南极验潮站对全球地震海啸的响应

现有对南极潮汐的研究主要聚焦在海平面变化、高程转换和常规调和分析,针对南极验潮站的潮位异常分析还很少见.本文聚焦南极验潮站数据中的异常潮位记录,提取到达南极的全球地震海啸事件,并分析南极不同验潮站对全球地震海啸的响应能力.本文首先利用潮汐调和分析去除验潮数据中的趋势项,分析余水位中较大幅度的潮位异常信号,然后通过对比不同方法,选取2.5倍标准差作为阈值提取到达南极的全球地震海啸事件.得出潮位异常信息点后,本文对比了各个验潮站点对地震海啸事件响应的敏感性与地理位置的关系,发现东南极威尔克斯地和南极半岛及其附近岛屿的验潮站更能响应全球地震海啸事件,长城站等8个站点适合开展全球地震海啸事件的响应和记录研究.     

全球平均海平面上升的瞬时速率

在确定海平面上升速率时,传统方法是利用最小二乘拟合获取特定时间段内的平均速率.事实上,由于海平面是一种非稳态变化,其速率随着时间变化.本文使用集成经验模态分解获取海平面变化在2002-2014年间的非线性趋势,然后通过三次样条函数平滑拟合非线性趋势得到连续的一阶导数,即为海平面变化的瞬时速率.结果表明,全球平均海平面的瞬时速率先降后升：从2002的2.7 mm·a^-1缓慢下降至2010年的2.5 mm·a^-1,然后上升至2014年的3.8 mm·a^-1.通过分析海平面上升各个贡献成分的瞬时速率,发现该上升主要由海水质量增加引起.在2002-2014年间,格陵兰岛冰川消融对海平面上升瞬时速率的贡献从0.51 mm·a^-1上升至0.85mm·a^-1,南极冰川消融的贡献则从0.12 mm·a^-1上升至0.34 mm·a^-1.陆地水储量对海平面上升起抑制作用,但该抑制作用呈下降趋势,其瞬时速率从-0.24 mm·a^-1增加到0.03 mm·a^-1.比容海平面的瞬时速率表现为下降趋势,从1.6 mm·a^-1减小至1.0 mm·a^-1.这表明在全球尺度上,海水质量对海平面上升的贡献正在增加,截止到2014年,海水质量的贡献已经接近70%.     

基于多源遥感数据的南极冰架与海岸线变化监测

综合使用光学与微波遥感数据,提出了南极冰架变化连续监测的系统方法,包括基于MOA的冰架基准图生成,基于相似性测度的影像匹配,及基于阈值与分水岭变换的图像分割方法.使用该方法获取了2002-2011年初全南极18个主要冰架的变化数据,并归纳了南极冰架变化的三种类别.进一步得出,近年间崩解变化为主的冰架均处于西南极,并主要集中在南极半岛;扩展变化为主的冰架集中在东南极;南极三大冰架的扩展变化明显,其中Amery冰架将在近年发生较大崩解.本研究首次获取了2002年初至2011年初每年一幅的动态的全南极海岸线数据,并得出近10年间南极海岸线扩展增加总量为5878 km².     

