利用GRACE卫星重力资料解算气候驱动的地表周年垂直形变

卫星重力和GPS测量技术可以监测地表流体(大气、海洋和陆地水)质量季节性迁移引起的地表周年形变;与陆地水等地表流体模型综合模拟的地表形变相比,卫星重力的形变监测结果避免了模型的精度不确定性带来的误差.本文利用前60阶GRACE卫星时变重力资料和“去相关”、组合滤波两类滤波方法分别解算了中国及邻区的地表季节性垂直形变,并与区内42个GPS台站上观测到的季节性信号进行了比较,发现采用“去相关”滤波方法处理后的结果优于采用组合滤波处理后的结果.文中采用“去相关”滤波方法,GRACE解算的周年垂直形变的振幅、相位和GPS结果总体上一致;少数站上GRACE和GPS得到的振幅或相位相差较大,主要因素可能与GPS解算策略、GPS观测资料的连续性或局部大气、水文过程等地球物理因素有关.在中国及邻区的陆地上GRACE解算的周年垂直形变的振幅最小值出现在TASH台站东南,约1×10^-3 m;最大值出现在恒河-澜沧江流域,可达10×10^-3 m.文中的结果证实了在中国及邻区可以用GRACE卫星重力这种新手段监测大尺度的地表周年垂直形变.     

地壳形变与地震前兆探索回顾和展望

本文回顾了我国地震预报中地壳形变观测技术、 数据处理方法和软件及地壳形变前兆观测研究进展。 1966年邢台地震后, 我国地震预报工作经历了难得的成功、 更多惨痛失败和“地震不可预报论”等干扰, 发展曲折。 尽管2008年汶川和2011年东日本大地震预报失败,但这两次和其他大地震前后GPS和其他观测得到的地壳形变表明, 大地震是有前兆的, 是可以预报的。 比较了我国地震预报所采用的主要的地形变观测技术和分析方法, 讨论了观测和数据处理方法的特点, 简要介绍了地壳形变地震前兆新近的研究结果, 重点阐述了GPS观测技术多方面的优势。 事实证明, GPS观测得到的汶川大地震前的形变异常或前兆, 是我国地壳形变观测与地震前兆探索最突出的成果。     

阿拉木图预报试验场地震的形变前兆

地壳形变的研究在评估地震危险性和地震预报中具有重要的作用。哈萨克斯坦阿拉木图地震预报试验场地壳形变观测包括大地测量、GPS卫星观测、光测距仪、形变仪和倾斜。大地测量和卫星测量形变值为10-4～10-5单位，光测距形变为10-7单位，形变计达10-8单位。根据大地测量资料，预测卡什切克、契里克和扎拉纳什—丘普三个地区有地震危险。此地区地表垂直运动速度与过去比较现在达到了最大值，约5mm／a，而通常为2～3mm／a。1992～1995年GPS卫星测量资料也证实伊塞克湖南部的水平和垂直形变增高。根据土尔根站和伊日维什特科维依站形变观测资料的谱分析结构认为，形变值的周期成分既反映了外在因素（气压、气温、降水）又反映了内在作用的异常变化。1978年3月25日扎拉纳什—丘普地震时各条测线形变就出现异常高值。前兆异常可达10－5单位，震中距超过50km。异常时间表现在震前1个月内。     

基于方差分量估计的多源InSAR数据自适应融合形变测量

近年来,合成孔径雷达干涉测量(Interferometric Synthetic Aperture Radar,InSAR)技术在地面沉降监测方面展现了巨大的应用潜力,但受其重访周期和一维形变测量能力的限制,仅利用单一轨道卫星观测数据很难揭示真实的地表形变特征及其演化规律.随着在轨运行的SAR卫星系统不断增加,使得融合相同时间段内覆盖同一区域的多源多轨道InSAR数据成为可能.然而目前普遍采用的多源InSAR数据融合方法均为针对大尺度形变监测设计,或者忽略南北向形变甚至水平形变,容易造成误判.为此,本文对经典小基线集(Small Baseline Subset, SBAS)时序InSAR分析方法进行改进,在其形变反演模型中加入东西向和南北向形变参数,采用方差分量估计方法解算多源观测数据验后方差,通过迭代精化确定权重矩阵,从而获得形变参数的最优估值.使用美国南加州地区的ALOS PALSAR和ENVISAT ASAR数据开展实验,利用南加州综合GPS网(SCIGN)位于研究区域内的9个站点观测数据进行验证,结果表明本文方法得到的融合形变测量结果在垂直向上能够准确反映地表形变波动,周期性与GPS观测比较一致;同时,融合得到的三维形变场显示南加州洛杉矶地区存在不可忽略的水平形变,东西向形变测量精度略高于南北向.因此,基于方差分量估计的多源InSAR融合方法在提高形变测量时间序列连续性的同时,能够更准确地反演研究区域三维形变特征.     

