地表質(zhì)量負荷變化引起的地表形變。GRACE數(shù)據(jù)反映地表重力場變化，也可以進一步計算地表形變。本文簡要介紹了兩種監(jiān)測手段的原理和特點，并以BJFS、BJSH、JIXN三個陸態(tài)網(wǎng)基準站為例，利用GPS和GRACE聯(lián)合監(jiān)測垂直方向地表形變特征，主要針對周期性變化進行對比分析。結(jié)果表明，GPS和GRACE所計算的地表形變在垂直方向總體上具有較好的一致性，但在幅值上存在一定的差異性。

GPS；GRACE；質(zhì)量負荷；季節(jié)性形變

1 引 言

隨著衛(wèi)星技術(shù)的發(fā)展，空間大地測量技術(shù)為研究地表形變和地球重力場變化提供了越來越多的手段。GPS技術(shù)的發(fā)展，提供了全球400多個站近20年的監(jiān)測序列。其中，GPS垂向時間序列主要表現(xiàn)為地表負荷變化引起的周期性形變，主要包括大氣、積雪、土壤水等負荷[1，2]。同時，GPS垂向時間序列中的周期性變化可能也受GPS解算誤差、基巖的熱脹冷縮等因素影響[3]。隨著GPS技術(shù)的發(fā)展和數(shù)據(jù)處理方法的進步，GPS在監(jiān)測地表非構(gòu)造形變領(lǐng)域已有了廣泛的研究[4～6]。GRACE(Gravity Recovery and Climate Experiment)衛(wèi)星的成功發(fā)射，為獲取地球重力場變化提供了很大便利。GRACE數(shù)據(jù)可以反演地表質(zhì)量變化信息，進一步計算質(zhì)量負荷變化引起的地表位移[7]。

一些研究表明，在水儲量變化顯著的地區(qū)，GPS和GRACE得到的地表形變具有很好的一致性，如喜馬拉雅地區(qū)[8]、亞馬遜地區(qū)[9]等。但在一些地區(qū)也存在明顯差異，如歐洲地區(qū)[10]。本文針對華北地區(qū)，選取了陸態(tài)網(wǎng)3個GPS測點的垂向時間序列，同時采用CNES/GRGS的10天分辨率的GRACE數(shù)據(jù)計算了質(zhì)量變化引起的地表位移。進一步對比分析了GPS和GRACE地表形變的差異性并對二者間差異產(chǎn)生的原因進行了探討。

2 數(shù)據(jù)源及形變計算

2.1 GPS數(shù)據(jù)

我們選取中國大陸構(gòu)造環(huán)境監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)(簡稱陸態(tài)網(wǎng))的BJFS、BJSH和JIXN三個GPS測站的垂向時間序列。其空間位置分布如圖1所示。數(shù)據(jù)采用GAMIT/GLOBK軟件處理，首先利用GRAMIT處理得到測站的單日松弛解，然后結(jié)合IGS站數(shù)據(jù)處理結(jié)果通過全球分布的ITRF參考框架點進行七參數(shù)相似變換，約束至ITRF2008框架下。處理中對流層映射函數(shù)為HGMF、DGMF；無高階電離層改正；潮汐模型為IERS2003，進行了極潮和海潮改正(FES2004)；無大氣負荷改正。

圖1研究區(qū)域(左圖)和GPS測點位置(右圖)示意圖

2.2 GRACE計算地表形變

利用GRACE衛(wèi)星可以反演地表質(zhì)量變化引起的位移，可以通過GTACE球諧系數(shù)和負荷勒夫數(shù)來計算[11]，垂向地表形變計算過程由式(1)表達：

(1)

3 GPS和GRACE地表形變對比分析

GPS和GRACE周期形變均是主要由地表質(zhì)量的周期性變化所引起的，但二者計算所得的位移有所區(qū)別。GPS處理中沒有進行負荷改正，但GRACE數(shù)據(jù)在處理中進行了大氣負荷和非潮汐海洋負荷的校正，因此，在將二者進行對比時，需要對GPS數(shù)據(jù)進行大氣和非潮汐海洋負荷的校正或者將相應(yīng)負荷加入GRACE計算的形變序列中。根據(jù)以往研究，在中國地區(qū)，非潮汐海洋負荷的變化很小[5]，因此在本文中，我們進行了大氣負荷校正。我們利用GGFC (Global Geophysical Fluid Center) 提供的程序(http：//geophy.uni.lu/ncep-loading.html)和NCEP (National Center of Environmental Protection) 提供的時間分辨率為 6 h，空間分布率為2.5°×2.5°的大氣數(shù)據(jù)計算了三個測站的大氣負荷并加入了GRACE計算的負荷形變中。為了方便對比，所有數(shù)據(jù)進行了10天的滑動平均以歸一到統(tǒng)一的時間分辨率。