冰盖消融的海平面指纹变化及其对GRACE监测结果的影响

全球变暖背景下的冰盖消融以及由此带来海平面上升日益明显,直接影响地球表面的陆地水质量平衡,以及固体地球瞬间弹性响应,研究冰盖质量变化的海平面指纹能够帮助深入了解未来海平面区域变化的驱动因素.本文基于海平面变化方程并考虑负荷自吸效应（SAL）与地球极移反馈的影响,借助美国德克萨斯大学空间研究中心（Center for Space Research,CSR）发布的2003年到2012年十年期间的GRACE重力场月模型数据（RL05）,结合加权高斯平滑的区域核函数,反演得到格陵兰与南极地区冰盖质量变化的时空分布,并利用海平面变化方程计算得到了相对海平面的空间变化,结果表明：格陵兰与南极冰盖质量整体呈明显的消融趋势,变化速率分别为-273.31 Gt/a及-155.56 Gt/a,由此导致整个北极圈相对海平面降低,最高可达约-0.6 cm·a^-1;而南极地区冰盖质量变化趋势分布不一,导致西南极近海相对海平面下降,而东南极地区近海相对海平面上升,最高可达约0.2 cm·a^-1.远离质量负荷区域的全球海平面以上升趋势为主,平均全球相对海平面上升0.71 mm·a^-1,部分远海地区相对海平面上升更加突出（例如北美与澳大利亚）,高出全球平均海平面上升速率将近30%.此外,本文也重点探讨了GRACE监测冰盖消融结果中由于极地近海海平面变化导致的泄漏影响,经此项影响校正后的结果表明：海平面指纹效应对GRACE监测格陵兰与南极地区2003-2012期间整体冰盖消融速率的贡献分别为约3%与9%,建议在后期利用GRACE更精确地估算研究区冰盖质量变化时,应考虑海平面指纹效应的渗透影响.     

集成奇异谱分析和自回归滑动平均预测日本近海海平面变化

本文从日本沿岸选取了28个验潮站及联测的GPS站,利用奇异谱分析（Singular Spectrum Analysis,SSA）和SSA+自回归滑动平均（Auto Regression Moving Average,ARMA）方法预测了2014—2018年的近海海平面变化和地壳垂直变化.并用同时段的验潮及GPS的实际测量值进行验证,结果显示,SSA+ARMA预测的相对海平面精度为0.0357~0.0607 m,地壳垂直运动的精度为0.0049~0.0077 m,绝对海平面的精度为0.0433~0.0683 m,且三者SSA+ARMA的预测结果均优于只用SSA预测的结果.在此基础上本文利用SSA+ARMA预测了日本沿岸2019—2023年的近海绝对海平面变化,结果显示,2019—2023年的平均海面高较往年（2014—2018）升高0.0353 m,2003—2023年绝对海平面的变化率为0.0039 m·a^-1,预测结果较为理想.     

1950～2020年中国沿海海平面上升

验潮站能够观测海平面长期变化,并被用于重构全球平均海平面上升.然而,中国沿海区域的海平面长期变化尚未被揭示.本文构建了一种数据同化方法,可以重构中国沿海地区1950年以来的海平面上升.该方法以全球验潮站观测为约束,同时利用气候模式输出的动态海平面和陆地水质量迁移导致的海平面指纹效应.本文重构的全球平均海平面上升与之前的研究结果接近.中国沿海地区20个验潮站的重构结果显示,1950～2020年中国沿海平均海平面上升速率为(1.95±0.33)mm a^-1,高于同时期的全球平均上升速率(1.71±0.17)mm a^-1.此外,本文还发现,中国沿海平均海平面上升速率在1980年以后是之前速率的3倍以上,速率从1950～1980年的(0.84±0.28)mm a^-1增加到1980～2020年的(3.12±0.21)mm a^-1.该发现说明中国沿海海平面存在显著的加速上升,这些结果增进了对中国沿海海平面长期变化的理解与认识.     

南大洋海底地形对冰山运动与搁浅的影响

冰山是南极冰盖-冰架-海洋系统中活跃的组成部分,南大洋海底地形是影响冰山运动与搁浅的重要因素,但前人对此鲜有研究,本文结合南极Bedmap-2海底地形数据和杨百瀚大学冰山数据库所记录的冰山运动轨迹数据分析了海底地形对冰山运动和搁浅的影响.结果表明:(1)冰山搁浅事件与搁浅冰山轨迹点的数量分布主要与冰山水下厚度分布有关,在水深为200~300m海域内数量最高.自由运动冰山在南极陆坡锋区域(海洋水深500m左右)存在数量与速度的峰值;(2)海底地形对冰山运动的直接影响是冰山搁浅,在沿南极海岸线外围水深低于2000m的362×10~4km~2的海域里,从冰架前缘崩解的小型冰山可能搁浅区(水深小于400m)占28%即不易搁浅,这些搁浅区主要分布在东南极与南极半岛沿岸.从大冰架上崩解的大中型冰山(长轴大于18.5km)可能搁浅区(水深小于800m)占总面积的74%即较易搁浅;(3)在水深小于2000m的海域内冰山运动速度与海水深度之间具有正相关性(R=0.85,P0.01)(即海水越深的地方冰山运动越快),而海冰的季节性变化对这种相关性的影响不大,说明海底地形起伏所引起的海水深度的变化会对冰山运动速度产生影响.     

