張宏偉 肖 凡 何志堂 王應(yīng)建 趙東明 夏 晨

1)解放軍61365 部隊(duì)，天津 300140

2)解放軍信息工程大學(xué)測繪學(xué)院，鄭州 450052

3)陜西省測繪局，西安710054

1 引言

中國大陸構(gòu)造環(huán)境監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)工程(簡稱陸態(tài)網(wǎng))的科學(xué)目標(biāo)是建成覆蓋中國大陸及近海高精度、高時(shí)空分辨率和實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)的四維觀測體系，以監(jiān)測中國大陸構(gòu)造環(huán)境變化。

現(xiàn)陸態(tài)網(wǎng)已建成260 個(gè)GNSS 基準(zhǔn)站，并建成了基本均勻分布于全國的100 個(gè)基準(zhǔn)站構(gòu)成的絕對重力基準(zhǔn)網(wǎng)，其中約有12 個(gè)近海基準(zhǔn)站(圖1)。由于基準(zhǔn)站均為近?；鶞?zhǔn)站，因此我們將著重分析固體潮和海洋負(fù)荷潮對絕對重力觀測的影響。

2 近?；鶞?zhǔn)站絕對重力測定概況

陸態(tài)網(wǎng)12 個(gè)近海基準(zhǔn)站的絕對重力分別用FG5/214 和FG5/240 絕對重力儀進(jìn)行測量，其中FG5/214 測定了北海、廣州、廈門、平潭、湛江和溫州6 個(gè)基準(zhǔn)站，F(xiàn)G5/240 測定了另外6 個(gè)基準(zhǔn)站，分別為青島、永興島、上海、瓊中、榮成和薊縣站(表1)。北海、平潭、湛江、溫州、青島和榮成等6 個(gè)站為陸態(tài)網(wǎng)新選基準(zhǔn)站，廣州、廈門、永興島、上海、瓊中和薊縣為2000 國家重力基本網(wǎng)和中國地殼運(yùn)動(dòng)觀測網(wǎng)絡(luò)共址的基準(zhǔn)站，而上海和瓊中兩個(gè)基準(zhǔn)站同時(shí)還是中國地震重力網(wǎng)的絕對重力點(diǎn)［1，2］。

圖1 絕對重力基準(zhǔn)站點(diǎn)位分布Fig.1 Distribution of the absolute gravity fiducial stations

表1 近海絕對重力基準(zhǔn)站概況Tab.1 General situation of the absolute gravity fiducial stations near ocean

3 絕對重力觀測及數(shù)據(jù)處理

3.1 絕對重力觀測

根據(jù)陸態(tài)網(wǎng)技術(shù)要求［3］，絕對重力測定的方法為:有效觀測組數(shù)為25 組，每小時(shí)觀測1 組，每組觀測起始時(shí)刻設(shè)置在整點(diǎn)或30 分時(shí)刻，每組下落次數(shù)為100 次，單次落體測量間隔為10 s;計(jì)算每次下落有效高度處的重力觀測值，并進(jìn)行固體潮、海潮、氣壓、光速有限和極移等改正;計(jì)算組均值、組內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)差、總均值、組間標(biāo)準(zhǔn)差和不確定度［3］。

為分析同一項(xiàng)目中執(zhí)行測定任務(wù)的絕對重力儀之間的一致性和系統(tǒng)偏差，測量前FG5/214 和FG5/240 在武漢進(jìn)行了同址觀測，觀測結(jié)果表明2臺(tái)儀器的內(nèi)符合精度均優(yōu)于2 ×10－8ms－2，互差為1.2 ×10－8ms－2，具有較好的一致性，不存在明顯的系統(tǒng)偏差［4－6］。

在觀測過程中，F(xiàn)G5/240 還在夏縣與FG5/232進(jìn)行了同址觀測，其結(jié)果為:兩臺(tái)儀器互差小于5 ×10－8ms－2，儀器性能穩(wěn)定，無明顯系統(tǒng)差。

3.2 重力垂直梯度觀測

FG5 絕對重力儀觀測得到的絕對重力值為儀器頂部下落位置的重力值，其有效高度為130 ±1.5 cm 處，而通常為了相對重力測量傳遞和研究方便，會(huì)將絕對重力儀測量得到的有效高度處的重力值歸算到某基準(zhǔn)高度處，典型的基準(zhǔn)高度主要有3 個(gè):0、100 和130 cm［6］，因此，需要利用測站的重力垂直梯度值進(jìn)行歸算。

使用兩臺(tái)高精度相對重力儀進(jìn)行往返測量，每臺(tái)儀器有效成果數(shù)不少于5 個(gè)，測定段差中誤差不大于±4 ×10－8ms－2。

