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        陜西省GPS基準(zhǔn)站垂直形變的陸地水負(fù)荷效應(yīng)

        2018-08-08 01:53:36鄭增記蘇利娜范麗紅翟宏光張永奇韓美濤
        測(cè)繪工程 2018年9期
        關(guān)鍵詞:陸地振幅陜西省

        鄭增記, 蘇利娜, 范麗紅,翟宏光, 張永奇, 韓美濤

        (1.陜西省地震局,陜西 西安 710068; 2.中國(guó)科學(xué)院上海天文臺(tái),上海 200030;3.長(zhǎng)安大學(xué) 地質(zhì)工程與測(cè)繪學(xué)院,陜西 西安 710054)

        隨著GPS技術(shù)的快速發(fā)展,無(wú)論其水平形變還是垂直形變均已廣泛用于研究地殼運(yùn)動(dòng)和板塊運(yùn)動(dòng)。地殼的垂直形變通常包含構(gòu)造形變和非構(gòu)造形變兩類信息,其中非構(gòu)造形變主要是由大氣、海洋以及陸地水變化等造成的季節(jié)性垂直性變,尤其是陸地水導(dǎo)致的垂直形變?cè)谀承┑胤娇蛇_(dá)30 mm[1]。通過(guò)對(duì)GPS觀測(cè)進(jìn)行非構(gòu)造形變的改正可以更好地研究地殼的構(gòu)造運(yùn)動(dòng),目前對(duì)非構(gòu)造形變的改正主要通過(guò)地球物理模型數(shù)據(jù)[2-4]。2002-3-17 GRACE衛(wèi)星發(fā)射后,基于GRACE研究陸地水遷徙所造成的垂直形變也得到了大量應(yīng)用[5-8]。

        陜西省位于我國(guó)大陸東西和南北巨型構(gòu)造單元的交接地帶,既是華南地塊向華北地塊的過(guò)渡帶,也是青藏地塊與華北地塊的過(guò)渡帶,是華南地塊、華北地塊和青藏地塊的連接樞紐,歷史上曾發(fā)生過(guò)華縣8級(jí)大地震,具有發(fā)生強(qiáng)震的構(gòu)造背景[9]。本文利用2012-01—2015-12陜西省連續(xù)GPS基準(zhǔn)站數(shù)據(jù)以及同期的GRACE、GLDAS數(shù)據(jù)定性比較和分析由陸地水導(dǎo)致的季節(jié)性垂直變化,為獲取研究地震有用的構(gòu)造形變信息提供依據(jù)。

        1 數(shù)學(xué)模型

        1.1 GPS估計(jì)形變

        GPS跟蹤站的坐標(biāo)時(shí)間序列通常用常數(shù)項(xiàng)、線性趨勢(shì)項(xiàng)、周年和半年項(xiàng)以及噪聲項(xiàng)來(lái)表示,即

        (1)

        式中:A為常數(shù)項(xiàng),B為線性趨勢(shì)項(xiàng),ωi為振幅Ci和Di的周期項(xiàng)角頻率,Δt為相對(duì)參考?xì)v元的時(shí)間差,i=1、i=2分別代表周年項(xiàng)、半周年項(xiàng),ε為噪聲項(xiàng)。

        1.2 GRACE估計(jì)形變

        采用GRACE時(shí)變重力資料解算地表垂直負(fù)荷形變

        (2)

        1.3 GLDAS估計(jì)形變

        根據(jù)Farrell[10]的負(fù)荷理論計(jì)算地表流體負(fù)荷垂直位移

        (3)

        (4)

        式中:ψ為計(jì)算點(diǎn)到負(fù)荷源的角距;G(ψ)為負(fù)荷格林函數(shù);H(ψ,A,t)是負(fù)荷質(zhì)量層在t時(shí)刻的厚度;A是從計(jì)算點(diǎn)到負(fù)荷源的方位角;通過(guò)GLDAS模型提供的H可以計(jì)算任意一點(diǎn)的垂直位移。

        2 數(shù)據(jù)處理與結(jié)果分析2.1數(shù)據(jù)介紹2.1.1 GPS數(shù)據(jù)