利用GRACE时变重力场反演青藏高原的隆升速率

青藏高原隆升对中国、亚洲乃至世界的气候都有着重要影响,研究青藏高原地壳隆升速率具有重大意义.本文利用2004—2015年期间高覆盖度的卫星重力数据,通过去除陆地储水的重力效应获得地壳隆升引起的重力变化速率,基于直立长方体垂直运动与重力变化的关系模型反演了该区域的地壳隆升速率分布.研究结果表明在300 km的空间尺度下青藏高原隆升速率分布具有不均匀的特点,表现为以冈底斯山—唐古拉山—鲜水河断裂带为界线,其两侧的速率差异较大.位于界线以南,沿喜马拉雅推覆构造带的区域平均隆升速率为2.01±0.87 mm·a^-1,其中西侧的印度板块与东侧的缅甸板块隆升速率分别为~2.43 mm·a^-1、~2.89 mm·a^-1,位于两板块之间的区域隆升速率为~0.69 mm·a^-1;位于界线以北,除了天山区域和华北板块的隆升速率为~1 mm·a^-1,其他区域隆升现象不明显,其速率为~0 mm·a^-1.我们发现存在两条均穿过正断裂带区域的隆升速率梯度带,其中一条为从加德满都到塔里木盆地,其恰好穿过青藏高原内部的正断裂带,另一条为从那加山到四川盆地,其恰好穿过大理正断裂带.本文反演的青藏高原隆升速率与以往观测到的GPS结果有很好的一致性,为青藏高原隆升、地壳增厚等科学问题提供理论支持.     

地震前海平面异常变化和机理研究

根据国内外沿海大地震前后海平面变化的实例,分析海平面变化的前兆意义。资料证实,大部分近海大地震前存在局部海域可以识别的海平面异常变化。１９世纪以来,世界各地的验潮站记录了大量与地震有关的海平面变化实例,为定量分析提供了可能。最有代表的标准震例是１９４１年１１月葡萄牙亚速尔群岛８．３级大地震,我国渤海１９６９年７月在８日７．４级地震前后烟台站的验潮记录也显示出显著异常。海域构造环境和地震发生机制不同     

基于GRACE资料研究南极冰盖消减对海平面的影响

利用5年的GRACE重力数据,计算了南极1°×1°等效水量时间序列,得到每个格网的趋势项,结果表明在西南极Amundsen区域有明显的负增长,超过-80 mm/a,南极半岛存在着负增长,东南极Enderby Land地区质量增长;计算得到2002年7月到2007年9月南极、东南极和西南极冰盖的等效体积变化分别为-78±37 km³/a,-3±46 km³/a和-75±50 km³/a,对应海平面变化的贡献为0.21±0.1 mm/a,0.008±0.127 mm/a和0.2±0.14 mm/a.该结果与国际最新研究结果一致.同时发现冰后回弹是影响利用GRACE研究南极冰盖质量变化的关键因素.     