GPS与PS-InSAR联网监测的台湾屏东地区三维地表形变场

联合高精度的GPS水平位移观测和高密度的PS-InSAR雷达视线位移测量,实现地表三维形变的精确反演.本文在准确计算卫星轨道方位角基础上,使用GPS观测位移与星载雷达LOS方向形变的投影转换模型,将雷达LOS方向形变转换为垂直方向位移,并基于地面GPS与SAR影像PS目标联合构建形变监测网,采用参数平差算法估计区域地表形变场.以地质构造活动极其活跃的台湾岛及其西南屏东高雄地区为例,联合屏东地区48个GPS监测台站与雷达PS目标,监测该地区从1995-1999年间由于板块构造挤压运动和地下水抽取导致的三维地表形变.结果表明,该地区年均水平位移量为向西30~50 mm/a,高雄沿海地区发生明显的逆时针西偏南的逐渐增大的水平位移;垂直位移为屏东平原南部呈现-10 mm/a~-15 mm/a的地面沉降,而平原北部和高雄地区呈现约+5 mm/a~+10 mm/a的地面抬升.     

2001年MW7.8昆仑山地震震后形变观测、机制与青藏高原中北部岩石圈流变:认识与挑战

2001年M_W7.8昆仑山地震是近半个世纪以来青藏高原发生的最大震级地震。同震破裂产生的巨大应力扰动驱动控制着显著震后形变。二十年尺度的大地测量数据记录了地震后长时间、大范围、时空依赖的震后形变演化过程及差异,揭示了昆仑山地震破裂段复杂的断层分段震后运动学特征、分段摩擦性质差异和青藏高原中北部岩石圈流变性质/结构横向各向异性。本文简要回顾昆仑山地震后基于二十年尺度时序InSAR和GPS的震后形变观测方法和时空特征,特别是时空密集的InSAR观测,是该构造区震后GPS观测的重要补充及其不可替代的观测手段;总结大范围震后形变模拟方法及其揭示的震后运动过程、多种动力学机制及其关系。最后总结提出昆仑山地震震后形变20年研究取得的科学认识及尚待深入研究的科学问题,一方面要持续性地对东昆仑断裂带大范围地表形变进行观测研究;另一方面,要不断更新震后形变模型,进一步深化对该断裂带地震周期形变、区域构造对周期形变控制作用、复杂断层运动时空演化机制的认识。      

GPS技术监测地壳运动的新进展

回顾了GPS观测技术应用于地壳运动与形变中的相关理论与方法,重点介绍了水平应变的计算方法与描述地壳运动与形变场的各种数学物理方法,讨论了提取地壳运动与形变信息过程中存在的问题.     

非构造形变对GPS连续站位置时间序列的影响和修正

GPS观测得到的地壳形变场通常包含有构造形变与非构造形变二类信息, 去除其中的非构造形变信息对于有效运用GPS数据研究构造形变场至关重要. 本文运用国际卫星对地观测资料及各类地球物理模型, 定量计算海潮、大气、积雪和土壤水、海洋非潮汐4项负荷效应造成的地壳非构造形变, 并以此研究和修正这些非构造形变对中国地壳运动观测网络GPS基准站位置时间序列的影响. 研究发现此4项负荷效应, 特别是大气、积雪和土壤水, 对于测站垂向位置的影响显著. 通过模型改正可以使测站垂向位置的RMS降低～1 mm, 占其总量的～11％. 对于垂向时间序列的周年项部分, 这一改正可降低其振幅的37％. 研究还表明经过地球物理模型改正和周年、半周年谐波拟合改正的时间序列比起仅经过周年、半周年谐波拟合改正的时间序列更为平滑, 表明地球物理模型改正对于消除非构造形变场的作用不是周年、半周年谐波拟合改正所能替代的.     

