海潮负荷引起的弹性潮汐形变解

1.计算方法根据自由振荡理论,质量负荷作用下的地球形变平衡方程形式为■式中u和v表示球坐标系中r和θ方向的位移量,ρ_0=ρ_0(r)、g_0=g_0(r)为形变前的地球密度场和引力加速度,ψ为质量附加扰动位ψ_1和直接作用于地球的扰动位ψ_2之和,(?)为体胀系数,λ(r)、μ(r)、e_(?)(?)、e_(?)(?)、e_(?)(?)和e_φφ分别为拉梅常数和应变分量。扰动位ψ满足泊松方程     

大地水准面高对InSAR大范围地壳形变监测的影响分析

由于InSAR数据处理所用的WGS84参考椭球系统与通用的DEM高程系统(EGM96大地水准参考面)不一致,在InSAR形变监测分析中会引入大地水准面高导致的误差.本文利用覆盖青藏高原北部阿尔金断裂带西段的27景Envisat ASAR宽幅模式数据和44景条带模式数据,研究了大地水准面高与InSAR大范围形变测量不确定性的关系:(1)模拟分析表明对于100 m的垂直基线,8.8 m的DEM测量误差,若研究区域存在20 m的大地水准面高的变化,对宽幅或条带模式InSAR形变测量造成的影响将由3 mm增至10 mm左右;(2)实例验证表明对于不同的研究区域,大地水准面高与该地区地形变化存在较大相关性,对于同一研究区域,垂直基线的大小决定了大地水准面高对InSAR不确定性的影响程度;(3)对于大地水准面高有较大梯度变化的研究区域,组合短基线方法与去除轨道平面的方法难以消除大地水准面高的影响.使用基于WGS84高程系统的DEM,可以为InSAR形变测量分析提供统一的高程基准,有效避免大地水准面高误差的影响.     

用D\|InSAR技术测量地面形变位移三分量

SAR图像按轨道和天线视向划分有升轨左视、升轨右视、降轨左视和降轨右视四种类型，仅采用其中的一种SAR图像测量地面形变，会因为D\|InSAR技术仅对视线方向位移敏感而产生误差.本文在介绍D\|InSAR测量原理的基础上，详细导出了由视线方向形变量计算真实形变位移三分量的一般表达式，分析了用D\|InSAR技术测量形变位移三分量存在的困难，最后给出了可能解决途径.     

长江三峡工程库首区InSAR测量的初步研究

正在进行的长江三峡水利枢纽工程将建成世界上最大的人工水库，已有的研究表明，高坝水库有可能诱发中强地震。合成孔径雷达干涉测量（InSAR)已成为测量地球表面变化极具潜力的技术。对欧洲遥感卫星ERS－1与ERS－2的SAR数据的初步分析表明：只要时间跨度不太长，在有植被覆盖、地形起伏较大的山区亦能获得较为理想的干涉图像。结合三峡地壳形变监测网络，利用InSAR技术完全有希望识别三峡工程蓄水过程的地表变形。     

用东海和南海潮汐资料修正全球海潮模型对中国及邻区重力场负荷计算的影响

利用11个全球海潮模型和中国东海及南海近海潮汐资料,计算了海潮负荷对中国及邻区重力场的影响,进而讨论了用近海潮汐资料修正全球海潮模型对负荷结果的影响. 结果表明, 用近海潮汐资料修正全球海潮模型对沿海地区的负荷计算影响较大, 因此在计算海潮负荷对沿海台站的影响时, 必须顾及近海潮汐效应. 计算M2波海潮负荷时, 选择CSR4.0, FES02, GOT00, NAO99和ORI96海潮模型, 则对于内陆大部分台站负荷的近海效应在0.1times;10-8m/s2量级; 而计算O1波时, 如选择AG95或CSR3.0模型, 则在0.05times;10-8m/s2量级. 这说明模型中的各个潮波在我国沿海的准确性并不是一致的, 因此模型的选择是比较复杂的.      

