利用GPS和水文负载模型研究云南地区垂向季节性波动变化和构造变形

去除GPS垂向位移中水文负载引起的非构造形变是获取云南地区地壳构造运动垂向成分的必要过程.本文利用云南地区在2011年1月—2020年9月间观测的27个GPS连续站数据和0.5°×0.5°的格网全球地表流量模型(Land Surface Discharge Model,LSDM)得到的水文负载形变数据,详细分析了 GPS垂向位移与LSDM形变的定量关系和变化特点,并使用小波分析来研究两者在时频空间下的周期特性,研究结果表明:27个连续站的GPS垂向位移和LSDM形变的平均相关系数为0.59,若从GPS垂向位移中去除LSDM形变,可使均方根(Root Mean Squares,RMS)减少量平均为17.13％.小波分析结果表明,大部分连续站的GPS垂向位移与LSDM形变的年周期变化是物理相关的,水文负载形变是引起GPS年周期变化的主要原因,部分连续站(YNWS,KMIN,YNMZ,YNHZ,YNML,YNTH,YNDC和YNJP)的GPS年周期变化是其他因素(如其他地球物理因素、LSDM模型误差)和水文负载形变共同作用导致的.对于异常的YNGM连续站,地下水的变化、LSDM和GPS解算的系统误差可能是造成GPS垂向位移与LSDM形变相关性和一致性较差的主要原因.使用水文负载模型和共模误差对GPS垂向位移中非构造形变改正后,2011-2020年云南地区垂向速度场显示滇西南块体主要以0.01～1.9 mm·a-1的速率沉降,川滇块体南部主要以0.13～2 mm·a-1速率抬升.     

利用GPS与环境负荷形变数据研究台风引起的垂向地表位移

台风造成的强降雨、低气压、海面高度变化均会引起地表的形变.本文利用中国大陆构造环境监测网(陆态网)7个GPS台站每日的垂向位移和环境负荷形变模型分析2018年9月10—26日台风"山竹"期间不同负荷引起的区域垂向地表形变.结果表明,台风期间大气负荷和非潮汐海洋负荷垂向形变最大分别达到5.1 mm和-9.2 mm.模型能较好地反映河流区域地表水文负荷变化造成的垂向形变,但不同模型之间存在系统偏差.由于缺少地下水等信息,模型反映负荷长期形变效应的效果不佳,且形变的量级明显小于GPS观测的结果.迅速增加的水文负荷使北海GPS站从开始下沉到最低点(-15.6 mm)5天的下沉量达到25.7 mm;珠海、广州GPS站均观测到河流汇水作用造成地表的二次下沉,且珠海站一周后才抬升到正常位置;湛江和北海GPS站能较好地反映河流水位变化,相关系数分别为-0.66和-0.50.研究结果表明,相比于形变模型,GPS能更有效地监测台风短期水文负荷形变,可为台风洪水等灾害监测与预报提供有用的信息.     

基于GPS观测的地壳垂向季节性运动研究进展

介绍了基于GPS观测获取的地壳垂向季节性运动组成及相应的分析方法,阐述了地壳季节性运动在GPS流动垂向季节性修正、区域负荷质量变化监测、应力扰动与地震活动性的季节性变化分析、区域地壳结构反演等方面的应用研究进展,认为利用GPS观测研究地壳季节性运动的应用正向多手段、多学科融合发展,但需进一步完善数据处理模型(策略)、削弱解算结果中的误差,且各区域的地壳季节性运动机理值得深入分析。     