利用ICESat数据解算南极冰盖冰雪质量变化

南极冰盖冰雪质量变化反映了全球气候变化,并且直接影响着全球海平面变化.ICESat测高卫星的主要任务之一就是要确定南北两极冰盖的质量变化情况并评估其对全球海平面变化的影响.本文利用2003年10月至2008年12月的ICESat测高数据,针对南极DEM分辨率有限的特殊性,通过求解坡度改正值,解决重复轨道地面脚点不重合的问题,计算了南极大陆(86°S以北区域,后文所述南极冰盖均不包括86°S以南区域)在这5年里的冰雪质量变化情况,得到东南极冰盖的质量变化为-18±20Gt/a,西南极-26±6Gt/a,南极冰盖的冰雪质量变化为-44±21Gt/a,对全球海平面上升的影响约为0.12mm·a~(-1).解算结果表明,南极冰盖质量亏损主要集中在西南极阿蒙森海岸附近冰川以及东南极波因塞特角区域.     

利用ICESat数据确定格陵兰冰盖高程和体积变化

两极冰盖消融是造成海平面上升的重要原因,作为世界第二大冰盖,格陵兰冰盖消融速度在进入21世纪以后明显加快,引起了广泛关注.本文利用ICESat卫星激光测高数据,探讨了坡度改正的方法,通过改进平差模型解决了病态问题,并采用重复轨道方法计算了2003年9月至2009年10月间格陵兰冰盖的体积和高程变化趋势,对格陵兰冰盖各冰川流域系统的变化情况进行了详细分析.结果表明,格陵兰冰盖在这6年间平均高程变化趋势为-16.79±0.84cm·a^-1,体积变化速率为-301.37±15.16km^3·a^-1,体积流失主要发生在冰盖边缘,其中DS1、DS8等流域的体积损失正在加剧,而高程在2000m以上的冰盖内陆地区表现出高程积聚的状态,但增长速度明显减缓.与现有研究成果的对比表明,算法优化后的本文结果更具可靠性.     

天山地震带境内外主要断层滑动速率和地震矩亏损分布特征研究

本文搜集、整理1998—2013年境内外天山及周边地区(包括中国新疆、哈萨克斯坦、吉尔吉斯斯坦等)500余个GPS观测点数据,采用GAMIT/GLOBK软件对其进行解算和平差计算,并利用了弹性块体模型计算区域块体边界断层闭锁深度、块体运动参数和主要活动断层的滑动速率.研究结果表明,东、西昆仑地震带闭锁深度最大(19km),其次为南天山地区,闭锁深度达到17km,闭锁深度最小的为哈萨克斯坦(13km);各块体相对欧亚板块作顺(逆)时针旋转,旋转速率最大(-0.7208±0.0034°/Ma)为塔里木块体,其围绕欧拉极(38.295±0.019°N,95.078±0.077°E)顺时针方向转动,旋转速率最小为天山东段(0.108±0.1210°/Ma),而天山东、西两段无论是在旋转速率上还是在旋转方向上都有显著的区别.西昆仑断裂带的滑动速率(10.2±2.8mm·a-1)最大,南天山西段滑动速率为9.5±1.8mm·a-1,其东段为3.9±1.1mm·a-1;而北天山东段滑动速率(4.7±1.1mm·a-1)高于北天山西段(3.7±0.9mm·a-1);塔里木盆地南缘的阿尔金断裂带平均滑动速率为7.6±1.4mm·a-1,其结果与阿勒泰断裂带滑动速率(7.6±1.6mm·a-1)基本相当;天山断裂带运动方式主要以挤压为主,而阿尔金、昆仑、阿尔泰以及哈萨克斯坦断裂带均是以走滑运动方式为主,除阿勒泰断裂带走滑方式为右旋以外,其余几个断裂带均为左旋运动.最后,利用主要断裂带的滑动速率计算出各地震带的地震矩变化率以及1900年以来地震矩累计变化量,其结果与利用地震目录计算所得到的地震矩进行比较,判定出各地震带上地震矩均衡分布状态,研究结果显示阿尔金、西昆仑、东昆仑和北天山东段断裂带存在较大的地震矩亏损,均具有发生7级以上地震的可能性,南天山东段和哈萨克斯坦断裂带地震矩亏损相对较小,具有孕育6~7级地震的潜能,而天山西段、阿勒泰地震矩呈现出盈余状态,不具在1~3年内有发生强震的可能.     

