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.     

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.     

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.     

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.     

武汉九峰地震台超导重力仪观测分析研究

连续重力观测和GPS的技术结合能够监测到物质迁移和地壳垂直形变之间的量化关系.和相对重力测量以及绝对重力测量技术相比,其避免了时间分辨率和观测精度低,无法精细描述观测周期内的物质迁移过程问题.本文利用武汉九峰地震台超导重力仪SGC053超过13000 h连续重力观测数据;同址观测的绝对重力仪观测结果;气压数据;周边GPS观测结果;GRACE卫星的时变重力场;全球水储量模型等资料,采用同址观测技术、调和分析法、相关分析方法在扣除九峰地震台潮汐、气压、极移和仪器漂移的基础上,利用重力残差时间序列和GPS垂直位移研究物质迁移和地壳垂直形变之间的量化关系.结果表明:在改正连续重力观测数据的潮汐、气压、极移的影响后,不仅准确观测到2009年的夏秋两季由于水负荷引起的约(6~8)×10^-8m·s^-2短期的重力变化.而且在扣除2.18×10^-8(m·s^-2)/a仪器漂移和水负荷的影响后,验证了本地区长短趋势垂直形变和重力变化之间具有一致的负相关性规律.同时长趋势表明该地区地壳处于下沉,重力处于增大过程,增加速率约为1.79×10^-8(m·s^-2)/a.武汉地区重力梯度关系约为-354×10^-8(m·s^-2)/m.     

基于CORS站网监测三峡地区陆地水负荷对地壳形变和重力变化的影响

三峡地区水资源丰富,加上三峡水库蓄放水的影响,水动力环境复杂,对该区域陆地水负荷变化影响的研究还比较薄弱.本文基于CORS站网,辅以少量重力台站数据,采用负荷形变和重力场球谐分析方法,研究了三峡地区陆地水负荷对地壳形变和重力变化的影响.本文研究发现:①基于CORS站网能够监测陆地水负荷引起的地壳形变和地面重力时空变化.②陆地水负荷对垂直形变的影响达厘米级,对水平形变的影响较小,对地面重力的影响可达数百微伽.③2011年1月至2015年6月陆地水负荷对垂直形变影响的年变化趋于平衡,对地面重力变化影响主要集中在三峡水库和重庆市附近.④基于CORS站网确定的三峡地区陆地水地壳垂直形变,与GRACE卫星重力成果在分布规律和趋势上具有较高的一致性,但在部分区域存在差异.本文研究成果可用于水动力环境监测与水资源保护利用,为高程基准和重力基准的动态维护提供支持.     

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.     

青藏高原南缘绝对重力测站的非构造重力效应特征

基于2002—2017年的ECMWF Interim三维大气再分析资料、GRACE时变重力场模型和GPS数据,分析了青藏高原南缘的拉萨、日喀则、仲巴、噶尔4个绝对重力测站的非构造重力效应。结果表明:ECMWF Interim大气负荷重力效应主要表现为季节性变化特征,最大周年振幅可达到1.4μGal;GRACE陆地水负荷重力效应和GPS地壳垂直位移引起的重力效应均存在较为明显的季节性及长期趋势变化特征,二者的最大周年振幅和长期趋势分别达到2.6μGal,-0.6μGal/a和1.8μGal,-0.3μGal/a;GRACE与GPS的比较分析结果表明青藏高原南缘的非构造重力效应会受到局部流体质量负荷的显著影响。     

基于GPS和GRACE数据的三维地表形变的比较及地球物理解释

GPS技术能以高空间和高时间分辨率监测地表形变.但由于测量原理的不同,GPS监测的地表形变与GRACE存在差异.本文比较了ITRF2008-GPS残差序列与基于CSR的RL05版本的GRACE球谐系数的地表形变序列的差异.结果表明,GPS和GRACE的周年变化在高程方向上具有较好的一致性,但水平方向的差异明显.重点分析了影响GPS/GRACE地表形变差异(尤其是水平方向)的三个因素:不同GPS站时间序列间的不确定性,热弹性形变和区域形变.GPS站地表形变本身的不确定度在一定程度上导致了GPS/GRACE间的差异(特别是水平方向).结合热弹性形变理论指出,由温度变化引起的热弹性形变也是导致GPS/GRACE的南北方向差异的主要原因之一.因此利用GPS数据研究地表质量负载时,必须消除热弹性形变的影响.区域负载对GPS/GRACE水平方向差异的影响也是不可忽略的,特别是对欧洲区域.     

