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.     

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.     

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.     

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.     

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.     

全球水储量变化的GRACE卫星检测

利用GRACE月尺度变化的地球重力场反演了全球水储量变化,并与陆地水文资料、卫星测高资料及海洋模式得到的结果进行了比对.通过对SOURE台站重力变化的陆地水储量变化计算结果和GRACE重力场系数截断为15阶得到的结果比较,发现两者比较接近,且年周期变化特征明显.对于亚马逊流域,当重力场系数截断为15阶且平滑半径使用106 m时,GRACE反演的区域平均水储量厚度的周年变化振幅为15.6×10-2m,小于使用平滑半径为4×105m的23.7×10-2m.在研究长江流域时,本文对水文资料做球谐系数展开,并与GRACE数据做同样的截断和平滑处理,结果发现GRACE反演的水厚度变化与水文资料结果基本上符合.对于纬度±66°之间的海洋区域,GRACE反演的海水质量变化接近于结合卫星测高和海洋模式得到的结果,但对于2°×2°网格,则在一些区域差异明显,最大超过了0.2 m,中误差为3.8×10-2m.可见,当前GRACE卫星时变重力场只能确定出上千公里及以上尺度区域的水储量变化.     

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.     

地球模型对季节性负荷形变计算的影响——以川滇地区为例

利用川滇地区的GNSS和GRACE数据, 结合不同地球模型和负荷理论, 研究了地球模型对地表季节性负荷形变计算的影响, 该工作对于选取合适的地球模型开展负荷形变研究具有一定的参考价值。 研究表明: ① 川滇地区GNSS观测的地壳垂向季节性形变振幅为20 mm左右, GRACE反演的垂向形变与GNSS的结果相位一致, 振幅存在差异。 ② 区域地球模型的负荷勒夫数与其他地球模型的差异较大, 且负荷勒夫数h_n对地球结构的变化较为敏感。 ③ 区域地球模型可以改善GRACE反演的负荷形变结果, 从而减小与GNSS观测结果的差异。 ④ 川滇地区大部分GNSS测站的加权均方根比值减小量呈现由东北向西南方向逐渐增加的变化趋势。     

利用GPS和水文负载模型研究云南地区垂向季节性波动变化和构造变形

去除GPS垂向位移中水文负载引起的非构造形变是获取云南地区地壳构造运动垂向成分的必要过程.本文利用云南地区在2011年1月—2020年9月间观测的27个GPS连续站数据和0.5°×0.5°的格网全球地表流量模型(Land Surface Discharge Model,LSDM)得到的水文负载形变数据,详细分析了 GPS垂向位移与LSDM形变的定量关系和变化特点,并使用小波分析来研究两者在时频空间下的周期特性,研究结果表明:27个连续站的GPS垂向位移和LSDM形变的平均相关系数为0.59,若从GPS垂向位移中去除LSDM形变,可使均方根(Root Mean Squares,RMS)减少量平均为17.13％.小波分析结果表明,大部分连续站的GPS垂向位移与LSDM形变的年周期变化是物理相关的,水文负载形变是引起GPS年周期变化的主要原因,部分连续站(YNWS,KMIN,YNMZ,YNHZ,YNML,YNTH,YNDC和YNJP)的GPS年周期变化是其他因素(如其他地球物理因素、LSDM模型误差)和水文负载形变共同作用导致的.对于异常的YNGM连续站,地下水的变化、LSDM和GPS解算的系统误差可能是造成GPS垂向位移与LSDM形变相关性和一致性较差的主要原因.使用水文负载模型和共模误差对GPS垂向位移中非构造形变改正后,2011-2020年云南地区垂向速度场显示滇西南块体主要以0.01～1.9 mm·a-1的速率沉降,川滇块体南部主要以0.13～2 mm·a-1速率抬升.     

利用GRACE数据反演日本Mw9.0地震区域黏滞性

利用CSR(Center for Space Research)发布的GRACE RL05月重力场模型数据,通过水文模型GLDAS(Global Land Data Assimilation System)和CPC(Climate Prediction Center)扣除土壤水和雪水的影响,根据冰川模型扣除GIA(Global Isostatic Adjustment)的影响,采用P3M6去相关滤波和300 km扇形滤波,基于最小二乘拟合的方法得到日本M_W 9.0地震的同震及断层上下盘两个特征点重力变化时间序列,利用PSGRN/PSCMP模型对日本M_W 9.0地震区域黏滞性进行了反演,并计算了同震及震后5年研究区域重力变化的空间分布.结果表明,扣除土壤水和冰川均衡调整因素的影响,同震重力变化为-5.2×10~(-8)～2.9×10~(-8) ms~(-2);两个特征点在震后5年重力均增加,下盘重力增加较大;日本M_W 9.0地震区域黏滞性横向差异较明显,断层上下盘的地幔黏滞系数分别为2.5×10~(18) Pa·s、5.0×10~(17) Pa·s时,与GRACE观测值较接近,综合考虑断层上下盘的震后重力变化,区域黏滞系数大约为1.5×10~(18) Pa·s.     