3.3 觀測數(shù)據(jù)處理及分析

絕對重力儀每次下落過程中采集700 個(gè)不同下落高度及其對應(yīng)時(shí)間的“數(shù)據(jù)對”，舍去開始和末尾各50 個(gè)數(shù)據(jù)后，再擬合解算出每次落體觀測的有效高度處的絕對重力值［7］。觀測過程中北海基準(zhǔn)站有9 組數(shù)據(jù)被舍棄，分別為第18 ～23 和46 ～48 組;廈門基準(zhǔn)站有兩組數(shù)據(jù)被舍棄，為第20 和23 組;榮成有1 組數(shù)據(jù)被舍棄，為第15 組(表2)。

表2 近海絕對重力基準(zhǔn)站觀測信息Tab.2 Observation information at the absolute gravity fiducial stations near ocean

1)重力固體潮改正分析

重力固體潮改正采用“g8”軟件提供的Berger模型和ETGTAB 模型，Berger 模型中重力潮汐因子取1.155 4;ETGTAB 模型所使用的坐標(biāo)系為1980參考橢球系統(tǒng)(GRS80)，其基本參數(shù)為:長半軸a=6 378 137 m，地心引力常數(shù)為398 600.5 × 109m3s－2，扁率f=1/298.257 222 100 882 7，自轉(zhuǎn)角速度ω=7.291 15 ×10－5rad/s，杜森常數(shù)為2.627 689 m2s2。表3 為經(jīng)固體潮模型改正后的絕對重力觀測結(jié)果的組間標(biāo)準(zhǔn)偏差統(tǒng)計(jì)。

2)重力海洋負(fù)荷潮改正分析

計(jì)算海洋負(fù)荷潮對重力影響的公式為

式中，R 為地球半徑，ρ0為海水密度，H(θ，λ)為瞬時(shí)潮高，G(r－r')為重力格林函數(shù)。利用“g8”軟件提供的3 種海潮改正模型計(jì)算基準(zhǔn)站的絕對重力觀測結(jié)果，其組間標(biāo)準(zhǔn)偏差統(tǒng)計(jì)見表3。

表3 不同模型改正后重力觀測結(jié)果的標(biāo)準(zhǔn)偏差統(tǒng)計(jì)(單位:10 －8ms －2)Tab.3 Standard deviations of observational results after corrections by different models(unit:10 －8ms －2)

在12 個(gè)近?；鶞?zhǔn)站的改正計(jì)算中，永興島的海洋負(fù)荷潮改正最大，為±10 ×10－8ms－2，薊縣的海洋負(fù)荷潮改正最小，為±1 ×10－8ms－2，北海和廣州站的海洋負(fù)荷潮改正為±2 ×10－8ms－2，其余站均為±5 ×10－8ms－2。北海和廣州站海洋負(fù)荷潮改正較小的原因是觀測時(shí)該站處于海洋小潮期間，對絕對重力觀測的影響較小，而平潭站即使在小潮期間觀測，其海洋負(fù)荷潮改正也能達(dá)到±5 ×10－8ms－2。從表3 中得出，使用不同海潮模型計(jì)算的改正對各基準(zhǔn)站重力值的影響小于±1 ×10－8ms－2，組間標(biāo)準(zhǔn)差無明顯改變。

3.4 測量精度和不確定度估計(jì)

式中:σT為固體潮改正不確定度，取0.001 ×平均固體潮改正值;σL為海洋負(fù)荷潮改正不確定度，取0.1×平均海潮負(fù)荷;σS為系統(tǒng)設(shè)計(jì)誤差改正不確定度，取1.0;σSS為系統(tǒng)安裝不確定度，取1.0;σg為垂直梯度改正不確定度，取0.03 ×垂直高差，垂直高差為儀器有效觀測高度減去130 cm;其他參數(shù)見文獻(xiàn)［2，4，7，8］，表4 為各基準(zhǔn)站絕對重力觀測值各項(xiàng)不確定度的取值。

表4 近海絕對重力基準(zhǔn)站不確定度取值(單位:10 －8ms －2)Tab.4 Uncertainty of the absolute gravity fiducial stations near ocean(unit:10 －8ms －2)

4 基準(zhǔn)站絕對重力測量結(jié)果分析

4.1 測量結(jié)果統(tǒng)計(jì)分析

各基準(zhǔn)站觀測結(jié)果的精度如表5。從表5 可以看出，各基準(zhǔn)站觀測結(jié)果的組間標(biāo)準(zhǔn)差均達(dá)到規(guī)程［3］要求。其中永興島最大，為±4.69 ×10－8ms－2，經(jīng)分析與永興島所處環(huán)境有關(guān)。

