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.     

固体潮综合弹性特征参数及其前兆异常演化

旨在从物理本质上简明地对各种潮汐观测进行地壳物性信息综合分析,以与地震孕育有关的,既能反映地壳的微变形,又能表征地壳介质弹性特性的参数————勒夫数作为潮汐观测中的物理力学特征参量．用各种潮汐观测资料（线应变、面应变、体应变、倾斜、重力及水位固体潮等）对地表的观测勒夫数进行综合反演计算,以其变化的物理特性和形变特性开展区域孕震力学过程及地震前兆异常综合研究．文中讨论确定了在实际观测中以潮汐理论为基础,进行综合反演与计算地表二阶观测勒夫数的可行途径和方法．以川滇交界地区的各潮汐观测进行了勒夫数h2的实际综合反演计算,对丽江7.0级地震进行了初步的异常分析．结果表明,从丽江地震前的1994年开始,川滇地区较大范围出现勒夫数异常．以异常的演化图象看,其异常在这一地区由南向东南、北、西北迁移（震源区一直处于异常的空区）,而最终于1995年12月在该区西北及丽江、永胜一带出现显著持续的异常区,其异常图象清楚地勾划出了未来发震危险区,显示效果较佳．      

附加GPS时序约束的GRACE陆地水储量反演

利用GRACE重力卫星反演陆地地球物理变化信息时,通常需要对位系数进行截断和空间平均滤波等处理,这将导致监测信息较实际值"缩减"一定的比例,从而造成反演结果可信度降低.针对此,本文提出了一种附加GPS时序约束的GRACE反演陆地水文信息修正法.利用2003-2015年RL05_GRACE月重力场数据,选取前60阶采用扇形滤波与去相关滤波组合法,获得了加州区域由于陆地水储量及地表荷载变化引起的垂向形变时间序列,并利用同时间段多个GPS测站资料获得了同尺度U方向形变时间序列,采用时频分析技术对比分析了两类垂向形变时间序列的振幅与季节性特征,获取了GRACE位系数处理中存在的"缩减系数",基于此修正并精化了GRACE反演水文变化信息,该信息能有效反映出研究区域较真实的陆地水文变化信息.     

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.     

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.     

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.     

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。     

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垂向年周期运动的精确获取与方法评估

分别选用负荷模型方法、GRACE模型方法、空间加权法和多核函数法分析GPS垂向年周期运动参数的精确获取问题,以云南26个陆态网络GPS连续站2010—2015年观测数据得到的垂向年周期参数为标准,评估了这4种方法的效果。这4种方法与GPS连续站实测的振幅差异平均值分别为4. 97,3. 31,1. 38,1. 43 mm,4种方法的WRMS减速比平均值分别为0. 70,0. 84,0. 95,0. 94。结果表明:由于云南地区GPS连续站密度较高且区域垂向年周期运动空间一致性较好,空间加权法和多核函数法效果最好,GRACE模型方法次之,负荷模型方法最差。建议在GPS连续站较多的区域,采用空间加权法或者多核函数法;在GPS连续站较少的区域,建议采用GRACE模型方法。     

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.     

青藏高原东南缘的地壳结构与动力学模式研究综述

青藏高原东南缘的川滇地区壳幔变形特征及地球动力学模式一直是研究的热点问题之一,多年来一直受到各国地球科学家的高度关注.青藏高原演变的"下地壳流模型"模拟得到的地表速度和变形场与GPS观测具有很好的一致性,该模型在当前国际地学界很流行,因而寻找下地壳流存在与否的证据,是深部地球物理学必须面对的一个科学问题.本文综合了川滇地区GPS观测、震源机制解和Pms相分裂的结果,旨在探讨川滇地区地壳演变模式的合理性;另外,从层析成像、接收函数反演和大地电磁测深结果分析,认为川滇地壳内存在大范围的低速层,但分布的几何形态较复杂.在云南地区,这一壳内低速区似乎被小江断裂和金沙江—红河断裂限制在特定的区域内.     

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.     

负荷勒夫数渐近值解析表达式

地表质量负荷引起的地球变形问题是大地测量学和地球物理学中的一个重要的研究内容.负荷勒夫数的计算和收敛的负荷格林函数的构建是模拟地球负荷形变的基础,其中当球谐阶数趋于无穷大时负荷勒夫数的渐近值,在格林函数计算中发挥重要的作用.本文首先介绍了地表质量负荷的边值问题,然后简要回顾了目前已有的计算负荷勒夫数渐近值三种方法的推导过程,最后给出推导渐近值解析表达式的一种新方法.新方法运用求解地球变形边值问题的解析解方法,以及一种高效传播矩阵方法,建立地表边界条件与高阶负荷勒夫数之间的直接联系,解出了负荷勒夫数渐近值解析表达式.本文的解析表达式更准确地描述了负荷勒夫数的渐近特征.新方法仅涉及常系数常微分方程组的基解矩阵及基础的矩阵运算,原理简单易懂.     

