武曙光

海軍工程大學(xué)電氣工程學(xué)院,湖北 武漢 430033

中國大陸構(gòu)造環(huán)境監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)(CMONOC)是我國“十一五”規(guī)劃重大科技基礎(chǔ)設(shè)施。自1999年3月試運(yùn)行至今,已經(jīng)積累了20余年高質(zhì)量的GNSS觀測數(shù)據(jù),綜合利用現(xiàn)有多方面的大地測量資料,充分開展地球科學(xué)研究是當(dāng)前面臨的一項(xiàng)重要任務(wù)。論文圍繞CMONOC測站坐標(biāo)時(shí)間序列的非線性形變,評估了地表環(huán)境負(fù)載的影響效果,系統(tǒng)分析了CMONOC-Ⅰ時(shí)間序列的確定性模型和隨機(jī)模型,提出了一種用于識別區(qū)域異常位移信號的周年相位約束聚類算法(PACA),并聯(lián)合GPS、GRACE、地表負(fù)載模型(SLM)等技術(shù)手段探測了西南地區(qū)CMONOC測站的地表形變特征。主要內(nèi)容如下。

(1) 定量評估了不同地表負(fù)載模型的改正效果差異,對全球633個(gè)GPS測站高程時(shí)間序列與GFZ、EOST兩家機(jī)構(gòu)提供的環(huán)境負(fù)載產(chǎn)品的周年信號特征進(jìn)行了研究。探測了環(huán)境負(fù)載改正后GPS高程時(shí)間序列的RMS減小率、周年振幅和相位的變化特征。結(jié)果表明,環(huán)境負(fù)載改正對全球大多數(shù)GPS測站的非線性形變具有積極的修正效果。經(jīng)過GFZ、EOST環(huán)境負(fù)載改正,全球分別有82.6%、87.4%的測站高程時(shí)間序列的RMS降低,RMS減小率在全球測站的均值分別為10.6%和15.4%,地表環(huán)境負(fù)載可以解釋約40%的GPS周年振幅。GPS高程時(shí)間序列與環(huán)境負(fù)載序列的周年相位差異是影響RMS減小率和周年振幅減小率的重要原因。

(2) 針對27個(gè)CMONOC-Ⅰ測站最近20年的坐標(biāo)時(shí)間序列,建立了確定性模型和隨機(jī)模型以及GFZ環(huán)境負(fù)載位移序列對測站坐標(biāo)時(shí)間序列的影響。結(jié)果表明,GFZ環(huán)境負(fù)載序列能夠合理解釋CMONOC-Ⅰ測站垂向分量的非線性形變,卻無法有效解釋水平分量的周年變化。經(jīng)過GFZ環(huán)境負(fù)載改正,63.0%坐標(biāo)分量的速度值減小,而速度不確定度卻有增大的趨勢。14.8%坐標(biāo)分量的最優(yōu)噪聲模型發(fā)生了變化,且WN+FN和WN+PL是兩種最主要的噪聲模型。測站速度不確定度與所在地年均降雨量和緯度存在一定線性關(guān)系,且與后者的線性關(guān)系更強(qiáng)。

(3) 提出一種周年相位約束聚類算法(PACA),用于提取GPS測站到不同相似度等級的聚類之中,并以聚類內(nèi)部測站平均年度位移信號反映區(qū)域地表公共形變特征。測站GPS周年相位作為新的約束條件有助于強(qiáng)化聚類過程,使得聚類內(nèi)部測站的年度位移信號的一致性增強(qiáng)。結(jié)果表明,PACA算法提高了聚類內(nèi)部測站的平均年度位移信號反映區(qū)域地表形變的代表性和準(zhǔn)確性。對于243個(gè)CMONOC測站,通過PACA算法得到了47個(gè)不同相似度等級的聚類,選取了內(nèi)部測站的年度信號符合程度較高的25個(gè)聚類,以其平均年度信號作為區(qū)域內(nèi)的年度地表形變,描述了中國大陸各區(qū)域的地表變形特征。除了有效劃分聚類,PACA算法也在尋找穩(wěn)定的、不包含區(qū)域異常信號的CMONOC測站方面發(fā)揮了重要的作用。

(4) 將PACA算法應(yīng)用于西南四省的58個(gè)CMONOC測站,并聯(lián)合多種技術(shù)手段(GPS、GRACE、SLM)深入探究西南地區(qū)的地表形變特征。分析表明,各聚類內(nèi)部測站的年度位移信號具有較強(qiáng)的一致性,而在聚類之間則表現(xiàn)出明顯差異,驗(yàn)證了PACA算法有助于精細(xì)地描述復(fù)雜地區(qū)的地表形變特征,同時(shí)對于提高GPS技術(shù)與其他技術(shù)聯(lián)合探測地表形變的一致性效果顯著。重點(diǎn)分析了位于四川盆地的一個(gè)聚類,結(jié)果表明,三峽庫區(qū)范圍內(nèi)的臨江CMONOC測站的垂向位移與庫區(qū)水位呈顯著的相關(guān)關(guān)系,三峽大壩對其上、下游的測站年度信號的一致性產(chǎn)生了影響。