梁洪寶 劉志廣 黃立人 占 偉

1 中國地震局第一監(jiān)測(cè)中心，天津市耐火路7號(hào)，300180

GNSS基準(zhǔn)站的連續(xù)觀測(cè)是地殼水平運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)的主要手段之一，被廣泛應(yīng)用于地殼形變分析［1－4］、強(qiáng)震水平位移場(chǎng)監(jiān)測(cè)［5－6］等。但GNSS基準(zhǔn)站高程分量的應(yīng)用成果甚少，造成GNSS高程分量數(shù)據(jù)資源的浪費(fèi)。GNSS垂直位移時(shí)間序列既包含軌道誤差及各種改正模型誤差，如大氣對(duì)流層和電離層改正、GNSS天線相位中心改正和環(huán)境因素（多路徑效應(yīng)）等的影響，也包含各種地球物理信號(hào)的影響，如地表流體質(zhì)量變化可以引起GPS臺(tái)站垂直位移的變化。目前，地表流體荷載形變量的計(jì)算主要采用格林函數(shù)［7］。地表流體質(zhì)量變化部分可以在全球解釋42% 的GNSS臺(tái)站垂直位移變化［8］。朱文耀［9］、Bogusz［10］利 用GPS高程導(dǎo)出全球高程振蕩運(yùn)動(dòng)及季節(jié)變化，發(fā)現(xiàn)地球存在以半周年和周年為周期的整體性擴(kuò)張與收縮振蕩運(yùn)動(dòng)。張鵬飛［11］利用GPS監(jiān)測(cè)中國地殼的垂向季節(jié)性變化，并計(jì)算了大氣壓、非潮汐海洋負(fù)荷、積雪和地表水等質(zhì)量負(fù)荷引起的地殼垂向季節(jié)性位移，但GPS估計(jì)的季節(jié)性變化結(jié)果與質(zhì)量負(fù)荷預(yù)報(bào)結(jié)果存在明顯的系統(tǒng)性差別，這說明GPS的垂向季節(jié)性變化是由包括上述質(zhì)量負(fù)荷和其他未知因素綜合作用的結(jié)果。要充分發(fā)揮我國大陸GNSS 基準(zhǔn)站垂向分量數(shù)據(jù)在地殼監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用，必須明確非構(gòu)造形變對(duì)我國大陸區(qū)域內(nèi)GNSS基準(zhǔn)站垂向運(yùn)動(dòng)的影響。

1 數(shù)據(jù)處理

1.1 GNSS時(shí)間序列計(jì)算

利用GAMIT／GLOBK 10.4軟件對(duì)2011～2013年陸態(tài)網(wǎng)絡(luò)GNSS基準(zhǔn)站和IGS站觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行單天解算，數(shù)據(jù)采樣間隔30s。

控制網(wǎng)采用三級(jí)控制［15］：1）全球性的子網(wǎng)（jzig），由全球挑選的77 個(gè)均勻分布的IGS 站與18 個(gè)網(wǎng)絡(luò)工程站組成；2）全國性的子網(wǎng)（jzjz），由中國大陸及周邊地區(qū)挑選的17個(gè)IGS 測(cè)站與34個(gè)網(wǎng)絡(luò)工程基準(zhǔn)站組成；3）230 個(gè)陸態(tài)網(wǎng)絡(luò)新建GNSS 站按區(qū)域分為6 個(gè)子網(wǎng)（華北、東北、華南、川滇、新西、甘青），每個(gè)子網(wǎng)加入子網(wǎng)所在區(qū)域及周邊地區(qū)的一些網(wǎng)絡(luò)工程基準(zhǔn)站和IGS 站。利用QOCA 軟件st＿filter模塊對(duì)所有站點(diǎn)的單日松弛解進(jìn)行整網(wǎng)嚴(yán)密平差，獲取ITRF 框架下GNSS基準(zhǔn)站坐標(biāo)時(shí)間序列。圖1僅列出北京房山（BJFS）、上海（SHAO）、拉薩（LHAZ）和烏魯木齊（URUM）4個(gè)站的垂向序列。

