“陆态网”GPS与GRACE的中国大陆地表垂直形变对比分析

基于中国大陆构造环境监测网络的连续GPS观测数据,比较分析了中国大陆234个GPS台站和GRACE得到的地表垂直形变。GPS和GRACE垂直形变具有较好的一致性,反映了地表质量变化是引起GPS垂直形变非线性变化的重要因素之一,但二者也存在着一定的差异。为定量分析GPS和GRACE垂直形变的差异,探讨了热膨胀效应对GPS垂直位移的影响及区域地壳结构对GRACE估算地表垂直负荷形变的影响。结果表明,中国大陆50%以上的GPS台站热膨胀垂直形变周年振幅不小于1 mm;对GPS进行热膨胀效应改正后,中国大陆GPS与GRACE垂直形变具有更好的一致性;GPS与GRACE垂直形变周年振幅比值由1.07±0.06变为1.01±0.05;热膨胀效应可以解释6.2%的GPS与GRACE垂直形变的差异,热膨胀效应改正可使GPS和GRACE垂直形变的一致性相对增加11.2%。是否顾及区域地壳结构引起的GRACE估算中国大陆垂直负荷形变的相对差异为2.5%。     

利用GPS垂直位移反演云南省陆地水储量变化

地表质量的重分布会引起固体地球的弹性形变,GPS连续运行观测站能够精确测定地表负荷引起的地壳形变。本文通过模拟数据对利用云南省及其周边47个中国大陆构造环境监测网（陆态网）台站反演云南地区陆地水储量的可行性进行分析：以水文模型周年振幅为真值,计算47个台站点的负荷形变,同时加入随机误差构成模拟观测数据,最后采用模型反演陆地水储量变化;1000次的随机模拟试验表明利用当前GPS台站数据可有效地反演云南地区陆地水储量变化。基于上述结论,笔者反演了云南省2010—2014年陆地水储量变化,GPS反演结果表明：云南省陆地水变化呈现明显的地域分布特征,西南部高山地区的水储量周年变化高于东部平原地区;在时间尺度上,云南省大部分地区水储量在10月（夏季末）达到最大值,在4月（冬季末）达到最小值;云南省2010—2014年陆地水呈缓慢增长趋势,约为20 mm/a。通过GPS陆地水储量反演结果与GRACE、GLDAS以及TRMM数据综合对比分析,表明利用云南地区当前GPS台站可以作为独立观测量用于GRACE与GRACE Follow-on衔接期间的陆地水储量变化监测。     

陕西省GPS基准站垂直形变的陆地水负荷效应

基于GPS、GRACE以及GLDAS 3种数据从均方根、相关性、周年振幅和相位4个方面对陕西省22个GPS基准站的垂直负荷形变进行定量分析和研究,结果表明:陕西省GPS垂向形变时间序列中,陆地水负荷形变并不明显,其中GRACE的贡献值为11.7%,GLDAS的贡献值为11.0%;GPS与GRACE以及GPS与GLDAS的相关系数大于等于0.5的站点比例分别是63%和77%;对于振幅而言,GPS的振幅最大,GRACE的振幅其次,GLDAS的振幅最小。文中研究陕西省陆地水负荷形变的量值和特征,为获取更高精度的构造形变提供依据。     

滇东南地区垂直负荷形变特征研究

针对传统的全球水文同化模型计算陆地垂直负荷形变的不确定度问题,该文采用GPS、GRACE以及GLDAS3种数据对滇东南13个GPS连续站的垂直负荷形变进行了综合的分析。结果表明:GPS垂向形变时间序列中,陆地水负荷形变显著,高值达12 mm,其中GRACE的贡献值为32.1%,GLDAS的贡献值为26.9%;对于初相位而言,GPS、GRACE、GLDAS三者符合得很好;对于振幅而言,GPS与GRACE的振幅较为接近,GLDAS的振幅最小;通过主成分分析方法所获取的GPS共模误差与GRACE的相关性高达0.90。虽然GRACE的空间分辨率较低,但GRACE为连续监测地表垂直负荷形变提供了一种有效和可靠的手段。     