香港GPS基准站坐标序列特征分析

利用香港GPS连续运行参考站网络2001年1月至2007年8月的观测资料,全面深入地分析了12个基准站坐标序列特征.本文采用主成分空间滤波算法去除公共误差,来提高坐标序列的信噪比,并采用最大似然估计准则定量估计滤波后坐标序列的噪声特性,计算了地球表面质量负荷（包括大气、非潮汐海洋、积雪和土壤水）对香港GPS基准站坐标序列的影响.研究结果表明：香港GPS基准站坐标序列具有高度的空间相关性,其公共误差具有较强的季节性变化特征;地表质量负荷变化引起的香港地壳形变可以解释公共误差序列中约为3mm的垂向周年变化,经过质量负荷改正后的公共误差序列与高阶电离层误差高度相关;滤波后坐标序列的噪声特性可以用可变白噪声加闪烁噪声模型来描述,顾及闪烁噪声所计算的速度误差要比只考虑可变白噪声计算的速度误差大2~6倍;基准站间存在达1.5 mm/yr的相对水平运动,揭示香港地区存在活动断层;部分基准站坐标具有明显的振幅为1～2 mm本地季节性变化,所有测站的残差序列也表现出强烈的季节性变化.     

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.     

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.     

联合GRACE和GPS解译加州地下水储量变化

本文基于2002年04月—2016年08月共156月的GRACE时变重力场模型与地表水文模型,采用组合滤波与尺度因子法获取加州地下水储量变化,并联合EMD分解后的GPS测站垂向时间序列进行分析.结果显示:基于Swenson去相关与250 km高斯平滑半径组合滤波的GRACE地下水反演结果和GPS垂向时间序列季节性变化结果较好,与降水资料季节性变化特征明显,2002-2016年年均等效水高变化-9.4±2.1 mm/a.GPS测站垂向时间序列与附近水井相关性较好.通过深入分析发现地下水亏损是造成地表沉降的主要原因,且降水能够有效缓解以农业灌溉为主的地下水抽取.     

利用GPS和GRACE分析四川地表垂向位移变化

陆地水储量的季节性变化是导致地表周期性负荷形变位移的主要因素,有效地剔除地表位移中的陆地水储量影响,是获取地壳构造垂向运动的必要过程.四川地处青藏高原东边缘,地形分区明显,境内以长江水系为主,水资源丰富,研究四川地区地表负荷形变位移,有助于分析陆地水储量的时空分布特性及地壳构造形变信息.本文利用研究区域内59个CORS站的GPS观测数据,计算了CORS站点的垂向位移,并将其与GRACE所得相应结果进行对比分析.结果显示,GPS和GRACE所得垂向位移时间序列的振幅大小整体相符,但存在明显的相位差.GPS站点振幅最大值为12.7 mm,对应HANY站,最小值为1.5 mm,对应SCMX站.GRACE所得的地表垂向位移振幅大小均为3~4 mm,且最大位移集中出现在7-9月份;而GPS站点出现最大位移的月份和地形相关,东部盆地、西北部高原和南部山地分别出现在7-8月份、10-11月份和10月份.GPS站点时间序列中的周年项与陆地水的季节性变化强相关,为了讨论陆地水储量对GPS站点位移的影响,本文利用改进的总体经验模态分解方法（MEEMD：Modified Ensemble Empirical Mode Decomposition）,从GPS垂向位移时间序列中提取出周年项及约2年的年际变化项.发现利用MEEMD获取的周年项改正原始GPS时间序列时可使其WRMS（Weight Root Mean Square）减少量减小约26%,结果优于最小二乘拟合方法提取的GPS周年项改正效果,验证了MEEMD方法在GPS坐标时间序列处理中的可行性及有效性.     

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.     

地球模型对季节性负荷形变计算的影响——以川滇地区为例

利用川滇地区的GNSS和GRACE数据, 结合不同地球模型和负荷理论, 研究了地球模型对地表季节性负荷形变计算的影响, 该工作对于选取合适的地球模型开展负荷形变研究具有一定的参考价值。 研究表明: ① 川滇地区GNSS观测的地壳垂向季节性形变振幅为20 mm左右, GRACE反演的垂向形变与GNSS的结果相位一致, 振幅存在差异。 ② 区域地球模型的负荷勒夫数与其他地球模型的差异较大, 且负荷勒夫数h_n对地球结构的变化较为敏感。 ③ 区域地球模型可以改善GRACE反演的负荷形变结果, 从而减小与GNSS观测结果的差异。 ④ 川滇地区大部分GNSS测站的加权均方根比值减小量呈现由东北向西南方向逐渐增加的变化趋势。     

