占偉 田剛

摘要：介紹了基于GPS觀測(cè)獲取的地殼垂向季節(jié)性運(yùn)動(dòng)組成及相應(yīng)的分析方法，闡述了地殼季節(jié)性運(yùn)動(dòng)在GPS流動(dòng)垂向季節(jié)性修正、區(qū)域負(fù)荷質(zhì)量變化監(jiān)測(cè)、應(yīng)力擾動(dòng)與地震活動(dòng)性的季節(jié)性變化分析、區(qū)域地殼結(jié)構(gòu)反演等方面的應(yīng)用研究進(jìn)展，認(rèn)為利用GPS觀測(cè)研究地殼季節(jié)性運(yùn)動(dòng)的應(yīng)用正向多手段、多學(xué)科融合發(fā)展，但需進(jìn)一步完善數(shù)據(jù)處理模型（策略）、削弱解算結(jié)果中的誤差，且各區(qū)域的地殼季節(jié)性運(yùn)動(dòng)機(jī)理值得深入分析。

關(guān)鍵詞：地殼垂向季節(jié)性運(yùn)動(dòng);負(fù)荷質(zhì)量變化;GPS觀測(cè)

中圖分類號(hào)：P315.730.1文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1000-0666（2019）01-0049-08

0引言

20世紀(jì)90年代初以來(lái)，GPS在地殼運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)方面發(fā)揮了重要的作用（Wangetal，2001;Ganetal，2007;Wuetal，2013，2016，2018;龐亞瑾等，2017;常金龍等，2018;郭炳輝等，2018;劉辛中等，2018;趙靜旸等，2018;朱爽，周偉，2015;朱爽等，2017;朱爽，時(shí)爽爽，2018），一些研究結(jié)果表明（Dongetal，1998;Nikolaidis，2002），地殼運(yùn)動(dòng)不僅僅包含了長(zhǎng)期的線性運(yùn)動(dòng)，還存在季節(jié)性運(yùn)動(dòng)，尤以垂向運(yùn)動(dòng)最為突出。長(zhǎng)期以來(lái)，地殼季節(jié)性運(yùn)動(dòng)一直被認(rèn)為是構(gòu)造演化和動(dòng)力學(xué)研究中需要剔除的噪聲，但由于其根源與性質(zhì)難以準(zhǔn)確界定，地殼季節(jié)性運(yùn)動(dòng)的精確獲取與消除成為了應(yīng)用GPS分析地殼運(yùn)動(dòng)的最大挑戰(zhàn)之一。然而，近年來(lái)隨著研究和認(rèn)識(shí)不斷的深入，地殼季節(jié)性運(yùn)動(dòng)不再被認(rèn)為是“一無(wú)是處的噪聲”，相反，它在提高地固參考架的穩(wěn)定性（張飛鵬等，2002;朱文耀等，2003;Altamimietal，2016）、區(qū)域地下水變化監(jiān)測(cè)（Borsaetal，2014;Argusetal，2014，2017）等領(lǐng)域顯現(xiàn)出重要的作用。因此，研究精確獲取地殼季節(jié)性運(yùn)動(dòng)的方法及其成因與機(jī)理，具有重要的意義和實(shí)用價(jià)值，尤其是在青藏高原等垂向季節(jié)性運(yùn)動(dòng)劇烈的區(qū)域。

GPS觀測(cè)連續(xù)觀測(cè)具有時(shí)間和空間分辨率高的特點(diǎn)，目前是精確獲取地殼季節(jié)性運(yùn)動(dòng)的重要手段之一。依據(jù)GPS獲取的地殼季節(jié)性運(yùn)動(dòng)研究經(jīng)歷了“現(xiàn)象—驗(yàn)證—分析—應(yīng)用”的過(guò)程，本文首先介紹GPS獲取的地殼垂向季節(jié)性運(yùn)動(dòng)組成及相應(yīng)的分析方法，然后介紹地殼季節(jié)性運(yùn)動(dòng)應(yīng)用的最新進(jìn)展，并對(duì)今后的發(fā)展趨勢(shì)提出自己的看法。