我国GPS基准站地壳垂直位移周年变化的气象激发

利用全球大气、海洋、积雪和土壤水的地表质量负荷资料 ,计算了中国GPS基准网 2 4个台站垂向位移周年变化的气象激发 ,得到振幅 5mm10mm的高程变化。通过与GPS观测资料解算的垂向位移结果比较 ,大部分台站的结果与GPS结果在振幅上符合比较好 ,但相位普遍超前一到二个月     

利用GPS垂向位移监测西南地区干旱事件

GPS垂向位移包含了陆地水储量变化引起的地球弹性形变信息。本文利用中国大陆构造环境监测网(陆态网)31个GPS台站2010年8月—2016年12月的垂向位移数据,分析我国西南地区的干旱事件。结果表明,GPS垂向位移的季节性变化与降雨、GRACE反演的水储量、河流水位变化具有较强的负相关关系,其异常变化(非季节性变化)与我国使用的综合气象干旱指数(CI)、GRACE干旱强度指数(GRACE-DSI)相关性较强(相关系数约为-0.70),而与标准化降水蒸散指数(SPEI)的相关性较弱。相比于CI干旱指数,GPS垂向位移能更好地探测短期降雨急剧减少引起的干旱事件。数据缺失影响了GRACE-DSI探测干旱的准确性,而SPEI的波动较大,且存在高估某些短期降雨严重性的情况。研究结果展示了GPS在干旱监测方面的可靠性和优势。     

联合GRACE与GPS比较山西省垂向地表形变

利用2009-05～2010-12共20mon的GRACE时变重力场反演了山西省境内陆地水储量变化造成的地表垂直位移,并与同期的GPS高程残差进行了比较。结果显示,对大部分CORS站而言,GRACE反演的水文地壳垂向形变与GPS高程残差时间序变化量均在-6～6mm之间;由二者提取的年周期信号平均振幅均为2.5mm左右,但是相位存在较大差异。由于GPS数据处理过程未考虑周日、半周日大气潮汐,高阶电离层,及非潮汐海潮的影响,这三项误差会传播到测站坐标的时间序列,对GPS周年信号产生影响,所以可以认为GRACE与GPS结果的差异更多的是来自GPS数据处理的误差。     

克里金插值算法在形变监测中的应用

分析了克里金插值算法中,GPS台站分布在地表垂向形变监测中的影响。通过将GPS台站观测得到的垂直形变数据进行克里金插值,得到区域地表垂向形变场。实验表明,均匀布设GPS台站时,克里金插值算法得到的区域地表形变场整体效果较好;在形变量较大或形变梯度较高位置,更密的GPS台站分布有助于得到精度更高的形变场。     

利用GRACE改正GPS测站垂直方向的周期变化

处理青藏高原南部GPS站点多年的观测资料,结合地球重力场恢复和气候实验(gravity recovery and climate experiment,GRACE)数据反演得到的该区域地表质量变化引起的垂直方向变化值,发现该地区GPS观测的垂直方向时间序列与GRACE反演的地表垂向位移存在较大的相关性,多数站点的相关性在80%以上,部分站点的相关性甚至达到了95%以上。进一步研究发现,GPS和GRACE两种空间大地测量技术获得的时间序列存在较为明显的周期性周期变化,并且振幅和相位较为一致,利用GRACE改正GPS垂向观测值并定量计算其有效性。     

大气负荷对我国GNSS站地壳垂向形变影响分析

为了研究近年来我国GNSS基准站地壳大气负荷垂向形变细部特征,使用格林函数积分及简化方法对中国大陆构造环境监测网络中的6个基准站共计36个月的大气负荷效应进行了计算和分析,结果表明,大气负荷是造成地壳非构造垂向形变的重要因素,大气负荷效应引起的地壳垂向形变量的区域性差异及垂向形变量在我国东北部和西部新疆地区为最大,大气负荷效应改正可使GPS垂向精度进一步提高。      

利用GPS和GRACE研究澳大利亚地壳垂向季节性变化

为探究重力场恢复与气候实验(gravity recovery and climate experiment,GRACE)卫星与全球定位系统(global positioning system,GPS)两种独立技术获取的因陆地水储量变化引起的地壳垂向季节性位移的一致性,选取澳大利亚27个GPS站点5～10 a的高程时间序...     