形变强度与地壳变形分析

本文利用GNSS等观测所获得的地壳位移速度结果并应用数值逼近理论, 提出了具有解析式的形变强度分析与计算方法。 根据形变的性质或类型将它们分别定义为形变强度、 水平形变强度、 水平剪切形变强度、 水平张压形变强度、 垂直剪切形变强度。 文中最后以GNSS 1999—2007年观测数据所产生的运动结果为例, 分析了川滇地区的地壳运动和形变, 并给出了不同性质形变强度的空间变化结果。     

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.     

不同地球模型对中国陆区大气负荷位移建模的影响

目前进行质量负荷位移建模时通常使用的是全球或区域平均的一维地球模型，这类地球模型无法反映地壳结构的局部差异，如地壳厚度、地震波波速等.本文利用地表气压再分析数据产品NCEP/NCAR Reanalysis 1(NCEP R-1)和不同地球模型(Preliminary reference Earth model(PREM)、AK135、STW105和CRUST1.0)计算的负荷格林函数计算中国陆区的大气负荷垂向形变，结合GPS实测位移数据，评估基于不同地球模型计算得到的地表形变的差异.通过比较PREM与不同地球模型的建模结果发现，一维地球模型之间的建模差异较小，主要集中在气压变化较大的东部地区和西北地区，气压变化较小的青藏高原地区的建模差异则更小.相反，PREM与CRUST1.0模型在青藏高原地区的建模差异最大，在东部地区的建模差异最小.PREM与STW105、AK135和CRUST1.0在中国陆区的最大位移建模差异分别为0.05、0.34和0.44 mm.不同地球模型的建模差异是由负荷格林函数不同产生的，而负荷格林函数在近场受上地壳厚度的影响较大.对于局部地壳结构差异明显的青藏高原地区...     

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.     

基于时变重力数据的川滇地区场源模型反演和解释

时变重力信号能反映地球内部介质迁移引起的不均衡变化, 本文利用三维欧拉反褶积方法, 通过建立合适的场源模型获得最佳反演参数, 并采用水平梯度滤波法消除部分虚假发散解, 优化反演结果。 在此基础上, 利用川滇地区2015—2019年流动重力重复观测资料, 分析了不同时空尺度的区域重力场动态变化特征, 开展对川滇地区重力变化场源特征的定性和定量研究。 结果表明: 欧拉反褶积方法能有效反演重力场变化异常的场源三维空间分布特征, 反演结果与2018年12月16日四川兴文县M_S5.7地震, 2019年6月17日长宁县M_S6.0地震及同年7月4日珙县发生的M_S5.6地震位置相对应, 揭示了区域内的构造活动特征, 为地表时变重力数据的反演和解释提供了思路和方法, 同时也对捕捉与深部构造相关的地震前兆信息、 开展强震中长期预测的应用研究具有现实意义。     

汶川MS8.0地震前后南北地震带北段GPS垂向形变特征

2008年汶川M_S8.0地震对南北地震带北段垂向变形产生了影响,对1999—2016年多期GPS观测数据进行精密解算,采用多面函数方法分别对研究区垂向运动进行周年运动剔除和空间滤波,获取了汶川地震前后垂向形变特征。结果表明:(1)以巴颜喀拉块体与华南块体交界带西侧为界,其西部自东向西呈指数函数衰减;东部自西向东呈对数函数形式衰减,且东部衰减程度大于西部,两块体交界南北段垂向形变特征存在差异性,北段隆升速度和变化梯度均弱于南段;(2)地震前后南北地震带北段垂向形变特征具有明显差异性,相对震前,震后大部分区域隆升速度加快,平均约为2 mm/a,局部区域加快程度较大,最大值达7 mm/a;(3)垂向速度的差异性变化对地壳的垂向应变积累具有影响,最大正影响区域为巴颜喀拉块体与华南块体交界及其西侧区域,增大了约10×10~(-8)/a,约为震前的2倍,最大负影响区域为川滇块体北部局部区域,减小了约7×10~(-8)/a。建议对巴颜喀拉块体与华南块体交界及其西侧区域和川滇块体北部局部区域强化跟踪分析。     

地球和月球的弹性潮汐形变解

本文根据一个由较新的月震、月球形状、月球重力及月球天平动资料所建立的真实月球内部结构模型,解算了在地球和太阳的引潮力作用下月球表面的弹性潮汐形变。得到了表征月球弹性潮汐形变的特征数--月球勒夫数。这个结果与国外一些学者采用假想或简单月球模型所得结果有较大不同。同时,本文还根据近年来出现的新的地球模型,再次求解了地球的静态勒夫数。结果表明,采用不同的地球模型对解算地球的静态弹性潮汐形变的结果影响很小。