Annual variation detected by GPS,GRACE and loading models

Most GPS coordinate time series, surface displacements derived from the Gravity Recovery and Climate Experiment (GRACE), and loading models display significant annual signals at many regions. This paper compares the annual signals of the GPS position time series from the Crustal Dynamics Data Information System (CDDIS), estimates of loading from GRACE monthly gravity field models calculated by three processing centers (Center of Spatial Research, CSR; Jet Propulsion Laboratory, JPL; GeoForschungsZentrum, GFZ) and three geophysical fluids models (National Center for Environmental Prediction, NCEP; Estimating the Circulation and Climate of the Ocean, ECCO; Global Land Data Assimilation System, GLDAS) for 270 globally distributed stations for the period 2003-2011. The results show that annual variations derived from the level-2 products from the three GRACE product centers are very similar. The absolute difference in annual amplitude between any two centers is never larger than 1.25 mm in the vertical and 0.11 mm in horizontal displacement. The mean phase differences of the GRACE results are less than ten days for all three components. When we correct the GPS vertical coordinate time series using the GRACE annual amplitudes using the products from three GRACE analysis centers, we find that we are able to reduce the GPS annual signal in the vertical at about 80% stations and the average reduction is about 47%. In the north and the east, the annual amplitude is reduced on 77% and 72% of the stations with the average reduction 32% and 33%. We also compare the annual surface displacement signal derived from two environmental models; the two models use the same atmospheric and non-tidal ocean loading and differ only in the continental water storage model that we use, either NCEP or GLDAS. We find that the model containing the GLDAS continental water storage is able to better reduce the annual signal in the GPS coordinate time series.     

利用GRACE数据反演东海沉积物变化

GRACE卫星的成功发射为海底沉积物的监测提供了新的方法.利用2003-2014年间的GRACERL05数据,采用同期的测高数据对海面高变化进行改正,使用水文模式数据和基于均一假设的尺度因子估计方法处理泄漏误差,反演了东海地区的沉积物变化情况,并对GIA效应进行了改正.结果表明:东海入海口处沉积物的平均变化速率为5.44±0.88mm·a^-1,最大值出现在浙江沿海地区,变化速率为6~7mm·a^-1;在空间分布上,呈现河口处沉积速率大,远离河口的大洋地区沉积速率小的特征.在时空分布上均与实测数据很好的吻合.沉积物变化时间序列的周年项振为6.8cm,周年变化主要与东海泥沙扩散路径相关的海洋环流模式有关;半周年项和两周年项振幅分别为0.6cm和0.7cm,这两项变化主要与长江流域降水引起的土壤侵蚀变化有关.最后,分析讨论了本文沉积物监测方法推广到其他地区的适用性和局限性.     

基于镭同位素分布的黄海和东海垂直混合速率计算

在黄海和东海采样测定了水体中的镭同位素分布,用平流扩散模型描述镭同位素分布,最小二乘方法计算了垂直涡动扩散系数和上升流或下降流流速.结果给出北黄海中部、南黄海中部、浙江沿岸和台湾北部海域存在上升流,流速分别为0.46×10^-3cm·s^-1、0.17×10^-3~1.39×10^-3cm·s^-1、2.02×10^-3~3.04×10^-3 cm·s^-1和1.06×10^-3~2.51×10^-3 cm·s^-1.北黄海中部和东海东北部存在下降流.流速分别为-2.30×10^-3 cm·s^-1和-0.61×10^-3~-2.10×10^-3 cm·s^-1.计算同时给出的垂直涡动扩散系数为5.84~48.2 cm²·s^-1,平均值为22.3 cm²·s^-1.北黄海和浙江沿岸上升流流速与文献的结果一致;北黄海中部存在下降流与文献的结论一致.本研究结果与文献结果一致是对所建立的方法的肯定,也是对文献研究结果的支持.     

