非构造形变对中国大陆GNSS基准站垂向周期运动的影响_梁洪宝

第３５卷第４期２０１５年８月大地测量与地球动力学Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｇｅｏｄｅｓｙ　ａｎｄ　ＧｅｏｄｙｎａｍｉｃｓＶｏｌ．３５Ｎｏ．４Ａｕｇ．，２０１５收稿日期：２０１４－０６－３０项目来源：中国地震局地震行业科研专项（２０１３０８００９）；中国地震局地震科技星火计划（ＸＨ１５０６０Ｙ）；中国地震局青年震情跟踪课题（２０１４０２０２０５）；中国地震局“三结合”课题（１４３３０１）。

第一作者简介：梁洪宝，工程师，主要从事ＧＮＳＳ数据处理与形变分析研究，Ｅ－ｍａｉｌ：ｌｈｂ１３１４２１＠１２６．ｃｏｍ。

ＤＯＩ：１０．１４０７５／ｊ．ｊｇｇ．２０１５．０４．０１０文章编号：１６７１－５９４２（２０１５）０４－０５８９－０５非构造形变对中国大陆ＧＮＳＳ基准站垂向周期运动的影响梁洪宝１　刘志广１　黄立人１　占　伟１１　中国地震局第一监测中心，天津市耐火路７号，３００１８０摘　要：解算陆态网络２０１１～２０１３年ＧＮＳＳ基准站，获取其坐标时间序列，并定量计算非潮汐海洋、大气、积雪和土壤湿度对测站产生的非构造形变，以修正ＧＮＳＳ垂向时间序列。

修正后，ＧＮＳＳ垂向序列特性发生显著变化：周年运动振幅和初相均发生明显变化，振幅明显缩小（个别站增大），缩小幅度因不同区域而存在差异；修正前相位与修正后存在一定的系统偏差，大约滞后２～３个月，这种系统偏差可能是ＧＮＳＳ测站对地球物理因素“迟钝反应”的综合表现；半周年运动的变化主要体现在振幅上，缩小幅度在１ｍｍ左右。

关键词：非构造形变；中国大陆；ＧＮＳＳ基准站；周年运动；半周年运动中图分类号：Ｐ２２７ 文献标识码：Ａ ＧＮＳＳ基准站的连续观测是地壳水平运动监测的主要手段之一，被广泛应用于地壳形变分析［１－４］、强震水平位移场监测［５－６］等。

但ＧＮＳＳ基准站高程分量的应用成果甚少，造成ＧＮＳＳ高程分量数据资源的浪费。

ＧＮＳＳ垂直位移时间序列既包含轨道误差及各种改正模型误差，如大气对流层和电离层改正、ＧＮＳＳ天线相位中心改正和环境因素（多路径效应）等的影响，也包含各种地球物理信号的影响，如地表流体质量变化可以引起ＧＰＳ台站垂直位移的变化。

目前，地表流体荷载形变量的计算主要采用格林函数［７］。

地表流体质量变化部分可以在全球解释４２％的ＧＮＳＳ台站垂直位移变化［８］。

朱文耀［９］、Ｂｏｇｕｓｚ［１０］利用ＧＰＳ高程导出全球高程振荡运动及季节变化，发现地球存在以半周年和周年为周期的整体性扩张与收缩振荡运动。

张鹏飞［１１］利用ＧＰＳ监测中国地壳的垂向季节性变化，并计算了大气压、非潮汐海洋负荷、积雪和地表水等质量负荷引起的地壳垂向季节性位移，但ＧＰＳ估计的季节性变化结果与质量负荷预报结果存在明显的系统性差别，这说明ＧＰＳ的垂向季节性变化是由包括上述质量负荷和其他未知因素综合作用的结果。

要充分发挥我国大陆ＧＮＳＳ基准站垂向分量数据在地壳监测中的应用，必须明确非构造形变对我国大陆区域内ＧＮＳＳ基准站垂向运动的影响。

１　数据处理１．１　ＧＮＳＳ时间序列计算利用ＧＡＭＩＴ／ＧＬＯＢＫ　１０．４软件对２０１１～２０１３年陆态网络ＧＮＳＳ基准站和ＩＧＳ站观测数据进行单天解算，数据采样间隔３０ｓ。

控制网采用三级控制［１５］：１）全球性的子网（ｊｚｉｇ），由全球挑选的７７个均匀分布的ＩＧＳ站与１８个网络工程站组成；２）全国性的子网（ｊｚｊｚ），由中国大陆及周边地区挑选的１７个ＩＧＳ测站与３４个网络工程基准站组成；３）２３０个陆态网络新建ＧＮＳＳ站按区域分为６个子网（华北、东北、华南、川滇、新西、甘青），每个子网加入子网所在区域及周边地区的一些网络工程基准站和ＩＧＳ站。

