馬 敏 陶庭葉 謝廣闊 胡 尚

1 合肥工業(yè)大學(xué)土木與水利工程學(xué)院，合肥市屯溪路193號(hào)，230009

研究臺(tái)風(fēng)過境地區(qū)地表垂向形變對(duì)于臺(tái)風(fēng)預(yù)測(cè)、災(zāi)害評(píng)估、災(zāi)后恢復(fù)等工作具有重要意義[1]。GPS具有高精度、全天候、實(shí)時(shí)性等優(yōu)點(diǎn)，是探測(cè)地表形變的主要技術(shù)手段之一[2]。由于香港地區(qū)的地質(zhì)構(gòu)造運(yùn)動(dòng)并不明顯，且以往的大地測(cè)量技術(shù)觀測(cè)精度較低，因此對(duì)香港地區(qū)地表形變特征的研究較少。袁林果等[3]分析了香港CORS站多年坐標(biāo)序列的季節(jié)性特征，但沒有對(duì)該地區(qū)臺(tái)風(fēng)天氣期間的地表形變進(jìn)行研究。本文基于臺(tái)風(fēng)“山竹”發(fā)生前、中、后期香港地區(qū)18個(gè)CORS站的觀測(cè)數(shù)據(jù)，利用GPS與國(guó)際質(zhì)量負(fù)荷服務(wù)(international mass loading service，IMLS)的數(shù)據(jù)產(chǎn)品計(jì)算地表負(fù)荷形變，揭示臺(tái)風(fēng)期間香港地區(qū)的地表垂直形變特征。

1 數(shù)據(jù)與方法

1.1 GNSS數(shù)據(jù)處理

本文使用的數(shù)據(jù)包括2018-09-09～23臺(tái)風(fēng)“山竹”過境期間香港地區(qū)18個(gè)CORS站(圖1，未使用數(shù)據(jù)嚴(yán)重缺失的HKFN站)的觀測(cè)文件、周邊10個(gè)IGS站(LHAZ、BJFS、SHAO、USUD、IISC、KMNM、URUM、TNML、TCMS、PBRI)數(shù)據(jù)文件、星歷文件以及模型文件。從SatRef FTP server(ftp:∥ftp.geodetic.gov.hk/rinex2/)下載由RNXCMP software壓縮的按天存儲(chǔ)的30 s采樣率Hanataka-compressed RINEX 2 Format觀測(cè)值數(shù)據(jù)，從IGS的分析中心或全球數(shù)據(jù)中心獲取IGS站數(shù)據(jù)文件、星歷文件及鐘差文件。

圖1 香港CORS站分布Fig.1 Distribution of CORS stations in Hong Kong

利用GAMIT解算HKCORS及IGS站的觀測(cè)數(shù)據(jù)，得到單日松弛解，數(shù)據(jù)解算策略如表1所示。使用GLOBK對(duì)GAMIT的基線結(jié)果進(jìn)行網(wǎng)平差處理：1)將下載的SPOAC全球h文件IGS1-7松弛解與HKCORS單日松弛解合并，設(shè)置解方案中估計(jì)和協(xié)方差矩陣的相對(duì)權(quán)重為1.0；2)以IGS站在ITRF2014框架下的坐標(biāo)和速度為基準(zhǔn)，解算出HKCORS的坐標(biāo)時(shí)間序列，如圖2所示。

表1 數(shù)據(jù)處理策略Tab.1 Data processing strategy

圖2 香港CORS站垂向位移時(shí)間序列Fig.2 Vertical displacement time series of CORS stations in Hong Kong

臺(tái)風(fēng)“山竹”于2018-09-16 17:00在廣東臺(tái)山登陸，同日13：00與香港的垂線距離最近，隨后向西離去。由圖2可見，隨著臺(tái)風(fēng)逐漸逼近，地表開始出現(xiàn)下沉和異常波動(dòng)；多數(shù)CORS站在17日左右出現(xiàn)明顯下沉，其中，HKCL站的垂直形變高達(dá)-15.62 mm；隨著臺(tái)風(fēng)的離開，地表逐漸抬升至正常值。位于香港西南側(cè)距離臺(tái)風(fēng)近的CORS站如HKCL、HKKT、HKOH的最大垂直形變分別為-15.62 mm、-8.11 mm、-2.20 mm；距離臺(tái)風(fēng)較遠(yuǎn)的香港東部、北部的CORS站小幅下沉，如HKWS、T430的垂直形變分別為-2.27 mm、-2.60 mm。