        本文首先解算陜西省22個(gè)GPS基準(zhǔn)站(如圖1所示)2012-01—2015-12共48個(gè)月的觀測(cè)數(shù)據(jù)。利用GAMIT解算22個(gè)基準(zhǔn)站和周圍13個(gè)IGS參考站獲得單日松弛解,解算中采用LC觀測(cè)值消除電離層一階項(xiàng),采用GMF/GPT模型改正對(duì)流層延遲,每2 h估算一個(gè)對(duì)流層延遲參數(shù)。此外,在解算過(guò)程中施加固體潮、海潮和極潮改正,但未進(jìn)行大氣潮和非潮汐海潮改正。然后,利用GLOBK將單日松弛解與全球參考框架H文件聯(lián)合平差,選擇80個(gè)IGS核心站進(jìn)行約束,計(jì)算測(cè)站在ITRF2008參考框架下的坐標(biāo)時(shí)間序列。

        圖1 陜西省GPS基準(zhǔn)站分布

        2.1.2 GRACE數(shù)據(jù)

        采用美國(guó)德克薩斯大學(xué)空間研究中心(UTCSR)最新發(fā)布的RL05月重力場(chǎng)模型數(shù)據(jù),時(shí)間跨度為2012-01—2015-12(實(shí)際有效數(shù)據(jù)為37個(gè)月)。UTCSR RL05模型數(shù)據(jù)為處理后的規(guī)格化重力場(chǎng)位系數(shù),最大階數(shù)為60階,該模型已扣除極潮、固體潮、海潮的影響以及大氣、海洋的非潮汐部分影響,并且相較于RL04模型,RL05模型在信噪比方面有顯著提高。

        GRACE對(duì)C20項(xiàng)不敏感,其精度較低,在計(jì)算時(shí)采用SLR的C20值進(jìn)行替換[11]。由于GRACE本身無(wú)法確定地球重力場(chǎng)的一階變化,其一階位系數(shù)為0,為了保持與GPS參考框架的一致性,本文采用Swenson等估算的一階重力位系數(shù)[12]。GRACE衛(wèi)星重力場(chǎng)的高階球諧系數(shù)解主要受噪聲影響,并且重力場(chǎng)球諧系數(shù)的奇偶階存在相關(guān)性,本文采用300 km高斯濾波平滑以及P3M6方法進(jìn)行去相關(guān)處理[13]。

        2.1.3 GLDAS數(shù)據(jù)

        采用全球陸地?cái)?shù)據(jù)同化系統(tǒng)(Global Land Data Assimilation System,GLDAS)Noah水文模型計(jì)算地表垂直負(fù)荷位移。GLDAS Noah水文模型的空間分辨率為0.25°×0.25°,時(shí)間分辨率是3 h,將Noah模型包含的地表4層土壤水(0~200 cm)、雪水當(dāng)量以及冠層蓄水?dāng)?shù)據(jù)綜合得到總的水儲(chǔ)量數(shù)據(jù),并扣除2012-01—2015-12的均值得到水儲(chǔ)量變化值,從而通過(guò)式(3)計(jì)算地表垂直負(fù)荷位移。

        2.2 結(jié)果分析

        圖2為部分GPS站點(diǎn)GPS、GRACE以及GLDAS垂直形變時(shí)間序列,從圖2可以看出,垂直形變具有明顯的周期性特征,從均方根(RMS)、相關(guān)性、周年振幅與初相位4個(gè)方面對(duì)GPS、GRACE以及GLDAS垂直形變時(shí)間序列進(jìn)行定量分析和比較。

        圖2 部分連續(xù)GPS站垂直形變時(shí)間序列

        2.2.1 RMS與相關(guān)性比較

        為了便于GPS、GLDAS與GRACE相比較,按照月時(shí)間分辨率對(duì)GPS和GLDAS分別進(jìn)行了平滑。首先分析了扣除GRACE、GLDAS前后GPS高程RMS減少的百分比,

        RMS(%)=

        RMS(GPS)-RMS(GPS-GRACE/GLDAS)RMS(GPS).