大连台重力固体潮受海潮负荷影响特征研究

大连台重力固体潮汐观测受海潮负荷影响较大,选取2015年1月1日～2019年8月14日的重力数据进行预处理,获得重力潮汐参数,基于选取的8个海潮模型对O₁、K₁和M₂波进行海潮负荷改正及评价分析。数值分析结果表明,O₁、K₁和M₂波的重力海潮负荷振幅分布频段在2.4～2.8μGal之间,3个主潮波的残差负荷改正有效性为43％～53％,8个海潮模型对大连台主潮波的海潮负荷改正差别较小。     

InSAR技术在监测形变中的干涉条件分析

针对InSAR技术在形变监测领域中的应用,本文从分析D-InSAR的干涉机理对其约束条件出发,重点研究空间去相关和形变梯度这两个关键指标对形变信息提取的影响.研究针对不同系统参数的传感器来展开,并论证这两个因素对干涉测量的限制.本文的创新性工作主要集中在以下几个方面: (1)分析了各传感器参数下的临界坡度范围,进而确立了SAR传感器监测的无信息区域;(2)证明了在植被覆盖区,相干性分解必须考虑体散射分量,并依此对模型进行了修正;(3)明确了形变梯度与相位梯度的差异以及两者的函数关系,并将入射角引入形变梯度函数模型.(4)通过模拟数据和真实数据比较各传感器在不同条件下形变监测的优缺点,在统计分析的基础上进一步验证结论.本文的研究是对干涉测量条件的进一步补充,对于理解干涉成像机理、完善InSAR数值计算模型(形变梯度模型和相干性分解模型)以及帮助研究人员根据研究区域特征选择合适的InSAR数据具有一定的参考价值.     

固体潮位移InSAR相位模拟及对广域地表形变监测的影响初探

固体地球潮汐（Solid earth tide,SET）在地表产生的径向位移可达40~50 cm,形变梯度可达2 cm/100 km,是各种精密大地测量和地球物理观测必须考虑的因素之一.随着星载合成孔径雷达干涉测量（Interferometric synthetic aperture radar,InSAR）地表形变监测范围的不断增大以及对精度要求不断提高,固体潮位移对InSAR观测的影响不容忽视.本文利用固体潮位移理论模型,根据InSAR测量基本原理和Sentinel-1卫星成像参数,模拟了固体潮位移InSAR相位,定量分析了其时空分布特征,并以我国江汉平原和北美大平原的Sentinel-1数据为例,探讨了固体潮位移InSAR相位对广域地表形变监测的影响.结果表明：（1）固体潮位移对InSAR广域地表形变监测存在较大影响,在250 km×250 km范围中,以C波段为例,其相位变化可达12 rad（对应52 mm视线向形变）;（2）固体潮位移相位在中低纬度（60°S—60°N）地区变化较大,两极地区较小,且在时间上具有明显的周期性;（3）在Sentinel-1 InSAR观测中,通过固体潮位移相位改正去除了干涉图中的部分低频相位偏差,相比原始干涉图,改正后的解缠相位标准差减小了约29%.本研究对于认识固体潮位移InSAR相位的时空分布特征以及提高星载InSAR广域地表形变监测的准确度与可靠性均具有重要意义.

     

潮汐效应对沿海多条带时序InSAR地表形变监测的影响

潮汐效应对沿海大范围、高精度的合成孔径雷达干涉测量(Interferometric Synthetic Aperture Radar, InSAR)技术地表形变监测的影响不可忽略. 潮汐效应中的固体潮(Solid Earth Tide, SET)位移和海洋潮汐负荷(Ocean Tide Loading, OTL)位移会在时间和空间域上对沿海大范围InSAR地表形变监测产生分米级的误差, 而且不同条带中地表潮汐形变时空差异性会对多条带InSAR影像拼接产生较大误差. 本文针对沿海地区多条带InSAR形变时序, 重点分析了潮汐效应在不同条带InSAR地表沉降监测中的影响, 并采用多种潮汐位移估计方法对多条带地表潮汐形变进行改正. 结果表明, 研究区域不同条带时序InSAR中地表潮汐形变具有较大的时空差异性, 其造成沿海地区相邻条带时序InSAR地表沉降速率差异能达到1~2 cm·a^-1; 通过固体潮模型、海潮负荷模型或GPS参考站网海潮位移改正, 能够消除不同条带中地表潮汐形变时空差异性对时序InSAR形变结果拼接产生的空间高阶非线性误差, 弥补了传统拼接方法在拟合潮汐位移偏差的不足. 在大气延迟误差改正的基础上, 时序InSAR形变残差的标准差(Standard Deviation, STD)由潮汐改正前的2.3 cm减少至0.75 cm; 本文研究揭示了沿海地表潮汐形变改正对多条带时序InSAR形变结果拼接的重要性, 可大幅提高沿海地区广域时序InSAR地表形变监测的精度.