联合GPS和GRACE观测研究日本MW9.0地震震后变形机制

利用GPS和GRACE观测数据研究了日本M_W9.0地震的震后变形特征.GPS观测显示,区域震后位移呈现随指数函数变化特征,变化速率符合大森公式的衰减特性;近五年的震后水平位移累积已达到东向60~165 cm,南向20~65 cm的量值,距震中较远站点已超过同震变化量,且震后变形仍然持续.GRACE观测到显著的震后重力变化,地震破裂两侧的重力变化总体均呈上升趋势,但海洋侧的变化速率较快.联合震后余滑和黏弹性位错理论对震后变形进行了模拟,探索了GPS和GRACE观测的综合应用方法.研究发现,综合考虑震后余滑和黏滞性松弛效应可以对日本地震的震后变形做出较合理的解释,震后初期余滑起主要作用,1至2年以后逐渐减弱,黏滞性松弛作用逐渐增强.在震后变形模拟和区域黏滞性结构反演中形成GPS和GRACE观测结合应用的方法,先基于震后GPS形变估算区域黏滞性结构,而后利用GRACE观测修正深部的黏滞系数,并综合利用这两种观测微调浅层黏滞系数,最终确定区域黏滞性结构.基于该方法反演了日本震源区的地幔黏滞性结构,地震断层破裂两侧的流变参数存在差异,大陆侧的地幔顶层黏滞系数在1.0×10¹⁹ Pa·s量级,而海洋侧的则略小于大陆的,在6.0×10¹⁸ Pa·s量级.     

近四年全球海水质量变化及其时空特征分析

本文利用卫星重力、卫星测高和海洋温盐数据反演计算全球海水质量变化,并分析其时空变化特征.卫星重力数据利用2003年1月~2006年12月的GRACE月时变重力场球谐系数,同时考虑替换一阶项和C₂₀项,并进行了相关误差滤波、高斯滤波和陆地水文信号泄漏改正,计算得到海洋等效水高变化;利用相同时间跨度的卫星测高数据和海洋温度、盐度水文观测数据,计算全球海平面变化和比容海平面变化,反演得到海水质量变化.反演的两种海水质量变化的年际变化特征一致性较好.三种数据得到的长期趋势变化,与1993~2003年的结果相比,可以看出,海水质量变化加速,并已成为全球海平面上升的主要因素.     

GNSS垂向形变场信息提取的尝试

一定条件下GNSS流动复测资料可为我们揭示地形变提供必要的依托,但由于垂向分量观测误差较大而没有被恰当地利用。利用华北地区1999-2007年的4期资料,从形变场的连续变化角度出发,提出了利用多核函数进行解析与滤波的方法,理论与结：器表明：①可获得垂直运动场的数学解析;②可实现对垂向运动场不同层次的滤波与信息分离;③当流动测站具有一定的空间密度、一定数量的复测结果和时间长度则可获得较可靠的形变信息。最后利用华北地区GNSS流动观测资料给出了实际算例与初步分析结果。     

利用GRACE观测数据研究苏门答腊区域的黏滞性结构

本文尝试利用卫星重力观测资料和震后黏弹性松弛理论研究苏门答腊地区的区域流变结构,为更好地认识区域地球动力学环境提供依据．利用GRACE卫星重力资料,计算了2004年苏门答腊Mw9．3地震的同震及震后的重力变化．计算中使用平滑半径为500km的高斯滤波器．结果显示苏门答腊Mw9．3地震破裂东侧以陆地为主的上盘同震下沉量很大,造成约9x10＾-8mS＾－2的重力下降阶变,而西侧处于海水下的下盘重力同震上升较小约2x10＾－8mS＾－2,但其震后上升较快．流变结构对岩石的变形有很大的影响,是地球动力学数值模拟取得可靠科学结果的基础．本文尝试了利用卫星重力变化时间序列来反演苏门答腊地区的黏滞性结构;即基于GRACE时变重力场,利用自重力、黏弹性、平面分层模型模拟了该地震的同震和震后变形,并将获得的空间固定点的重力变化与GRACE重力场及点位时间序列进行比较,估计该地区的黏滞性系数在1．0x10＾18PaS的量级,且断层两侧的流变参数存在差异．最后结合苏门答腊区域的构造特点讨论了黏滞性系数的影响因素．     

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.     

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.     

应用GRACE卫星重力数据计算陆地水变化的相关进展评述

GRACE重力卫星自2002年3月发射至今,已进行了十多年的连续观测,由此获得的重力场变化数据被广泛地应用于研究地表河流及地下水储量变化、南极和格林兰岛冰盖厚度以及全球海平面变化等.本文从GRACE重力卫星数据的处理方法入手,对其数据特点、限制条件和水文模型计算方法等问题进行了系统总结,并针对近年来利用GRACE卫星数据开展的相关研究,从估算全球水储量的变化、区域水储量变化、地下水变化以及陆地河流流域的水储量变化等方面对相关研究和应用进行了简要评述.最后,对使用GRACE卫星数据反演陆地水储量的验证方法和存在的问题进行讨论.本文对于全面了解近年来应用GRACE卫星数据研究陆地水储量变化方面的相关进展具有参考意义.     

基于Forward-Modeling方法的黑河流域水储量变化特征研究

黑河流域陆地水储量变化对流域下游等周边区域水资源的合理利用以及经济和社会发展等有着重要的意义.本文利用2003年1月至2013年12月的GRACE RL05数据反演了黑河流域陆地水储量长时间序列的变化,并针对重力场模型和数据处理中产生的信号泄漏问题,采用Forward-Modeling方法进行了改正并恢复泄漏信号;将GRACE获得的泄漏信号恢复前后的黑河流域水储量变化结果与全球水文模型GLDAS和CPC进行比较分析,结果表明泄漏信号改正后的结果与水文模型结果的时间序列相关性均有明显提高,从其空间分布结果可以看出Forward-Modeling方法有效地恢复初始信号、增强被湮没的信号,泄漏信号误差减小;通过分析黑河流域水储量变化的长时间序列结果,发现其具有明显的阶段性变化特征,即2003—2006年呈明显下降趋势,约为-0.86cm·a-1,在2007—2010年趋于平衡状态,而2011—2013年则呈现缓慢上升趋势约为0.14cm·a-1;联合GRACE数据和GLDAS数据反演了黑河流域地下水储量变化,并与全球降雨数据GPCC进行了比较分析,两者相关性可达到0.88以上.     

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.