1.2 環(huán)境負(fù)荷數(shù)據(jù)

臺(tái)風(fēng)導(dǎo)致的地表形變主要由3個(gè)方面組成：1)非潮汐大氣負(fù)荷變化；2)非潮汐海洋負(fù)荷變化；3)水文負(fù)荷變化[4]。本文使用的3種負(fù)荷形變模型數(shù)據(jù)由IMLS提供，研究時(shí)段為2018-09-09～23，產(chǎn)品信息如表2所示。

表2 數(shù)據(jù)產(chǎn)品信息Tab.2 Data product information

圖3～5為環(huán)境負(fù)荷因素的影響趨勢(shì)，研究時(shí)段為2018-09-12～20。由圖可見，9 d內(nèi)非潮汐大氣負(fù)荷導(dǎo)致的垂直形變表現(xiàn)為下降-持續(xù)大幅上升-持續(xù)大幅下降，16日達(dá)到最高值，17日回落，至20日都在正常范圍內(nèi)波動(dòng)。相比于大氣負(fù)荷，非潮汐海洋負(fù)荷導(dǎo)致的垂直形變波動(dòng)不顯著，總體表現(xiàn)為先小幅增長(zhǎng)后回落，回落后區(qū)域垂直位移低于12～14日臺(tái)風(fēng)來臨前。由于16～18日的地表下沉受到臺(tái)風(fēng)的滯后影響[5]，水文負(fù)荷變化導(dǎo)致的垂直形變表現(xiàn)為下降-大幅下降-上升，18～20日回歸正常值。

圖3 ATM垂直形變Fig.3 Vertical deformation of ATM

圖4 LWS垂直形變Fig.4 Vertical deformation of LWS

圖5 NTO垂直形變Fig.5 Vertical deformation of LWS

2 結(jié)果與分析

2.1 非潮汐大氣負(fù)荷對(duì)地表垂直形變的影響

非潮汐大氣負(fù)荷主要通過2個(gè)途徑對(duì)地表垂直形變產(chǎn)生影響：1)垂直大氣柱對(duì)陸地的直接擠壓作用；2)間接作用于海洋，影響海面高度，進(jìn)而影響地表變化[6]。

圖6為2018-09-09～23 CORS站的非潮汐大氣負(fù)荷垂直形變圖。由圖可見，氣壓變化趨勢(shì)與大氣負(fù)荷垂直形變趨勢(shì)相反。9～15日，臺(tái)風(fēng)距離香港較遠(yuǎn)，各站大氣負(fù)荷形變均值為0.27 mm，16日08：00風(fēng)速達(dá)到最大(約50 m/s)。隨著風(fēng)速逐漸增強(qiáng)并且與香港的垂直距離越來越近，非潮汐大氣負(fù)荷使地表逐漸抬升，并在16日達(dá)到最大值，該時(shí)段內(nèi)各站形變均值為2.73 mm，其中T430站形變值達(dá)3.10 mm，形變值最小的站為HKOH(2.46 mm)。臺(tái)風(fēng)于16日13：00距香港最近，之后離去，大氣負(fù)荷達(dá)到最大值后臺(tái)風(fēng)繼續(xù)向西移動(dòng)；16日20：00強(qiáng)臺(tái)風(fēng)轉(zhuǎn)為臺(tái)風(fēng)，風(fēng)速減弱。隨后地表形變開始顯著下降，18日略微抬升至正常值后在一定范圍內(nèi)波動(dòng)，17～23日各站形變均值為-0.57 mm。

圖6 CORS站ATM垂直形變Fig.6 ATM vertical deformation of CORS stations

2.2 非潮汐海洋負(fù)荷對(duì)地表垂直形變的影響

圖7為2018-09-09～23 CORS站的非潮汐海洋負(fù)荷垂向形變情況。由圖可見，非潮汐海洋負(fù)荷垂直位移的時(shí)間序列總體上表現(xiàn)為先平穩(wěn)緩慢上升，隨后驟減，最后恢復(fù)平穩(wěn)緩慢上升趨勢(shì)。數(shù)據(jù)顯示，各站在14～17日的負(fù)荷形變均值分別為0.06 mm、0.15 mm、0.11 mm、-0.03 mm，15日達(dá)到峰值后，16日開始回落，17日左右達(dá)到最低值。由此可見，非潮汐大氣負(fù)荷和非潮汐海洋負(fù)荷對(duì)地表位移產(chǎn)生相反影響，前者對(duì)地表起到抬升作用，后者則起到壓制作用。這也驗(yàn)證了Mémin等[7]提出的海面升高造成地表沉降、氣壓降低造成地表隆起的結(jié)論。