利用ＱＯＣＡ软件ｓｔ＿ｆｉｌｔｅｒ模块对所有站点的单日松弛解进行整网严密平差，获取ＩＴＲＦ框架下ＧＮＳＳ基准站坐标时间序列。

图１仅列出北京房山（ＢＪＦＳ）、上海（ＳＨＡＯ）、拉萨（ＬＨＡＺ）和乌鲁木齐（ＵＲＵＭ）４个站的垂向序列。

１．２　非构造形变计算非潮汐海洋模型由美国国家海洋合作计划制定的海洋环流及其估值ＥＣＣＯ模型提供，其基础是ＭＩＴ的全球环流模型和一个用于同化的大地测量与地球动力学２０１５年８月图１　ＧＮＳＳ基准站垂向序列与荷载形变序列Ｆｉｇ．１　ＧＮＳＳ　ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ　ｓｔａｔｉｏｎ　ｖｅｒｔｉｃａｌ　ｓｅｒｉｅｓ　ａｎｄ　ｌｏａｄｉｎｇ　ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ　ｓｅｒｉｅｓＫａｌｍａｎ滤波器。

ＥＣＣＯ模型覆盖区域从７９．５°Ｓ～７８．５°Ｎ，在赤道附近（２０°Ｓ～２０°Ｎ）纬度方向的分辨率为１／３°，而在高纬度地区纬度方向的分辨率降低到１°，经度方向的分辨率保持１°。

垂直方向分为４６层，海面附近１５０ｍ内垂直方向分辨率为１０ｍ，时间分辨率为１２ｈ；气压数据模型采用ＮＥＣＰ（Ｎａｔｉｏｎａｌ　Ｃｅｎｔｅｒ　ｆｏｒ　ＥｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌＰｒｅｄｉｃｔｉｏｎ），时间分辨率为６ｈ，空间分辨率为２．５°；积雪深度与土壤湿度数据采用ＧＬＤＡＳ数据的ＮＯＡＨ模型，其中土壤湿度模型由土壤深度为０～０．１、０．１～０．４、０．４～１．０和１．０～２．０ｍ等４层模型组成，空间分辨率覆盖区域为６０°Ｓ～９０°Ｎ、１８０°Ｗ～１８０°Ｅ，时间分辨率均为３ｈ。

荷载形变的计算采用格林函数原理，利用ＱＯＣＡ软件对２６０个ＧＮＳＳ基准站荷载形变进行解算，获取ＧＮＳＳ荷载形变时间序列，如图１。

对所有测站垂向荷载形变量值统计和比较发现，大气荷载形变量最大，尤其是华北地区靠近沿海的测站；其次是土壤湿度荷载形变，最大形变区域在川滇降水较多的地区；再次是积雪深度荷载形变，主要体现在新疆和东北等降雪较多的地区；最后是非潮汐海洋荷载形变，最大数值在１ｍｍ左右。

０９５　第３５卷第４期梁洪宝等：非构造形变对中国大陆ＧＮＳＳ基准站垂向周期运动的影响２　非构造信息对ＧＮＳＳ基准站垂向运动的影响 利用非潮汐海洋、大气、积雪和土壤湿度产生的垂向荷载形变对ＧＮＳＳ基准站垂向分量进行修正，主要体现在年周期和半年周期项的修正上。

为了突出荷载形变对ＧＮＳＳ垂向分量的影响，对测站的垂向线性变化予以扣除。

修正前后垂向序列的周期项用正弦函数拟合：ｕ（ｔ）＝Ａｓｉｎ（ω（ｔ－ｔ０）＋φ０）（１）其中，振幅Ａ和初始相位φ０为待估参数；对于周年项，ω＝２π／ａ，对于半周年项，ω＝４π／ａ；初始历元ｔ０＝２０１１．０，ｔ以ａ为单位。

修正结果如图２所示。

通过修正，测站年周期振幅和初相变化较大，谐波明显趋于平滑；半年周期振幅和初相变化较小。

图２　ＧＮＳＳ测站垂向分量荷载修正前后的周期运动（正弦函数拟合）Ｆｉｇ．２　Ｔｈｅ　ｐｅｒｉｏｄｉｃ　ｍｏｔｉｏｎ　ｏｆ　ＧＮＳＳ　ｓｉｔｅｓ　ｖｅｒｔｉｃａｌ　ｃｏｍｐｏｎｅｎｔ　ｂｅｆｏｒｅ　ａｎｄ　ａｆｔｅｒ　ｃｏｒｒｅｃｔｉｏｎ 陆态网络ＧＮＳＳ基准站由于供电、仪器、维护等因素，个别测站观测数据缺失较为严重，因此本文选取其中２４１个测站进行研究。