1.2 非構(gòu)造形變計(jì)算

非潮汐海洋模型由美國國家海洋合作計(jì)劃制定的海洋環(huán)流及其估值ECCO 模型提供，其基礎(chǔ)是MIT 的全球環(huán)流模型和一個(gè)用于同化的Kalman濾波器。ECCO 模型覆蓋區(qū)域從79.5°S～78.5°N，在赤道附近（20°S～20°N）緯度方向的分辨率為1／3°，而在高緯度地區(qū)緯度方向的分辨率降低到1°，經(jīng)度方向的分辨率保持1°。垂直方向分為46層，海面附近150m 內(nèi)垂直方向分辨率為10m，時(shí)間分辨率為12h；氣壓數(shù)據(jù)模型采用NECP（National Center for Environmental Prediction），時(shí)間分辨率為6h，空間分辨率為2.5°；積雪深度與土壤濕度數(shù)據(jù)采用GLDAS數(shù)據(jù)的NOAH 模型，其中土壤濕度模型由土壤深度為0～0.1、0.1～0.4、0.4～1.0和1.0～2.0m等4層模型組成，空間分辨率覆蓋區(qū)域?yàn)?0°S～90°N、180°W～180°E，時(shí)間分辨率均為3h。

圖1 GNSS基準(zhǔn)站垂向序列與荷載形變序列Fig.1 GNSS reference station vertical series and loading deformation series

荷載形變的計(jì)算采用格林函數(shù)原理，利用QOCA 軟件對(duì)260個(gè)GNSS基準(zhǔn)站荷載形變進(jìn)行解算，獲取GNSS荷載形變時(shí)間序列，如圖1。對(duì)所有測(cè)站垂向荷載形變量值統(tǒng)計(jì)和比較發(fā)現(xiàn)，大氣荷載形變量最大，尤其是華北地區(qū)靠近沿海的測(cè)站；其次是土壤濕度荷載形變，最大形變區(qū)域在川滇降水較多的地區(qū)；再次是積雪深度荷載形變，主要體現(xiàn)在新疆和東北等降雪較多的地區(qū)；最后是非潮汐海洋荷載形變，最大數(shù)值在1mm 左右。

2 非構(gòu)造信息對(duì)GNSS基準(zhǔn)站垂向運(yùn)動(dòng)的影響

利用非潮汐海洋、大氣、積雪和土壤濕度產(chǎn)生的垂向荷載形變對(duì)GNSS 基準(zhǔn)站垂向分量進(jìn)行修正，主要體現(xiàn)在年周期和半年周期項(xiàng)的修正上。為了突出荷載形變對(duì)GNSS垂向分量的影響，對(duì)測(cè)站的垂向線性變化予以扣除。修正前后垂向序列的周期項(xiàng)用正弦函數(shù)擬合：

其中，振幅A和初始相位φ0為待估參數(shù)；對(duì)于周年項(xiàng)，ω＝2π／a，對(duì)于半周年項(xiàng)，ω＝4π／a；初始?xì)v元t0＝2011.0，t以a為單位。

修正結(jié)果如圖2所示。通過修正，測(cè)站年周期振幅和初相變化較大，諧波明顯趨于平滑；半年周期振幅和初相變化較小。

圖2 GNSS測(cè)站垂向分量荷載修正前后的周期運(yùn)動(dòng)（正弦函數(shù)擬合）Fig.2 The periodic motion of GNSS sites vertical component before and after correction

陸態(tài)網(wǎng)絡(luò)GNSS 基準(zhǔn)站由于供電、儀器、維護(hù)等因素，個(gè)別測(cè)站觀測(cè)數(shù)據(jù)缺失較為嚴(yán)重，因此本文選取其中241 個(gè)測(cè)站進(jìn)行研究。經(jīng)過非潮汐、大氣、積雪和土壤濕度修正后，所有測(cè)站垂向荷載修正前后周年和半周年變化示意如圖3、圖4。

圖3 修正前（藍(lán)色）后（紅色）GNSS測(cè)站垂向周年變化（正弦函數(shù)擬合，參考點(diǎn)為2011.0），箭頭長度表示振幅，東向逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)的方位角表示初相位方向，箭頭指向東、南、西、北方向依次表示正極值發(fā)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 yearly sinusoidal curve，with the reference point 2011.0）

圖4 修正前（藍(lán)色）后（紅色）GNSS測(cè)站垂向半周年變化（正弦函數(shù)擬合，參考點(diǎn)為2011.0），箭頭長度表示振幅，東向逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)的方位角表示初相位方向，箭頭指向東、南、西、北方向依次表示正極值發(fā)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 semiannual sinusoidal curve，with the reference point 2011.0）