     

Determination of vertical displacements over the coastal area of Korea due to the ocean tide loading using GPS observations

This paper describes the GPS applicability for detecting the vertical displacements of ground stations caused by ocean tide loading effects. An experiment was carried out using 12 permanent GPS stations located in the coastal area of Korea using data in the period 1 July until 26 August 2003. The relative height differences were calculated from hourly DGPS data processing based on the carrier-phase observation. The power spectra of the M₂ and N₂ constituents of ocean tide loading were derived using the CLEAN algorithm. The differential vertical displacements generated by the ocean tide loading effect are typically 3–25 mm in coastal area of the Korea. We compared the results from GPS with those of the ocean tide models, NAO.99Jb regional model and GOT00.2, FES99 global models. The M₂ (N₂) amplitude differences of vertical displacements between GPS and GOT00.2 is 1.22 ± 3.61 mm (1.01 ± 1.48 mm), and that of the M₂ (N₂) amplitude difference between GPS and FES99 is 0.04 ± 4.64 mm (0.64 ± 1.75 mm), whereas the M₂ (N₂) amplitude difference between GPS and NAO.99Jb are 0.05 ± 1.03 mm (0.86 ± 1.18 mm). The highest vertical displacements at the PALM station are found for 24.5 ± 0.7 mm from GPS observation, and 22.9 mm from the regional model NAO.99Jb and 13.17 and 10.00 mm from the global models GOT00.2 and FES99, respectively. These values show that the vertical displacements derived from GPS are in good agreement with those of the regional model NAO.99Jb around Korea, more than with the global models. This result indicated that GPS is an effective tool to measure the vertical displacement caused by the ocean tide loading effect in the coastal area, and we need to use the NAO.99Jb ocean tide model rather than the global ocean tide models in and around the Korean peninsula for position determination with permanent GPS installations. This work demonstrates that vertical displacement caused by the M₂ and N₂ constituents of ocean tide loading can be measured by carrier-phase DGPS.     

Accuracy assessment of ocean tide loading computations for precise geodetic observations

The increasing resolution of ground based gravity measurements (e.g. by superconducting gravimeters) as well as satellite based gravity field studies allows to study very small signals, globally as well as local. On the other hand, this requires the correction of such signals to uncover others. To study the Earth’s deep interior and the on-going dynamic processes requires the correction of disturbing signals, and one of these signals is related to ocean tidal loading. Although new ocean tide models are being derived from current satellite missions, there are still uncertainties.In this paper we present an intercomparison ocean tide models to test their fit to world-wide observations. Therefore, three TOPEX/POSEIDON (T/P) satellite derived models (CSR3.0, FES95.2 and TPXO.2) beside the classical SCHW80 model were selected for an accuracy assessment study. The selected models have been subjected to an intercomparison test, tide gauge validation test and comparison to 59 tidal gravity stations.The intercomparison test shows a good agreement between the T/P-based models for the open ocean and remarkable disagreement between the selected models in the coastal regions indicating that such models are still problematic in these regions. The tide gauge validation shows that the T/P derived models fit tide gauges better than SCHW80, with a better fit for the semidiurnal constituents than for the diurnal constituents. Comparing the gravimetric ocean-tide loading computed from the selected models with the residuals from a set of 59 tidal gravity stations shows that there is an improvement of the T/P derived models with respect to the Schwiderski model, especially in M2. However, this improvement is not as significant as the result of the comparison with the pelagic data. The procedure developed for the comparison of T/P derived models with SCHW80 is presented. The results provide not only information and improvement with regard to SCHW80, but also information about the properties of the new models. It is intended to continue this work applying the very recent models to see how they perform compared to this study.With this study we provide boundary conditions for the improvement of new ocean-tide models in order to benefit from the gravity measurements now possible regarding the evaluation of Earth structures and dynamic processes.     