4.2 上海絕對重力測定結(jié)果分析

由于FG5/240 絕對重力儀在上海基準(zhǔn)站進(jìn)行觀測的同時(shí)，記錄了日本本州南海岸Ms6.0地震產(chǎn)生的同震效應(yīng)。為此對其觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行詳細(xì)分析。利用組均值與總均值的差值繪圖(圖2(a))，其中第15 組數(shù)據(jù)有大尺度的負(fù)變化，達(dá)－16.8 ×10－8ms－2，若舍去后則數(shù)據(jù)質(zhì)量明顯變好(圖2(b))，為±4 ×10－8ms－2，因此，我們著重分析第15 組的數(shù)據(jù)(圖2(c))。

從圖2(c)可以看出:15 組第30 次觀測(北京時(shí)間2011-08-01-23:04:55)的重力值開始出現(xiàn)異常，同震振幅最大達(dá)1 878 ×10－8ms－2，與地震發(fā)生時(shí)間相差約7 分鐘，并且持續(xù)10 分鐘以上。

表5 近海基準(zhǔn)站絕對重力觀測精度Tab.5 Observing accuracies of the absolute gravity fiducial stations near ocean

圖2 上?；鶞?zhǔn)站絕對重力觀測數(shù)據(jù)分布Fig.2 Distribution of the absolute gravity data at ShangHai Fiducial Station

4.3 重復(fù)測量結(jié)果比較

選擇薊縣、上海和永興島三個(gè)基準(zhǔn)站的重力重復(fù)觀測結(jié)果進(jìn)行繪圖比較(圖3)，結(jié)果表明:薊縣、上海和永興島三個(gè)基準(zhǔn)站比較穩(wěn)定，其成果不確定度均優(yōu)于5 ×10－8ms－2。

圖3 絕對重力復(fù)測結(jié)果Fig.3 Repeated results of absolute gravity observation

5 結(jié)語

1)所有近?；鶞?zhǔn)站絕對重力觀測精度均優(yōu)于±5 ×10－8ms－2，能夠?yàn)楹Ｑ蠛蛵u嶼的相對重力測量和重力場研究提供基準(zhǔn);

2)海洋負(fù)荷潮對近海重力測量的影響較大，在南海區(qū)域影響最大，達(dá)±10 ×10－8ms－2，在其他海域也能達(dá)到±5 ×10－8ms－2以上。目前國際上公布的海潮模型較多，但由表3 可看出對我國近海絕對重力測量的改正都不十分理想，主要是我國海洋區(qū)域較大，海潮影響復(fù)雜多變，要得到較好的改正效果，需增加驗(yàn)潮站的數(shù)量和建立適合我國海潮變化的海潮改正精密模型，同時(shí)對絕對重力測量采用延長觀測時(shí)間或避開大潮觀測。

1 劉冬至，等.中國地震重力網(wǎng)絕對重力觀測結(jié)果分析［J］.大地測量與地球動(dòng)力學(xué)，2007，(5):88－93.(Liu Dongzhi，et al.The analysis of absolute gravity surveying result of China earthquake gravity network［J］.Journal of Geodesy and Geodynamics，2007，(5):88－93)

2 張為民，等.中國地殼運(yùn)動(dòng)觀測網(wǎng)絡(luò)中的絕對重力測定［J］.武漢大學(xué)學(xué)報(bào)(信息科學(xué)版)，2004，29(3):227－230.(Zhang Weimin，et al.Absolute gravity determination in the crustal movement observation network of China［J］.Geomatics and Information Science of Wuhan University，2004，29(3):227－230)

3 中國地殼運(yùn)動(dòng)觀測技術(shù)規(guī)程［S］.北京:中國環(huán)境科學(xué)出版社，2004.(Technical regulation for crustal movement observation of China［S］.Beijing:China Environmental Science Press，2004)

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5 肖凡，等.FG5 絕對重力儀232/240 比對結(jié)果分析［J］.測繪信息與工程，2011，36(2):40－42.(Xiao Fan，et al.Analysis of comparison results of FG5 absolute gravimeters 232/240［J］.Journal of Geomatics，2011，36(2):40－42)

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7 劉冬至，邢樂林.FG5/232 絕對重力儀的試驗(yàn)觀測結(jié)果［J］.大地測量與地球動(dòng)力學(xué)，2007，(2):114－118.(Liu Dongzhi and Xing Lelin.Experimental results observed by FG5/232 absolute gravimeter［J］.Journal of Geodesy and Geodynamics，2007，(2):114－118)

8 楊婕，等.廈門地震臺(tái)重力儀同震響應(yīng)特征分析［J］.大地測量與地球動(dòng)力學(xué)，2010，(增刊1):96－99.(Yang Jie，et al.Analysis of characteristics of co-seismic response of gravity instrument at Xiamen seismostation［J］.Journal of Geodesy and Geodynamics，2010，(Supp.1):96－99)