中国区域IGS基准站坐标时间序列非线性变化的成因分析

GPS坐标时间序列呈现显著的季节性变化,通常认为大气压、非潮汐海洋负载及水文负载(统称为地表质量负载)是引起测站谐波变化的主要因素.本文计算了不同地表质量负载造成的测站位移,以此修正中国区域11个IGS基准站的坐标时间序列.建立了地球物理现象与测站季节性变化及噪声特性之间的初步数值联系,认为其会造成测站的噪声特性变化,主要表现为带通及随机漫步噪声特征,且仅能减小测站U分量的周年运动,但并不是造成测站U分量半周年运动及水平方向周年运动的主要原因.深入分析了造成中国区域IGS基准站非线性变化的其他可能因素,重点探讨了周日(S1)、半周日(S2)大气潮汐对基准站周年振幅的贡献,由此提出S1、S2大气潮汐是造成中国区域IGS基准站周年运动,尤其是中南部测站垂向周年运动的主要因素之一.     

利用GPS与GRACE监测陆地水负荷导致的季节性水平形变：以喜马拉雅山地区为例

地表陆地水负荷变化是引起重力场和地壳形变呈现季节性特征的主要因素,并且能够利用地表及空间大地测量技术对其进行有效的监测.本文通过对质量负荷形变效应的理论模拟,描述了水平分量的形变指向以及垂直与水平分量的幅值比可以提高对负荷区域的辨别程度,并且联合GPS坐标时间序列及GRACE模型对喜马拉雅山地区的季节性负荷形变进行了详细对比分析,研究结果显示两者垂直分量的季节性变化具有较好的一致性,且GPS周年项幅值要大于GRACE.而由GRACE解算得到的水平分量结果表明该地区季节性形变主要受东南亚及印度东北部地区的陆地水负荷控制,位于喜马拉雅山地区多数GPS台站的垂直分量及北向分量的初相位与GRACE模型解算结果相近,而部分GPS台站的东向分量与GRACE模型存在明显不同,由此导致GPS与GRACE监测到的形变指向存在差异.通过对GRACE估算精度以及GPS垂直与水平分量幅值比的深入分析,发现GPS对局部周边地区的河流、谷地及农田灌溉等负荷变化造成的形变效应较为敏感,而GRACE由于截断阶次及平滑滤波等影响因素,不仅造成在水平分量上的分辨率远低于垂直分量,而且整体估算精度要低于GPS观测得到的形变信息.     

日本M9.0级巨震对山东地区地壳活动的影响研究

以山东地壳运动GPS观测网为基础,结合周边IGS提供的全球GPS观测资料,计算了2011年3月11日发生的日本9.0级巨震对山东所处地块产生的影响,并给出了该地区站点的真实运动轨迹和运动方式.结果显示:山东各GPS基准站受地震波影响产生的震时最大振幅超过0.2 m,持续时间约160 s;同震位移方向为东东南向,位移量最大超过10 mm.日本9.0级地震对山东所在地块的影响主要是在水平方向,对垂直方向影响不大,它对山东主要断裂带-沂沭断裂带起到了拉张的作用,且N段幅度明显大于S段.根据地震前后站点时间序列的发展趋势来看,近期山东所处地块处于向西回调运动状态,推测震后3～5个月左右将恢复到震前的轨迹,为本地区的震情判定提供了可靠依据.     