從圖3可看出，荷載修正前后測(cè)站垂向位置變化的周年項(xiàng)不僅振幅有顯著變化，而且相位也存在一定程度的系統(tǒng)偏差，修正前比修正后滯后2～3個(gè)月。這種系統(tǒng)偏差可能是GNSS測(cè)站對(duì)地球物理因素影響“遲鈍反應(yīng)”的綜合表現(xiàn)，因?yàn)榈厍蛭锢硪蛩氐膹?qiáng)度變化存在一個(gè)過程。如雨季時(shí)，土壤濕度達(dá)到最大值，隨著水分的蒸發(fā)，土壤濕度降低，其對(duì)GNSS測(cè)站的垂向位移并不會(huì)隨土壤濕度的變化而實(shí)時(shí)變化。當(dāng)這種變化達(dá)到一定量值時(shí)才會(huì)引起GNSS測(cè)站垂向位移的變化，使GNSS測(cè)站的垂向位移變化的時(shí)間點(diǎn)與地球物理因素產(chǎn)生的荷載時(shí)間點(diǎn)存在一定的系統(tǒng)性偏差。對(duì)于中國大陸不同區(qū)域的測(cè)站，周年項(xiàng)的振幅和相位修正幅度也不盡相同，四川南部和云南地區(qū)振幅最大，其次是東北、華北和新疆北部，新疆南部、青藏高原東北緣和華南地區(qū)最小。從振幅來看，靠近東部沿海地區(qū)的某些測(cè)站修正效果較差，約占10%，其余地區(qū)修正效果較好，這可能是GNSS定位精度或地球物理模型不精確造成的。從初始相位看，東北地區(qū)修正前后正極值分別出現(xiàn)在3～4月和1～2月，華北地區(qū)分別出現(xiàn)在4～5月和1～2月，華南地區(qū)分別出現(xiàn)在3～4月和1～2月，川滇、西藏和青藏高原東北緣地區(qū)分別出現(xiàn)在3～4月和2～3月，新疆地區(qū)修正前后正極值分別出現(xiàn)在5～6月和2～3月。分別加半年，就是負(fù)極值月份。

從圖4可看出，中國大陸不同區(qū)域的測(cè)站，半周年振幅和相位各不相同，東北、華南和新疆地區(qū)振幅較小，約為1～2mm；其余地區(qū)振幅較大，約為4～5mm。修正后，振幅平均減小1mm 左右，相位變化較??；修正前后，初相位差異較小，只有華北、華東地區(qū)測(cè)站相位差略大，相位修正前比修正后滯后10d左右。滇西和青藏高原西南地區(qū)修正前后正極值出現(xiàn)在每年的6月和12月，其余地區(qū)出現(xiàn)在每年1～2月和7～8月，分別加3個(gè)月就是負(fù)極值月份。

總之，非潮汐、大氣、積雪和土壤濕度對(duì)GNSS基準(zhǔn)站垂向分量的修正主要體現(xiàn)在周年項(xiàng)上，并且振幅和相位的修正幅度均較大；對(duì)于半周年項(xiàng)的修正，主要體現(xiàn)在振幅上，縮小幅度在1 mm 左右，相位修正幅度較小。

3 結(jié) 語

1）全球框架點(diǎn)的影響。由于GNSS 測(cè)站垂向分量存在周期性運(yùn)動(dòng)，因此，在GNSS 解算中作為全球框架點(diǎn)的測(cè)站假設(shè)只存在線性運(yùn)動(dòng)，這種假設(shè)是否對(duì)測(cè)站垂向周期運(yùn)動(dòng)特性有影響還需進(jìn)一步研究。

2）不同非構(gòu)造地球物理模型的影響。目前，關(guān)于氣壓、非潮汐海洋、積雪深度和土壤濕度等模型都是基于全球范圍建立的，對(duì)于中國大陸區(qū)域不一定精確地符合，圖3 中某些測(cè)站修正后振幅反而變大可能與此有關(guān)。因此，有必要優(yōu)化選擇或建立適合中國大陸區(qū)域的非構(gòu)造地球物理模型。

3）不同修正方法的影響。本文先對(duì)非構(gòu)造信息進(jìn)行周期特性分析，獲取周期運(yùn)動(dòng)特征，以此修正GNSS垂向序列，對(duì)一些較高頻或較低頻的非構(gòu)造信息修正效果較差。即不同修正方法會(huì)對(duì)GNSS垂向序列中含有的非構(gòu)造信息修正的頻譜層次不一樣，因此對(duì)非構(gòu)造信息的修正方法還需進(jìn)一步探討。

4）某些測(cè)站周期運(yùn)動(dòng)不明顯，是否受非構(gòu)造地球物理因素的影響還需進(jìn)一步討論。

致謝：感謝華東師范大學(xué)董大南教授提供QOCA 軟件和在非構(gòu)造地球物理模型方面提供建議，感謝周峰博士在非構(gòu)造形變計(jì)算和修正方面提供的幫助。

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