大陆构造形变场模型研究及其在青藏高原东缘的应用

大陆内部形变及其动力学机制是地学领域的重要研究方向和热点问题,多年来存在很多争论。大陆构造形变场模型研究对于大陆内部形变及其动力学机制的认识具有重要作用。随着对大陆形变机制认识的不断深化和观测数据的增加,大陆构造形变场模型研究得到了长足的进展;与此同时,大地测量技术特别是GPS技术的快速发展,     

昌平台钻孔应变观测资料的可靠性研究

将钻孔应变观测(BSM)和卫星全球定位系统(GPS)观测结合起来，能基本覆盖地壳形变的时间和空间波段。钻孔应变仪是揭示中短期(从数秒到数月)连续变形的仪器，因而在对地震爆发之时和之前现象的观测中，将扮演主要角色。     

温度变化对我国GPS台站垂直位移的影响

地表温度变化可以引起GPS台站上安装GPS天线的地表水泥墩内部温度变化,还可以通过热传导的方式引起GPS台站基岩温度变化,从而引起GPS台站垂直位移变化.在中国区域,由GPS台站基岩温度变化引起GPS台站垂直位移变化的周年振幅最大可以达到1 mm;在长江以北地区,此周年振幅一般大于0.5 mm.在我国地壳运动观测网络中的23个GPS基准站中,温度变化对GPS台站垂直位移总影响的周年振幅最大值为2.8 mm,其中13个GPS基准站垂直位移的周年振幅变化大于1 mm.因此,温度变化是引起GPS台站垂直位移周年变化的一个不可忽视因素.     

应用GPS/重力数据确定(似)大地水准面

作为GPS/重力边值问题理论及方法的应用,本文在对GPS/重力方法确定（似）大地水准面的原理进行简要介绍与分析的基础上,利用收集到的N区的702个GPS重力数据以及52个高精度的GPS水准数据,计算出该区域的似大地水准面. 通过拟合法和系统差直接改正法进行的精度分析表明,应用GPS/水准方法确定的该地区似大地水准面的精度达到厘米级.     

GPS垂直分量与温度、气压的相关性分析及影响机制探讨

选取新疆9个GPS观测站数据和所在地区的气温、 气压数据, 运用相关和回归分析方法进行研究, 并探讨了温度、 气压对GPS垂直分量影响的物理机制。 研究结果表明: ① GPS垂直分量周期近似为1 a的变化为气温的影响; ② 气压对GPS垂直分量的影响基本是同步的, 主要表现为短周期的震荡; ③ GPS周年振幅随着纬度的升高而增大的原因是年温差随纬度的升高而增大。     

2011年日本东北地区太平洋近海地震对亚洲板块及韩国大地控制网的影响分析

本研究分析了2011年3月11日发生的M_w9.0日本东北地区太平洋近海地震对亚洲地区和韩国国内GPS卫星常年跟踪站的位移影响.为此,利用了日本东北地区太平洋近海地震发生前后两周(2011年3月4日到3月18日)的GPS站点数据,包括震中附近地区(韩国,中国,中国台湾地区,日本和俄罗斯)55个GPS卫星常年跟踪站和284个IGS 全球跟踪站,并采用GAMIT/GLOBK软件进行处理和平差,估算出所有GPS站点的同震形变.结果显示,日本东北地区太平洋近海地震引起的同震形变影响在亚洲地区比较明显,包括日本和附近国家,距离震中2702 km的中国武汉(WUHN)站也观测到同震形变.为精确分析日本东北地区太平洋近海地震对韩国国家大地控制网的影响,通过GAMIT/GLOBK软件计算出韩国GPS卫星常年跟踪站之间的基线长度变形,并分析出弹性变形量.结果表明:大部分GPS站点均向震中方向膨胀,且向震中的垂直方向收缩.由日本东北地区太平洋近海地震导致的最大剪应变达到韩国国家大地控制网年均变形率的约7倍,对韩国的地壳产生14.5~57.7 mm的水平位移,并导致韩国国家大地控制网产生弹性变形.因此,在不及时更新维护韩国国家大地控制网的情况下,GPS测量成果将会发生最大20 mm的位置误差.     