南极中山与昭和站重力海潮负荷效应及背景噪声研究

利用南极中山站LCR-ET21重力仪器与昭和站GWR058仪器获得的重力潮汐观测资料,采用最新的三个全球海潮模型（Dtu10,Eot11A和HAM11A）研究了南极地区的海潮负荷效应和背景噪声.结果表明,由三个海潮模型计算的重力负荷均值改正后,中山站O1和M2振幅观测残差分别由13.83%和20.55%下降到5.32%和5.95%,昭和站O1和M2振幅观测残差分别由10.84%和21.52%下降到1.91%和3.40%,说明海潮负荷改正的有效性.利用加汉宁窗的FFT变换,获得了地震频段的地震噪声等级（SNM）,其值分别为1.574（中山站）和1.289（昭和站）.而在潮汐频段,中山站的背景噪声比昭和站高一个数量级,主要由不同观测仪器和台站局部环境所致.本文结果可为进一步利用南极重力资料研究局部环境和全球动力学问题提供有效参考.     

武汉超导重力仪观测最新结果和海潮模型研究

利用武汉台站GWR_C032超导重力仪观测资料,在对原始数据进行有效预处理的基础上作调和分析,获得反映地球内部介质特征的重力潮汐参数.基于卫星测高技术和有限元方法同时考虑验潮站数据作约束条件获得的多个全球海潮模型,利用负荷理论和数值褶积积分技术计算了重力负荷,对周日和半日频段内的重力潮汐参数实施负荷改正,提出了“负荷改正有效性”概念,研究了全球海潮模型适应性.数值结果说明,海潮改正的有效性高达91%（O1,NAO99）和92%（M2,ORI96）.基于11个海潮模型对主波（O1,K1,M2和S2）的负荷改正说明平均有效性为（86%,70%,73%和84%）,振幅因子与理论模型间的差异分别从（212%,155%,116%和080%）降到（031%,039%,034%和008%）,同时还说明利用NAO99和ORI96全球海潮模型能获得比其他模型更佳的负荷改正效果.文章还利用国际地球动力学计划网络其他7个台站的超导重力仪观测研究了全球海潮模型的适定性问题,结果说明不同模型中不同潮波具有明显的区域特点,早期构制的SCW80全球海潮模型仍可作为大地测量研究中的重要参考模型.     

不同海潮模型对中国大陆构造环境监测网络GNSS数据解算的影响

选取2018年中国大陆构造环境监测网络GNSS基准站及中国周边IGS站数据,基于CSR4、FES2004、GOT00、NAO99b等海潮负荷改正模型,采用单一变量的解算方式,分析不同海潮模型对我国GNSS基准站基线、三维坐标、时间序列等造成的影响。结果表明：利用不同海潮模型解算基线精度,水平方向相差不大于1 mm,垂向相差不大于3 mm;各测站NEU坐标精度均在毫米级以下,以耿马站时间序列为例,与其他模型相比,基于FES2004模型解算的各向偏差趋势波动较弱,其年序列图的精度及连续性、稳定性更佳。简言之,利用FES2004海潮模型解算GNSS站点位置,效果较好。     

武汉台重力潮汐长期观测结果

采用武汉台超导重力仪(SG C032)14年多的长期连续观测资料,研究了固体地球对二阶和三阶引潮力的响应特征,精密测定了重力潮汐参数,系统研究了最新的固体潮模型和海潮模型在中国大陆的有效性.采用最新的8个全球海潮模型计算了海潮负荷效应,从武汉台SG C032的观测中成功分离出63个2阶潮汐波群和15个3阶潮汐波群信号,3阶潮波涵盖了周日、半日和1/3日三个频段.重力潮汐观测的精度非常高,标准偏差达到1.116 nm·s-2,系统反映了非流体静力平衡、非弹性地球对2阶和3阶引潮力的响应特征.结果表明,现有的武汉国际重力潮汐基准在半日频段非常精确,但在周日频段存在比较明显的偏差,需要进一步精化.对于中国大陆的大地测量观测,固体潮可以采用Dehant等考虑地球内部介质非弹性和非流体静力平衡建立的固体潮理论模型或Xu 等基于全球SG观测建立的重力潮汐全球实验模型作为参考和改正模型,海潮负荷效应应该采用Nao99作为改正模型.