圖7 CORS站LWS垂直形變Fig.7 LWS vertical deformation of CORS stations

2.3 水文負(fù)荷對(duì)地表垂直形變的影響

圖8為2018-09-09～23 CORS站的水文負(fù)荷垂直形變情況。由圖可見，9～15日強(qiáng)臺(tái)風(fēng)距離研究區(qū)較遠(yuǎn)，尚未對(duì)該地區(qū)產(chǎn)生影響。強(qiáng)臺(tái)風(fēng)逐漸靠近的過程中，強(qiáng)降雨導(dǎo)致的水文負(fù)荷急劇增加，使地表迅速顯著下沉，16日所有測(cè)站地表垂直位移均達(dá)到最低點(diǎn)，平均形變值為-4.08 mm。形變值最大的站為HKLM(-4.54 mm)，形變值最小的站為HKTK(-3.09 mm)。強(qiáng)臺(tái)風(fēng)帶來的降雨是高強(qiáng)度且短暫的，隨著臺(tái)風(fēng)向西運(yùn)動(dòng)，區(qū)域內(nèi)降雨大規(guī)模減少，且在城市的雨水直排、滲濾、管道收集排放系統(tǒng)的共同作用下，地表迅速抬升。17日各測(cè)站負(fù)荷形變均值已恢復(fù)至-0.03 mm。

圖8 CORS站NTO垂直形變Fig.8 NTO vertical deformation of CORS stations

2.4 環(huán)境負(fù)荷總形變分析

將3種負(fù)荷形變加入到環(huán)境負(fù)荷總形變量的坐標(biāo)時(shí)間序列中(圖9)。由圖可見，16日臺(tái)風(fēng)距香港垂直距離最近時(shí)，環(huán)境總負(fù)荷出現(xiàn)異常下降，其中HKOH站的垂直形變達(dá)-1.73 mm。距離臺(tái)風(fēng)較近的CORS站受影響更大，如HKCL、HKMW、HKOH、HKLM等，垂直形變分別為-1.40 mm、-1.53 mm、-1.73 mm、-1.72 mm；距離臺(tái)風(fēng)較遠(yuǎn)的HKTK與T430站則各自下沉-0.18 mm、-0.76 mm，受波及程度較小。

圖9 CORS站總垂直形變Fig.9 Total vertical deformation of CORS stations

綜合GAMIT的解算結(jié)果與環(huán)境負(fù)荷數(shù)據(jù)可知，兩者在地表垂直形變趨勢(shì)上較為一致，但在數(shù)值上存在差異，主要原因?yàn)椋?)GPS計(jì)算的短時(shí)間內(nèi)地表垂向位移包含溫度、緯度、解算誤差等影響因素；2)由于缺少地表水、地下水等相關(guān)信息，模型模擬各種因素對(duì)地表水、地下水的影響時(shí)存在較大誤差。

3 結(jié) 語

1)環(huán)境負(fù)荷形變數(shù)據(jù)表明，2018-09-16香港地區(qū)地表下沉至最低點(diǎn)，此時(shí)臺(tái)風(fēng)距香港垂直距離最短；隨后臺(tái)風(fēng)離開，地表逐漸回升至正常值。GPS數(shù)據(jù)顯示，絕大多數(shù)CORS站在2018-09-17左右出現(xiàn)明顯下沉。

2)相較于非潮汐海洋負(fù)荷，非潮汐大氣負(fù)荷引起的地表垂直位移更大，且兩者對(duì)地表形變的影響趨勢(shì)相反。

3)距離臺(tái)風(fēng)較近的CORS站比距離臺(tái)風(fēng)較遠(yuǎn)的CORS站的沉降程度更大。

4)GPS解算的結(jié)果與環(huán)境負(fù)荷模型解算的結(jié)果在趨勢(shì)上呈現(xiàn)出較高的一致性，但在數(shù)值上存在差異。