应用Bjerhammar方法确定GPS重力似大地水准面

GPS技术的发展提出了新的大地边值问题——GPS重力边值问题.本文将Bjerhammar方法应用于GPS重力问题的求解,并在给出理论公式的基础上,针对实际计算中虚拟场元的分布和求解、虚拟球半径的确定及奇异积分等问题提出了具体的解决方案.文中通过比例因子k在虚拟球半径和GPS重力数据密度间建立起联系,并推导出其近似值.在...     

Crustal motion of Chinese mainland monitored by GPS

To measure and monitor the crustal motion in China, a GPS network has been established with an average side length of 1 000 km and with more than 20 points on the margins of each major tectonic block and fault zone in China. Three campaigns were carried out in 1992,1994 and 1996, respectively by this network. Here we present, for the first time, the horizontal displacement rates of 22 GPS monitoring stations distributed over the whole China and global IGS stations surrounding China, based on these GPS repeated measurements. From these results by GPS, we have obtained the sketch of crustal motion in China.     

滇西地区GPS时间序列中陆地水载荷形变干扰的GRACE分辨与剔除

利用“中国大陆构造环境监测网络”在云南西部地区的13个连续GPS观测站和法国空间大地测量研究组Space Geodesy Research Group）的GRACE时变重力场资料,定量分析了该区域陆地水载荷所产生的非构造形变的量值和变化特点,探讨了利用GRACE分辨和剔除GPS观测中陆地水负荷所引起的非构造形变干扰的依据和模型.结果表明：滇西地区GPS坐标变化时间序列的垂向分量中,普遍包含有明显的年周期非构造形变波动,高值可达12mm,其中约42%源于陆地水迁徙变化所引起的负荷形变;通过主成份分析方法所获取的区域GPS共模误差与GRACE陆地水载荷形变序列的相关性高达0.87,若以GRACE扣除陆地水负荷形变,则滇西地区GPS网共模误差可消除约64%,且物理机制明确.然而,由于目前的GRACE只能有效分辨大约400km范围内陆地水载荷的整体变化,所以对于各GPS站点更加局部化的陆地水负荷非构造形变干扰,尚无法进行有效分辨.     

GPS资料反映的日本东北MW9.0地震的孕震特征

在对海洋板块俯冲型地震孕震模式的分阶段变形特征进行分析的基础上,结合同震位错反演结果分析了M_W9.0级地震的同震变形特征,分析过程中通过精度检验讨论了该反演结果的可靠性.通过对震前和同震GPS结果的对比分析,讨论了二者的差异性.GPS应变(率)结果表明,震前日本岛应变积累主要反映了太平洋板块和菲律宾板块的俯冲作用,同震结果表现为指向震源方向拉张应变的释放,对日本岛的主要影响区域介于35°N和43°N之间.震前和同震GPS剖面结果反映的变形特征具有互补性,但量值相差上百倍.震前的GPS速度、应变率剖面和时间序列结果表明靠近日本岛东海岸一侧可能存在变形趋于极限现象.通过对此次地震可能前兆的分析表明,中长期预测方面、震前GPS时间序列的趋势性偏离、前震活动、震源区b值降低等现象在一定程度上反映了此次地震的孕震特征.     

福建GPS观测在地震中的应用

福建省地震局GPS观测技术应用于1992年开始,起步早,发展快。本文阐述了福建省地震局在“九五”、“十五”期间以GPS观测技术为主的福建地壳运动观测网络的建设历程,重点对“十一五”期间正在进行的“福建省GNSS连续观测台网”项目进行了介绍。由于所处地理位置独特,福建GPS观测在地震研究中得到了广泛的应用。本文对福建GPS观测在地震应用中已经取得的成果进行了简述,并利用福建地壳运动观测网络的观测资料,分析了汶川8．0级地震对福建区域应力场的影响。“十一五”结束后,福建GNSS连续观测站达到41个,将成为我国大陆GNSS连续观测站最多、密度最大的省份之一,这将有力地推动地球科学创新和地震预报攻关。     

GPS归心盘的一种新设计

分析了GPS测点的现状,论述了进行GPS归心盘优化设计的必要性及新设计GPS归心盘的主要特点,简要叙述了GPS归心盘在重庆市GPS建设中的应用情况及良好效果,为今后的高精度GPS建设提供了一种方法经验。