GNSS影像及其时空特征初探

地壳垂向形变在连续空间和时间域内呈现显著特征,探求其时空变化特征有助于理解地球物理过程,为研究地球内部相互作用机制提供支持.本文使用美国西部地区PBO与中国大陆CMONOC两个GNSS网测站的坐标时间序列,通过基于中位数并顾及年际差异的非参数方法(MIDAS方法)估计测站的速度与不确定性;建立空间结构函数(SSF)并确定区域内各测站间的相对关系;以此为基础,构建顾及空间结构的滤波器(MSF)以剔除粗差,增强区域共性;最后,基于MSF与图像处理技术对速度场进行空间加密,生成了研究区域空间内连续的地壳垂向形变图,即区域GNSS影像.随后,针对两个研究区域,分别利用MSF验证实验与棋盘格检测验证了GNSS成像方法的合理性及生成GNSS影像的可靠性;并通过对比使用顾及空间结构滤波前后的各测站速度与不确定性生成的GNSS影像,验证了顾及空间结构的滤波方法在GNSS影像生成中的必要性,并分析了其中存在过度平滑与规则圆弧状突变边缘的问题,讨论了可能的解决方案.最终,将两区域GNSS影像结果与已有的大地测量学及地球动力学结果进行了对比,发现美国西部地区的GNSS影像正确反映出了海岸山脉以峰值速度为2mm·a~(-1),内华达山脉以峰值速度为3mm·a~(-1),以及赫布根湖地区以峰值速度为1.5mm·a~(-1)隆升;洛杉矶地区(峰值速度为-2.5mm·a~(-1)),维多利亚河及其河谷地区(速度为-1.5mm·a~(-1)),以及蛇河平原东部、蒙大拿州西南部(速度为-1mm·a~(-1)左右)的沉降运动;中国大陆的GNSS影像同样反映出喜马拉雅山脉与青藏高原南部(速度呈现为1.0mm·a~(-1)),华北地块与天山地块(速度为1.5mm·a~(-1)与0.3～0.6mm·a~(-1))等典型区域的隆升;长江下游地区以苏锡常地区(速度为-2.1mm·a~(-1))为中心,向外速度逐渐减小的沉降运动,以及华南地区(速度呈现为-0.6～-1.5mm·a~(-1))、东北地区(速度呈现为-0.6～-1.5mm·a~(-1))、塔里木盆地(速度呈现为-1.2mm·a~(-1))等区域的沉降运动.因此,本文认为GNSS影像具有合理性与正确性,有助于地壳垂向形变的整体时空分布特征研究.     

鄂尔多斯块体周缘地区现今地壳水平运动与应变

位于青藏块体和华北块体之间的鄂尔多斯块体及其周缘地区是中国大陆构造活动最活跃的地区之一,从1300年至今,在块体周边断陷盆地和西南缘断裂带上发生了五次8级以上的地震.为了了解该地区现今地壳运动、应变状态以及断裂滑动分布,我们收集了中国大陆构造环境监测网络2009—2013年、国家GPS控制网、跨断陷盆地的8个GPS剖面等共527个流动站和32个连续站GPS观测数据,获得了高空间分辨率的地壳水平运动速度场,进一步用均匀弹性模型计算了应变率分布.结果表明,块体内部GPS站点向NEE方向运动,速度变化较小,应变率大多在(-1.0~1.0)×10~(-8)/a之间;山西断陷带构造运动与变形最为强烈,盆地相对于鄂尔多斯块体为拉张变形,应变率为(1.0~3.0)×10~(-8)/a,相对于东部山地则为挤压变形,应变率为(-2.0~-3.0)×10~(-8)/a,盆地西侧断裂(如罗云山断裂、交城断裂)以拉张运动为主,拉张速率为2~3mm·a-1,盆地东侧断裂主要以右旋缩短运动为主,速率为1~3mm·a-1;河套断陷带西部的临河凹陷处于较强的张性应变状态,应变率为(2.0~3.0)×10~(-8)/a;块体西南边缘处于压缩应变状态,应变率为(-1.0~-2.0)×10~(-8)/a,六盘山断裂存在明显的地壳缩短运动,速率约为2.1mm·a-1,速率在断裂附近逐渐减小,反映了断裂处于闭锁状态;相对于鄂尔多斯块体内部渭河断裂带为左旋运动,速率为1.0mm·a-1,盆地处在弱拉张变形状态.     