Vertical deformations from homogeneously processed GRACE and global GPS long-term series

Temporal variations in the geographic distribution of surface mass cause surface displacements. Surface displacements derived from GRACE gravity field coefficient time series also should be observed in GPS coordinate time series, if both time series are sufficiently free of systematic errors. A successful validation can be an important contribution to climate change research, as the biggest contributors to mass variability in the system Earth include the movement of oceanic, atmospheric, and continental water and ice. In our analysis, we find that if the signals are larger than their precision, both geodetic sensor systems see common signals for almost all the 115 stations surveyed. Almost 80% of the stations have their signal WRMS decreased, when we subtract monthly GRACE surface displacements from those observed by GPS data. Almost all other stations are on ocean islands or small peninsulas, where the physically expected loading signals are very small. For a fair comparison, the data (79 months from September 2002 to April 2009) had to be treated appropriately: the GPS data were completely reprocessed with state-of-the-art models. We used an objective cluster analysis to identify and eliminate stations, where local effects or technical artifacts dominated the signals. In addition, it was necessary for both sets of results to be expressed in equivalent reference frames, meaning that net translations between the GPS and GRACE data sets had to be treated adequately. These data sets are then compared and statistically analyzed: we determine the stability (precision) of GRACE-derived, monthly vertical deformation data to be ~1.2 mm, using the data from three GRACE processing centers. We statistically analyze the mean annual signals, computed from the GPS and GRACE series. There is a detailed discussion of the results for five overall representative stations, in order to help the reader to link the displayed criteria of similarity to real data. A series of tests were performed with the goal of explaining the remaining GPS–GRACE residuals.     

中国西部地壳现今变形特征及其机制探讨

以中国大陆及周边10年来近400个GPS测站的复测资料为基础，获取并绘制了现今地壳水平运动与变形图像，结果表明：青藏块体内西半部南北向只存在微弱的缩短变化（5mm/a左右），东半部南北向则没有缩短的迹象，南北缩短的区域主要位于青藏块体南缘的喜马拉雅条带（约15mm/a），北缘中部的柴达木西区（约15mm/a）和青藏块体北面的天山块体及周围地区（约15mm/a）；青藏块体大约有10mm/a的东西拉张，但不均匀，自西向东经历了由弱到强再有所减弱的过程，整个西部地区东边缘的东向运动表现为南强北弱的左旋特征；川滇菱形块体不是逃逸块体而是变形块体；青藏块体东缘及附近地区是东向运动的消减区带，面应变结果显示，青藏块体周边以面收缩为主，内部则以面膨胀为主；其以北的地区以面收缩为主（但压中有张），面应变的量级为10^-8/a。这样的变形结果，若只靠来处于印度板块的北向挤压是无法解释的。由此并结合最新的地球物理研究成果可推断或证实，地壳下部来自南向的物质涌入是控制青藏块体乃至中国大陆形变的另一大动力源，甚至可能是主导动力源；或者具有深、浅立体活动的某种协同性。     

基于地壳分层的震后变形分析

基于球体粘弹性地球模型，研究走滑断层、逆断层、张裂断层。顾及不同地壳分层结构的震后变形影响，定量分析了实际地壳分层模型与模拟均匀模型之间的地表变形差异。计算结果显示，地壳结构的不同对震后地表变形的差异影响很大，超过现有高精度测量技术的精度。     