基于GRACE Follow-On卫星重力梯度法精确反演地球重力场

由于GRACE Follow-On双星系统等效于基线长为星间距离的一维水平重力梯度仪,因此本文基于GRACE Follow-On卫星重力梯度法开展了精确和快速反演下一代地球重力场的可行性论证研究. 研究结果表明：第一,基于GRACE Follow-On卫星重力梯度法（GFO-SGGM）,利用卫星轨道参数（轨道高度250 km、星间距离50 km、轨道倾角89°、轨道离心率0.001）、关键载荷测量精度（星间距离10^-6 m、星间速度10^-7 m·s^-1、星间加速度10^-10 m·s^-2、轨道位置10^-3 m、轨道速度10^-6 m·s^-1、非保守力10^-11 m·s^-2）、观测时间30天和采样间隔10 s反演了120阶地球重力场,在120阶处累计大地水准面精度为9.331×10^-4 m. 第二,在120阶内,利用将来GRACE Follow-On双星反演地球重力场精度较现有GRACE双星平均提高61倍,因此GRACE Follow-On卫星重力梯度法是进一步提高地球重力场反演精度的优选方法. 第三,下一代GRACE Follow-On计划较当前GRACE计划的优点如下：轨道高度更低（200~300 km）、载荷精度更高（10^-7 ~10^-9 m·s^-1）和星间距离更短（50~100 km）.     

基于残余星间速度法精确和快速反演下一代GRACE Follow-On地球重力场

基于新型残余星间速度法（RIRM）反演了120阶GRACE Follow-On地球重力场. 第一,由于GPS定轨精度相对较低,通过将激光干涉测距仪的高精度残余星间速度（测量精度10^-7 m·s^-1）引入残余轨道速度差分矢量的视线分量构建了新型RIRM观测方程. 第二,基于2点、4点、6点和8点RIRM公式对比论证了最优的插值点数. 如果相关系数和采样间隔一定,随着插值点数的增加,卫星观测值的信号量被有效加强,而卫星观测值的误差量也同时增加. 因此,6点RIRM公式是提高下一代地球重力场精度的较优选择. 第三,相关系数对地球重力场精度的影响在不同频段表现为不同特性. 随着相关系数的逐渐增大,地球长波重力场精度逐渐降低,而地球中长波重力场精度逐渐升高. 第四,基于6点RIRM公式,通过30天观测数据和采样间隔5 s,分别利用星间速度和残余星间速度观测值,在120阶次处反演下一代GRACE Follow-On累计大地水准面精度为1.638×10^-3 m和1.396×10^-3 m. 研究结果表明：（1）残余星间速度观测量较星间速度对地球重力场反演精度更敏感;（2）GRACE Follow-On地球重力场精度较GRACE至少高10倍.     

Seasonal Water Storage Variations as Impacted by Water Abstractions: Comparing the Output of a Global Hydrological Model with GRACE and GPS Observations

Better quantification of continental water storage variations is expected to improve our understanding of water flows, including evapotranspiration, runoff and river discharge as well as human water abstractions. For the first time, total water storage (TWS) on the land area of the globe as computed by the global water model WaterGAP (Water Global Assessment and Prognosis) was compared to both gravity recovery and climate experiment (GRACE) and global positioning system (GPS) observations. The GRACE satellites sense the effect of TWS on the dynamic gravity field of the Earth. GPS reference points are displaced due to crustal deformation caused by time-varying TWS. Unfortunately, the worldwide coverage of the GPS tracking network is irregular, while GRACE provides global coverage albeit with low spatial resolution. Detrended TWS time series were analyzed by determining scaling factors for mean annual amplitude (f _GRACE) and time series of monthly TWS (f _GPS). Both GRACE and GPS indicate that WaterGAP underestimates seasonal variations of TWS on most of the land area of the globe. In addition, seasonal maximum TWS occurs 1 month earlier according to WaterGAP than according to GRACE on most land areas. While WaterGAP TWS is sensitive to the applied climate input data, none of the two data sets result in a clearly better fit to the observations. Due to the low number of GPS sites, GPS observations are less useful for validating global hydrological models than GRACE observations, but they serve to support the validity of GRACE TWS as observational target for hydrological modeling. For unknown reasons, WaterGAP appears to fit better to GPS than to GRACE. Both GPS and GRACE data, however, are rather uncertain due to a number of reasons, in particular in dry regions. It is not possible to benefit from either GPS or GRACE observations to monitor and quantify human water abstractions if only detrended (seasonal) TWS variations are considered. Regarding GRACE, this is mainly caused by the attenuation of the TWS differences between water abstraction variants due to the filtering required for GRACE TWS. Regarding GPS, station density is too low. Only if water abstractions lead to long-term changes in TWS by depletion or restoration of water storage in groundwater or large surface water bodies, GRACE may be used to support the quantification of human water abstractions.     

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.