综合利用多种地壳形变观测资料计算鲜水河断裂带现今滑动速率

本文首先沿走向将鲜水河断裂带划分为炉霍、道孚、乾宁、康定和磨西五个断裂段,利用沿断裂带布设的跨断层短基线、短水准场地测量资料计算了近场的断层活动参数,利用覆盖断裂带相对较大区域的重力、GPS观测资料计算了重力场动态变化、GPS速度场.基于重力场动态变化和GPS速度场采用蚁群算法和粒子群算法(具有全局优化的优势)分别反演计算了五个断裂段断层活动参数,将结果中的走滑分量作为五个断裂段的现今走滑速率.通过对以上三类现今走滑速率及五个断裂段的地质平均滑动速率进行融合与对比分析,将重力资料反演计算结果作为断裂带整体走滑速率,与跨断层短基线、短水准测量计算的断层滑动速率结果进行对比分析,初步判定了各跨断层短基线、短水准场地所跨断裂的性质,最终给出了五个断裂段的现今整体左旋走滑速率和部分分支断裂左旋走滑速率,结果为:(1)炉霍段为9.13mm·a~(-1),虾拉沱区域西支断裂为2.46mm·a~(-1),东支断裂为5.84mm·a~(-1).(2)道孚段为8.57mm·a~(-1),东南段沟普区域西支断裂为1.78mm·a~(-1),东支断裂为6.79mm·a~(-1).(3)乾宁段为7.67mm·a~(-1).(4)康定段为6.14mm·a~(-1).(5)磨西段为4.41mm·a~(-1).本文还定性讨论了断裂带两侧重力、GPS测点覆盖范围内活动地块的三维弹塑性变形和古地震、历史地震造成的永久位错.     

Greenland and Antarctica Ice Sheet Mass Changes and Effects on Global Sea Level

Thirteen years of GRACE data provide an excellent picture of the current mass changes of Greenland and Antarctica, with mass loss in the GRACE period 2002–2015 amounting to 265 ± 25 GT/year for Greenland (including peripheral ice caps), and 95 ± 50 GT/year for Antarctica, corresponding to 0.72 and 0.26 mm/year average global sea level change. A significant acceleration in mass loss rate is found, especially for Antarctica, while Greenland mass loss, after a corresponding acceleration period, and a record mass loss in the summer of 2012, has seen a slight decrease in short-term mass loss trend. The yearly mass balance estimates, based on point mass inversion methods, have relatively large errors, both due to uncertainties in the glacial isostatic adjustment processes, especially for Antarctica, leakage from unmodelled ocean mass changes, and (for Greenland) difficulties in separating mass signals from the Greenland ice sheet and the adjacent Canadian ice caps. The limited resolution of GRACE affects the uncertainty of total mass loss to a smaller degree; we illustrate the “real” sources of mass changes by including satellite altimetry elevation change results in a joint inversion with GRACE, showing that mass change occurs primarily associated with major outlet glaciers, as well as a narrow coastal band. For Antarctica, the primary changes are associated with the major outlet glaciers in West Antarctica (Pine Island and Thwaites Glacier systems), as well as on the Antarctic Peninsula, where major glacier accelerations have been observed after the 2002 collapse of the Larsen B Ice Shelf.