南极半岛地区GPS坐标时间序列噪声分析及形变模式初探

有色噪声广泛存在于各种连续GPS站坐标时间序列,对GPS时间序列分析有重要影响.利用GAMIT/GLOBK软件解算了南极半岛地区8个GPS测站2010—2014年的实测数据,对坐标时间序列使用主分量分析法(PCA)进行了空间滤波,利用CATS软件估计了不同噪声模型下和空间滤波前后的噪声量级、站坐标时间序列参数及其不确定度,最后对南极半岛地区水平和垂向的形变模式进行了分析和讨论.结果表明,南极半岛地区GPS时间序列不仅存在白噪声,还存在较大量级的闪烁噪声,部分测站E方向在滤波前可能存在随机游走噪声;空间滤波能够有效降低这三种噪声的量级,从而有效减小线性项和周期项估计的不确定度;南极半岛地区在水平方向主要表现为板块运动,还可能存在局部性构造运动;在垂直方向上由冰川均衡调整(Glacial Isostatic Adjustment,GIA)因素引起的抬升较小,主要表现为现今冰雪质量损失引起的弹性抬升运动.     

GPS技术在上海市地面沉降研究中的应用

上海市自1998年开始开展了利用GPS技术监测地面沉降的研究,先后进行了可行性论证、GPS基准网建设、数据处理和平差方法的探索等一系列课题的研究,并布设了由34点组成的覆盖整个上海市的地面沉降监测基准网.为了进一步提高基准网的监测精度和沉降监测的时空分辨率,于2004年又布设了4个24小时连续运行的GPS固定站,对上海市地面沉降实施连续监测.为了考查GPS沉降监测的大地高可能达到的精度,研究合理的观测纲要与数据处理方案,本文在介绍并总结了上海市地面沉降GPS监测工作的同时,分析了GPS沉降监测基准网前后6期的观测数据.数据分析采用GAMIT/GLOBK软件包和GPS_NET软件,计算结果表明,在基线边长达到30～40km时,GPS在大地高方向上的中误差仍可控制在2mm左右,由此推算GPS监测地面沉降的分辨率在3mm左右,完全能够满足上海市地面沉降监测的需要.     

应用GPS数据和Slepian基函数反演川云渝地区陆地水储量变化

局部Slepian函数是将局部区域内的地球物理信号转化为空间谱的一种方法,其可以保证在球面上局部范围内获得最优谱平滑解,非常适用于局部范围地球物理信号的研究.本文利用中国陆态网西南地区72个测站的连续GPS观测资料分析川云渝地区陆地水负荷形变特征,并基于Slepian函数方法解算60阶的空间谱基函数,结合弹性质量负荷理论研究了川云渝地区2011年至2015年陆地水储量变化的时空分布模式.针对Slepian函数的边界效应问题,本文使用GLDAS格网数据计算得到站点处垂直负荷位移时间序列,然后利用该位移数据来进行水储量变化恢复实验,结果表明当边界扩充为3°时能较好地恢复GLDAS模型输出的陆地水储量变化.通过对比区域内GPS、GRACE、GLDAS得到的等效水高以及降雨数据,发现季节性降水是陆地水变化的一个重要驱动因子,GPS反演结果与GRACE和GLDAS数据具有较强的空间一致性.云南地区周年变化要强于川渝地区,其中云南西部的山区陆地水变化最大,约为30 cm,最小为川北以及重庆地区仅为7 cm.相较于GPS反演结果,GRACE与GLDAS明显低估了陆地水储量的季节性变化,分别达到24%和47%.比较分析地区内平均等效水高时间序列的相位发现,GPS得到的陆地水变化与降雨数据一致性较好,而GRACE与GLDAS存在一到两个月左右的时延.同时GPS能较好的探测出2015年1月左右南方地区大范围的强降水,而GRACE与GLDAS并没有体现出该现象,说明GPS能更为灵敏地探测到局部地区陆地水的变化.在站点等效水高时间序列上,GPS与GRACE的相关性总体上要优于GPS与GLDAS,陆地水周年变化较大的云南和四川西部地区站点三种数据间相关性较好,而其他季节性信号不明显的地区则相关性较差.本文的研究表明运用GPS-Slepian方法能够独立地监测高时空分辨率的陆地水储量变化,是作为当前补充GRACE观测资料空缺期的有益尝试.