1GPS觀測(cè)獲取的地殼垂向季節(jié)性運(yùn)動(dòng)的組成與分析方法如前所述，GPS觀測(cè)獲取的地殼季節(jié)性運(yùn)動(dòng)以垂向運(yùn)動(dòng)最為顯著（圖1），因此以地殼垂向季節(jié)性運(yùn)動(dòng)為例，介紹地殼季節(jié)性運(yùn)動(dòng)的組成與分析方法。

1.1地殼垂向季節(jié)性運(yùn)動(dòng)的組成

研究結(jié)果（李昭，2012;姜衛(wèi)平等，2013;Zhanetal，2017）表明，依據(jù)GPS觀測(cè)得到地殼垂向季節(jié)性運(yùn)動(dòng)可分為兩部分：①GPS觀測(cè)中的干擾和解算模型/策略的不完善產(chǎn)生的虛假的季節(jié)性位移，稱為系統(tǒng)誤差;②各種負(fù)荷質(zhì)量及溫度的季節(jié)性變化產(chǎn)生的真實(shí)的地殼季節(jié)性運(yùn)動(dòng)，稱為地球物理效應(yīng)。

系統(tǒng)誤差包括GPS觀測(cè)過(guò)程中的多路徑效應(yīng)、衛(wèi)星軌道周期性變化和一些解算策略的不完善。Ray等（2008）、田云峰（2011）、Rodriguez-Solano等（2014）發(fā)現(xiàn)在GPS垂向時(shí)間序列中存在周期為約351天/n（n=1，2，…，6）的運(yùn)動(dòng)，這種周期性運(yùn)動(dòng)與GPS衛(wèi)星軌道的周期有關(guān);Freymueller（2009）、Collilieux等（2010，2012）、Zou等（2014）認(rèn)為目前GPS數(shù)據(jù)處理普遍采用的線性參考框架存在周期性運(yùn)動(dòng)，這種未去除的運(yùn)動(dòng)會(huì)通過(guò)參考框架的轉(zhuǎn)換參數(shù)傳遞到非參考框架點(diǎn)，使得測(cè)網(wǎng)其它測(cè)站產(chǎn)生虛假的周期性信號(hào)，這種現(xiàn)象在垂向最為突出;Fritshce等（2005）、Deng等（2017）認(rèn)為忽略高階電離層延遲會(huì)使GPS垂向時(shí)間序列出現(xiàn)虛假的年和半年周期信號(hào)。姜衛(wèi)平等（2014）量化了高階電離層延遲對(duì)全球GPS坐標(biāo)時(shí)間序列的貢獻(xiàn)，提出高階電離層延遲可能是造成中緯度地區(qū)GPS測(cè)站垂向年周期性、東西向半年周期性及低緯度地區(qū)GPS站垂向半年周期性運(yùn)動(dòng)的主要原因之一;King等（2008）認(rèn)為一些未去除干凈的、周期為1天和小于1天的信號(hào)會(huì)傳遞到GPS垂向時(shí)間序列中的1年和半年周期信號(hào)里。

地球物理效應(yīng)包括各種負(fù)荷如冰川（Drouinetal，2016）、大氣潮汐、積雪、地下水、海潮和海洋非潮汐的變化及測(cè)站溫度變化，這些都是造成GPS季節(jié)性運(yùn)動(dòng)的主要原因（王敏等，2005;梁洪寶等，2015）。vanDam等（1994）在GPS測(cè)站的垂向時(shí)間序列中找到了由于大氣壓負(fù)荷造成的地殼形變，由于大氣壓變化產(chǎn)生的地表位移最高能達(dá)到GPS垂向變化量的24%;積雪和地下水的質(zhì)量變化也是引起GPS垂向周期性運(yùn)動(dòng)的一個(gè)因素（Munekaneetal，2004;Chew，Small，2014）;vanDam等（2001）分析了陸地水含量季節(jié)性變化對(duì)地殼垂向運(yùn)動(dòng)的大尺度影響，結(jié)果表明1994—1998年陸地水變化造成的地殼垂向位移模型均方根值為8mm，最大達(dá)30mm，主要為年周期;海潮和海洋非潮汐對(duì)沿海地區(qū)GPS垂向周期性運(yùn)動(dòng)的影響為毫米至厘米不等（Yuanetal，2009;Williamsetal，2011;vanDametal，2012）;地表溫度變化可以引起GPS墩標(biāo)和GPS臺(tái)站基巖變化，從而產(chǎn)生GPS垂向的周期性運(yùn)動(dòng)（Prawirodirdjoetal，2006;Yanetal，2009;孫付平等，2012）;閆昊明等（2010）分析表明，在23個(gè)網(wǎng)絡(luò)工程GPS連續(xù)站中，溫度變化造成的GPS站垂向位移總影響的年周期性運(yùn)動(dòng)振幅最大值可達(dá)2.8mm，其中13個(gè)GPS連續(xù)站的年周期性運(yùn)動(dòng)振幅變化超過(guò)1mm。