经过非潮汐、大气、积雪和土壤湿度修正后，所有测站垂向荷载修正前后周年和半周年变化示意如图３、图４。

图３　修正前（蓝色）后（红色）ＧＮＳＳ测站垂向周年变化（正弦函数拟合，参考点为２０１１．０），箭头长度表示振幅，东向逆时针旋转的方位角表示初相位方向，箭头指向东、南、西、北方向依次表示正极值发生在０．２５、０．５０、０．７５、０．０ａＦｉｇ．３　ＧＮＳＳ　ｓｉｔｅｓ　ｖｅｒｔｉｃａｌ　ａｎｎｕａｌ　ｖａｒｉａｔｉｏｎ　ｂｅｆｏｒｅ（ｂｌｕｅ）ａｎｄ　ａｆｔｅｒ（ｒｅｄ）ｃｏｒｒｅｃｔｉｏｎ（ｆｉｔｔｉｎｇ　ｆｏｒ　ａ　ｙｅａｒｌｙｓｉｎｕｓｏｉｄａｌ　ｃｕｒｖｅ，ｗｉｔｈ　ｔｈｅ　ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ　ｐｏｉｎｔ　２０１１．０）从图３可看出，荷载修正前后测站垂向位置变化的周年项不仅振幅有显著变化，而且相位也存在一定程度的系统偏差，修正前比修正后滞后２～３个月。

这种系统偏差可能是ＧＮＳＳ测站对地球物理因素影响“迟钝反应”的综合表现，因为图４　修正前（蓝色）后（红色）ＧＮＳＳ测站垂向半周年变化（正弦函数拟合，参考点为２０１１．０），箭头长度表示振幅，东向逆时针旋转的方位角表示初相位方向，箭头指向东、南、西、北方向依次表示正极值发生在０．１２５、０．２５、０．３２５、０．５０ａＦｉｇ．４　ＧＮＳＳ　ｓｉｔｅｓ　ｖｅｒｔｉｃａｌ　ｓｅｍｉ－ａｎｎｕａｌ　ｖａｒｉａｔｉｏｎ　ｂｅｆｏｒｅ（ｂｌｕｅ）ａｎｄ　ａｆｔｅｒ（ｒｅｄ）ｃｏｒｒｅｃｔｉｏｎ（ｆｉｔｔｉｎｇ　ｆｏｒ　ａ　ｓｅｍｉａｎｎｕａｌｓｉｎｕｓｏｉｄａｌ　ｃｕｒｖｅ，ｗｉｔｈ　ｔｈｅ　ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ　ｐｏｉｎｔ　２０１１．０）地球物理因素的强度变化存在一个过程。

如雨季时，土壤湿度达到最大值，随着水分的蒸发，土壤湿度降低，其对ＧＮＳＳ测站的垂向位移并不会随土壤湿度的变化而实时变化。

当这种变化达到一１９５大地测量与地球动力学２０１５年８月定量值时才会引起ＧＮＳＳ测站垂向位移的变化，使ＧＮＳＳ测站的垂向位移变化的时间点与地球物理因素产生的荷载时间点存在一定的系统性偏差。

对于中国大陆不同区域的测站，周年项的振幅和相位修正幅度也不尽相同，四川南部和云南地区振幅最大，其次是东北、华北和新疆北部，新疆南部、青藏高原东北缘和华南地区最小。

从振幅来看，靠近东部沿海地区的某些测站修正效果较差，约占１０％，其余地区修正效果较好，这可能是ＧＮＳＳ定位精度或地球物理模型不精确造成的。

从初始相位看，东北地区修正前后正极值分别出现在３～４月和１～２月，华北地区分别出现在４～５月和１～２月，华南地区分别出现在３～４月和１～２月，川滇、西藏和青藏高原东北缘地区分别出现在３～４月和２～３月，新疆地区修正前后正极值分别出现在５～６月和２～３月。

分别加半年，就是负极值月份。

从图４可看出，中国大陆不同区域的测站，半周年振幅和相位各不相同，东北、华南和新疆地区振幅较小，约为１～２ｍｍ；其余地区振幅较大，约为４～５ｍｍ。

修正后，振幅平均减小１ｍｍ左右，相位变化较小；修正前后，初相位差异较小，只有华北、华东地区测站相位差略大，相位修正前比修正后滞后１０ｄ左右。

滇西和青藏高原西南地区修正前后正极值出现在每年的６月和１２月，其余地区出现在每年１～２月和７～８月，分别加３个月就是负极值月份。

总之，非潮汐、大气、积雪和土壤湿度对ＧＮＳＳ基准站垂向分量的修正主要体现在周年项上，并且振幅和相位的修正幅度均较大；对于半周年项的修正，主要体现在振幅上，缩小幅度在１ｍｍ左右，相位修正幅度较小。

３　结　语１）全球框架点的影响。

由于ＧＮＳＳ测站垂向分量存在周期性运动，因此，在ＧＮＳＳ解算中作为全球框架点的测站假设只存在线性运动，这种假设是否对测站垂向周期运动特性有影响还需进一步研究。