邵楠，包晗

(沈陽(yáng)市勘察測(cè)繪研究院，遼寧 沈陽(yáng) 110004)

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

邵楠*，包晗

(沈陽(yáng)市勘察測(cè)繪研究院，遼寧 沈陽(yáng) 110004)

GPS可以監(jiān)測(cè)地表質(zhì)量負(fù)荷變化引起的地表形變。GRACE數(shù)據(jù)反映地表重力場(chǎng)變化，也可以進(jìn)一步計(jì)算地表形變。本文簡(jiǎn)要介紹了兩種監(jiān)測(cè)手段的原理和特點(diǎn)，并以BJFS、BJSH、JIXN三個(gè)陸態(tài)網(wǎng)基準(zhǔn)站為例，利用GPS和GRACE聯(lián)合監(jiān)測(cè)垂直方向地表形變特征，主要針對(duì)周期性變化進(jìn)行對(duì)比分析。結(jié)果表明，GPS和GRACE所計(jì)算的地表形變?cè)诖怪狈较蚩傮w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(fù)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(cè)量技術(shù)為研究地表形變和地球重力場(chǎng)變化提供了越來(lái)越多的手段。GPS技術(shù)的發(fā)展，提供了全球400多個(gè)站近20年的監(jiān)測(cè)序列。其中，GPS垂向時(shí)間序列主要表現(xiàn)為地表負(fù)荷變化引起的周期性形變，主要包括大氣、積雪、土壤水等負(fù)荷[1，2]。同時(shí)，GPS垂向時(shí)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(jìn)步，GPS在監(jiān)測(cè)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(chǎng)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(jìn)一步計(jì)算質(zhì)量負(fù)荷變化引起的地表位移[7]。

一些研究表明，在水儲(chǔ)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(duì)華北地區(qū)，選取了陸態(tài)網(wǎng)3個(gè)GPS測(cè)點(diǎn)的垂向時(shí)間序列，同時(shí)采用CNES/GRGS的10天分辨率的GRACE數(shù)據(jù)計(jì)算了質(zhì)量變化引起的地表位移。進(jìn)一步對(duì)比分析了GPS和GRACE地表形變的差異性并對(duì)二者間差異產(chǎn)生的原因進(jìn)行了探討。

2 數(shù)據(jù)源及形變計(jì)算

2.1 GPS數(shù)據(jù)

我們選取中國(guó)大陸構(gòu)造環(huán)境監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)(簡(jiǎn)稱陸態(tài)網(wǎng))的BJFS、BJSH和JIXN三個(gè)GPS測(cè)站的垂向時(shí)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(cè)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(guò)全球分布的ITRF參考框架點(diǎn)進(jìn)行七參數(shù)相似變換，約束至ITRF2008框架下。處理中對(duì)流層映射函數(shù)為HGMF、DGMF；無(wú)高階電離層改正；潮汐模型為IERS2003，進(jìn)行了極潮和海潮改正(FES2004)；無(wú)大氣負(fù)荷改正。

圖1研究區(qū)域(左圖)和GPS測(cè)點(diǎn)位置(右圖)示意圖

2.2 GRACE計(jì)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(guò)GTACE球諧系數(shù)和負(fù)荷勒夫數(shù)來(lái)計(jì)算[11]，垂向地表形變計(jì)算過(guò)程由式(1)表達(dá)：

(1)

3 GPS和GRACE地表形變對(duì)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(jì)算所得的位移有所區(qū)別。GPS處理中沒(méi)有進(jìn)行負(fù)荷改正，但GRACE數(shù)據(jù)在處理中進(jìn)行了大氣負(fù)荷和非潮汐海洋負(fù)荷的校正，因此，在將二者進(jìn)行對(duì)比時(shí)，需要對(duì)GPS數(shù)據(jù)進(jìn)行大氣和非潮汐海洋負(fù)荷的校正或者將相應(yīng)負(fù)荷加入GRACE計(jì)算的形變序列中。根據(jù)以往研究，在中國(guó)地區(qū)，非潮汐海洋負(fù)荷的變化很小[5]，因此在本文中，我們進(jìn)行了大氣負(fù)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(shí)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(jì)算了三個(gè)測(cè)站的大氣負(fù)荷并加入了GRACE計(jì)算的負(fù)荷形變中。為了方便對(duì)比，所有數(shù)據(jù)進(jìn)行了10天的滑動(dòng)平均以歸一到統(tǒng)一的時(shí)間分辨率。

利用上述方法，我們得到了3個(gè)測(cè)站的GRACE計(jì)算的地表負(fù)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(shí)間序列我們均去除了線性項(xiàng)。3個(gè)測(cè)站GPS時(shí)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(fù)荷的周期性形變引起的(大氣和陸地水負(fù)荷)。為了更明確其中的周期性變化特征，我們對(duì)其進(jìn)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(gè)測(cè)站GPS和GRACE形變序列

為了進(jìn)一步對(duì)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(lái)表明各站點(diǎn)GPS和GRACE形變序列的影響。當(dāng)GPS和GRACE數(shù)據(jù)完全一致時(shí)，減少率為100%。經(jīng)過(guò)計(jì)算，3個(gè)測(cè)站均方根分別降低了16.4%、10.7%和14.4%。結(jié)果表明3個(gè)測(cè)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(jì)算結(jié)果可以看到，3個(gè)站點(diǎn)中GPS在幅值上呈現(xiàn)了更顯著的變化。這是因?yàn)镚PS垂向數(shù)據(jù)的周期變化除了受地表負(fù)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(duì)質(zhì)量變化敏感，且GRACE數(shù)據(jù)空間分辨率較低，一般用來(lái)監(jiān)測(cè)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(cè)地表形變的技術(shù)，并通過(guò)實(shí)例分析對(duì)比了二者在監(jiān)測(cè)地表形變上的差異。結(jié)果表明在BJFS、BJSH和JIXN三個(gè)測(cè)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(fù)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(fù)荷變化引起的地表位移，雖然我們加入了大氣負(fù)荷改正，但還有非潮汐海洋負(fù)荷等因素并沒(méi)有考慮，這也是造成其與GPS結(jié)果差異的原因之一。

[1] 姜衛(wèi)平，夏傳義，李昭等. 環(huán)境負(fù)載對(duì)區(qū)域GPS基準(zhǔn)站時(shí)間序列的影響分析[J]. 測(cè)繪學(xué)報(bào)，2014，43(12)：1217～1223.

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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(cè)量方面的技術(shù)工作。