利用上述方法，我們得到了3個測站的GRACE計算的地表負荷形變。本文中主要研究GPS和GRACE形變非線性變化，因此所有時間序列我們均去除了線性項。3個測站GPS時間序列和GRACE形變序列如圖2所示。從圖中可以看到，總體上兩者都呈現(xiàn)了周期性變化，這主要是由于地表負荷的周期性形變引起的(大氣和陸地水負荷)。為了更明確其中的周期性變化特征，我們對其進行了頻譜分析，所有序列均呈現(xiàn)明顯的周年和半周年變化。其中BJFS站的GPS和GRACE形變序列的頻譜分析結(jié)果如圖3所示。

圖2 3個測站GPS和GRACE形變序列

為了進一步對比分析GPS和GRACE數(shù)據(jù)的聯(lián)系，我們定義式(2)的均方根減少率來表明各站點GPS和GRACE形變序列的影響。當GPS和GRACE數(shù)據(jù)完全一致時，減少率為100%。經(jīng)過計算，3個測站均方根分別降低了16.4%、10.7%和14.4%。結(jié)果表明3個測站GPS和GRACE數(shù)據(jù)均有一定程度的一致性。

(2)

盡管GPS和GRACE數(shù)據(jù)均有明顯的年周期和半年周期變化，但從圖2和以上計算結(jié)果可以看到，3個站點中GPS在幅值上呈現(xiàn)了更顯著的變化。這是因為GPS垂向數(shù)據(jù)的周期變化除了受地表負荷變化的影響，還受其他因素影響，如GPS解算策略、熱彈性形變、基巖的熱脹冷縮等因素；而GRACE數(shù)據(jù)僅對質(zhì)量變化敏感，且GRACE數(shù)據(jù)空間分辨率較低，一般用來監(jiān)測大尺度的質(zhì)量遷移。

4 總 結(jié)

本文介紹了GPS和GRACE兩種監(jiān)測地表形變的技術(shù)，并通過實例分析對比了二者在監(jiān)測地表形變上的差異。結(jié)果表明在BJFS、BJSH和JIXN三個測站上，兩種技術(shù)所得到的形變序列均呈現(xiàn)了明顯的年周期和半年周期性變化，這與地表質(zhì)量變化的季節(jié)性變化特征一致。二者呈現(xiàn)了較好的一致性，但總體上GPS所呈現(xiàn)的振幅更為明顯，這主要是GPS所得到形變序列不僅包含了質(zhì)量負荷變化所引起的地表形變，還有包含了基巖形變、熱彈性形變、GPS解算周期性誤差等。GRACE數(shù)據(jù)主要反映區(qū)域水文負荷變化引起的地表位移，雖然我們加入了大氣負荷改正，但還有非潮汐海洋負荷等因素并沒有考慮，這也是造成其與GPS結(jié)果差異的原因之一。

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[5] 王敏，沈正康，董大南. 非構(gòu)造形變對GPS連續(xù)站位置時間序列的影響和修正[J]. 地球物理學(xué)報，2005，48(5)：1045～1052.

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[11] Kusche J，Schrama E J O. Surface mass redistribution inversion from global GPS deformation and Gravity Recovery and Climate Experiment (GRACE) gravity data[J]. Journal of Geophysical Research： Solid Earth，2005，110(B9).

DetectingtheSeasonalDeformationsonEarthSurfaceUsingGPSandGRACE

Shao Nan，Bao Han
(Shenyang Geotechnical Investigation & Surveying Research Institute，Shenyang 110004，China)

GPS can be used in detecting the deformation caused by Earth surface mass loading. At the same time，GRACE data can reflect the change of gravity field，and further used to calculate the deformation. In this paper，we introduced the theory and characters of these two monitoring methods. We made three GPS stations，BJFS，BJSH and JIXN，as examples and detected the vertical Earth deformations using both GPS and GRACE，then we made a comparison and analysis about these two methods. The results show that GPS and GRACE show a good correlation in vertical direction and there are also certain difference in the amplitude of the variation.

GPS；GRACE；mass loading；seasonal deformation

1672-8262(2017)06-105-03

P228

A

2017—03—21

邵楠(1989—)，男，碩士，工程師，主要從事工程測量方面的技術(shù)工作。