Low-degree earth deformation from reprocessed GPS observations

Surface mass variations of low spherical harmonic degree are derived from residual displacements of continuously tracking global positioning system (GPS) sites. Reprocessed GPS observations of 14 years are adjusted to obtain surface load coefficients up to degree n _max = 6 together with station positions and velocities from a rigorous parameter combination. Amplitude and phase estimates of the degree-1 annual variations are partly in good agreement with previously published results, but also show interannual differences of up to 2 mm and about 30 days, respectively. The results of this paper reveal significant impacts from different GPS observation modeling approaches on estimated degree-1 coefficients. We obtain displacements of the center of figure (CF) relative to the center of mass (CM), Δr _CF–CM, that differ by about 10 mm in maximum when compared to those of the commonly used coordinate residual approach. Neglected higher-order ionospheric terms are found to induce artificial seasonal and long-term variations especially for the z-component of Δr _CF–CM. Daily degree-1 estimates are examined in the frequency domain to assess alias contributions from model deficiencies with regard to satellite orbits. Finally, we directly compare our estimated low-degree surface load coefficients with recent results that involve data from the Gravity Recovery and Climate Experiment (GRACE) satellite mission.     

地表质量负载对格陵兰岛区域GPS站点坐标时序特征的影响

选取ITRF2008框架下格陵兰岛区域12个GPS站2013年1月-2016年12月期间的日解坐标时间序列作为研究对象，并利用极大似然估计分析地表质量负载改正前后各站点的噪声特性、速度场及周期项振幅。结果表明：站点最优噪声模型主要为白噪声+幂律噪声与白噪声+闪烁噪声，地表质量负载形变修正GPS坐标时序后，明显增加U方向闪烁噪声的成分，平均降低其速度约0.36 mm/a，对水平方向影响较小；同时分别降低高程方向44.1%、14.2%的1 a项、0.5 a项振幅，相反，却增加了水平方向的周期项振幅。     

顾及GRACE季节影响的华北平原水储量变化反演

基于移去-恢复方法,利用GRACE卫星重力数据研究了华北平原2003年1月—2014年6月的陆地水变化,提出了一种顾及季节影响尺度因子计算方法,用于减小GRACE后处理误差。将本文方法所得结果与水文模式和降水模型结合进行比较分析,结果表明：2008年之前华北平原发生比较明显的干旱现象,陆地水和地表水分别以（-7.9±2.4）mm/a和（-7.3±2.8）mm/a的速度下降,但地下水仅以（-0.6±1.4）mm/a的速度减少;2008年之后,陆地水和地表水分别以（4.3±1.3）mm/a和（10.9±2.1）mm/a的速度上升,期间地下水的超采严重,平均以（-6.5±1.2）mm/a的速度下降,但下降速度以0.9 mm/a²的趋势减缓。研究期间内,华北平原的陆地水、地表水和地下水整体分别呈现（-2.0±0.6）、（2.9±0.7）和（-4.8±0.7）mm/a的变化趋势。最后,利用交叉小波谱分析了GRACE滞后于降水的现象。研究结论表明,降水和地下水开采是影响华北平原水储量变化的两大决定性因素。     

多平台MC-SBAS长时序建模与形变提取方法

卫星时序差分雷达干涉已在区域地表形变监测中展现出极好的应用潜力,但因受卫星寿命及重访周期等因素的限制,单一卫星平台很难为长时间跨度(如5~10年)的时序形变计算与分析提供数据源。为扩展区域地表形变监测的时间跨度,本文提出了基于模型约束的短基线集(MC-SBAS)时序干涉方法,即使用非线性形变模型约束SBAS分析与处理,达到不同卫星平台数据融合和形变监测效率提高的目的。研究选取美国南加州地区为试验区域,使用2002—2005年获取的10幅ERS SAR影像和2004—2008年获取的20幅EnviSat ASAR影像,基于MC-SBAS提取该区域时序形变信息,时间跨度扩展为6.5年;以6个GPS站时序观测数据为参考,对MC-SBAS结果和常规SBAS结果进行了对比验证。分析表明,MC-SBAS、SBAS与GPS形变结果的均方根误差分别为8.7和11.7mm,MC-SBAS形变序列的连续性得到有效改善,而且形变监测精度得到提高。