        (5)

        其次,利用皮爾森相關(guān)系數(shù)分別計(jì)算GRACE、GLDAS與GPS垂直時(shí)間序列的相關(guān)性,計(jì)算式:

        (6)

        表1給出各站GPS時(shí)間序列分別扣除GRACE、GLDAS負(fù)荷形變后RMS減少量以及GPS與GRACE、GLDAS時(shí)間序列的相關(guān)系數(shù)結(jié)果。

        由表1可以得出:

        1)除SNTB站點(diǎn)外,其余GPS站點(diǎn)時(shí)間序列扣除GRACE或GLDAS后,其RMS值均減少,兩者的RMS減少平均值分別為11.7%、11.0%,即GPS垂向時(shí)間序列中,11.7%來(lái)源于GRACE水負(fù)荷形變,11.0%來(lái)源于GLDAS水負(fù)荷形變;

        2)由于SNTB站點(diǎn)的GPS垂向時(shí)間序列與GLDAS垂向時(shí)間序列的相關(guān)系數(shù)為0,所以扣除GLDAS后,GPS垂向時(shí)間序列RMS值并沒(méi)有減少反而增加了;

        3)63%的GPS站點(diǎn)與GRACE的相關(guān)系數(shù)大于等于0.5,77%的GPS站點(diǎn)與GLDAS的相關(guān)系數(shù)大于等于0.5;GPS與GRACE、GLDAS的相關(guān)系數(shù)的平均值分別為0.48和0.51。

        2.2.2 周年振幅與初相位比較

        表2為GPS、GRACE以及GLDAS模型所計(jì)算的垂直位移周年信號(hào)的振幅與初相位。

        表1 各站GPS與GRACE及GPS與GLDAS RMS減少量和相關(guān)系數(shù)

        表2 GPS,GRACE及GLDAS模型所計(jì)算的垂直位移周年信號(hào)的振幅與初相位

        由表2可以看出:

        1)對(duì)于振幅而言,大部分臺(tái)站GPS與GRACE的振幅較為接近,而GLDAS模型的振幅與它們二者的差異較大;對(duì)于初相位而言,三者計(jì)算結(jié)果符合的較好,這也同時(shí)驗(yàn)證了GRACE與GLDAS模型的準(zhǔn)確性;GRACE與GPS的初相位之差,有86%站點(diǎn)位于-10°~10°之間,GLDAS與GPS的初相位之差,有68%站點(diǎn)位于-10°~10°之間。

        2)GPS的振幅約為2.5~6.0 mm,站間差異較大;另外,由于GPS觀測(cè)的垂直形變具有全波段信號(hào),因此GPS站點(diǎn)(除SNZB外)的振幅均大于GRACE和GLDAS;SNZB站的GPS振幅比GRACE偏小,主要因素可能與該點(diǎn)本身觀測(cè)資料或數(shù)據(jù)處理有關(guān),具體原因有待進(jìn)一步研究。

        3)由于GRACE空間分辨率較低,所有站點(diǎn)的振幅基本一致,大致在2.0~3.0 mm;GLDAS的振幅最小,大致在0.5~2.0 mm;GLDAS的振幅較GRACE小,主要是由于GLDAS模型不包含地下水?dāng)?shù)據(jù)。

        3 結(jié)束語(yǔ)

        本文通過(guò)對(duì)陜西地區(qū)2012-01—2015-12 GPS,GRACE以及GLDAS陸地水負(fù)荷形變時(shí)間序列分析與比較后發(fā)現(xiàn):

        1)陜西省GPS基準(zhǔn)站的垂向形變時(shí)間序列中,陸地水負(fù)荷形變并不顯著,只有大約11.7%來(lái)源于GRACE垂直負(fù)荷形變,大約11.0%來(lái)源于GLDAS垂直負(fù)荷形變;

        2)GPS與GRACE以及GPS與GLDAS的相關(guān)系數(shù)大于等于0.5的站點(diǎn)比例分別是63%和77%;

        3)對(duì)于振幅而言,GPS的振幅最大,GRACE的振幅其次,GLDAS的振幅最?。粚?duì)于初相位而言,三者計(jì)算結(jié)果符合的較好。

        扣除GRACE后,GPS時(shí)間序列的RMS并未明顯減小,一部分原因是GPS數(shù)據(jù)處理中引入的誤差,例如,基巖的熱脹冷縮、軌道誤差以及大氣潮、非潮汐海潮等模型誤差,另一部分原因是GRACE數(shù)據(jù)處理過(guò)程中的截?cái)嗾`差以及高斯濾波平滑的影響,相信新一代重力衛(wèi)星GRACE-Follow on發(fā)射后,GRACE數(shù)據(jù)誤差的影響將大大減小。

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