需要強(qiáng)調(diào)的是，在地殼季節(jié)性運(yùn)動(dòng)研究中，如果不盡量消減系統(tǒng)誤差，基于“不干凈”的季節(jié)性形變結(jié)果進(jìn)行地球物理效應(yīng)解釋，會(huì)對(duì)分析結(jié)果產(chǎn)生一定的影響。VanDam等（2007）對(duì)比分析了歐洲地區(qū)IGS站（InternatainalGNSSService）站GPS與GRACE得到的測(cè)站垂向周年期位移，結(jié)果表明二者在很多測(cè)站不相吻合，他認(rèn)為不一致的主要原因是GPS數(shù)據(jù)解算策略的不完善;Tregoning等（2009）改進(jìn)了GPS數(shù)據(jù)處理模型和策略后，全球范圍內(nèi)GPS與GRACE垂向周期信號(hào)的一致性則好于VanDam等（2007）的結(jié)果。

1.2地球物理效應(yīng)的分析方法

地球物理效應(yīng)的分析方法主要有兩類，一類是針對(duì)某一種或多種負(fù)荷，根據(jù)負(fù)荷模型數(shù)據(jù)采用格林函數(shù)（Farrell，1972）計(jì)算負(fù)荷質(zhì)量變化產(chǎn)生的地表位移，并與GPS測(cè)站的季節(jié)性運(yùn)動(dòng)對(duì)比（Tsai，2011;Lietal，2017;魏娜等，2016）;另一類是與其他觀測(cè)手段（如GRACE）得到的時(shí)間序列進(jìn)行對(duì)比分析。多位學(xué)者按照第一種方法分析了全球及各區(qū)域負(fù)荷的質(zhì)量變化與GPS垂向周期性運(yùn)動(dòng)的關(guān)系（張飛鵬等，2002;王敏等，2005;熊福文，朱文耀，2007;袁林果等，2008;李昭，2012），得到的結(jié)論較為統(tǒng)一：上述負(fù)荷的質(zhì)量變化所產(chǎn)生的地殼垂向季節(jié)性位移與GPS垂向周期性運(yùn)動(dòng)相關(guān)性較好，但負(fù)荷質(zhì)量變化產(chǎn)生的位移只是GPS垂向周期性運(yùn)動(dòng)的一部分，并不能完全解釋GPS垂向周期性運(yùn)動(dòng)。結(jié)合其他觀測(cè)手段分析GPS垂向周期性運(yùn)動(dòng)的研究也很多，尤其是新一代重力衛(wèi)星GRACE可監(jiān)測(cè)地表流體質(zhì)量變化，并可得到研究區(qū)域表面質(zhì)量（如陸地水）變化所產(chǎn)生的垂向位移，因此對(duì)比分析GPS和GRACE得到的垂向周期性運(yùn)動(dòng)成為近期地殼垂向形變分析的熱點(diǎn)之一（廖海華等，2010）。在陸地水變化較大的區(qū)域，如亞馬遜流域（Davisetal，2004）、喜馬拉雅地區(qū)（Fu，F(xiàn)reymueller，2012;王林松等，2014）、阿拉斯加（Fuetal，2012）、非洲（Nahmanietal，2012;Birhanu，Bendick，2015;Birhanuetal，2018）、華北地區(qū)（Liuetal，2014;Wangetal，2017）、青藏高原（Zouetal，2015;Haoetal，2016）、云南地區(qū)（盛傳貞等，2014），GPS與GRACE得到的垂向周期性信號(hào)相關(guān)性較好，但在一些水質(zhì)量變化劇烈的區(qū)域則一致性較差，原因是GRACE數(shù)據(jù)處理時(shí)需要進(jìn)行空間濾波（半徑數(shù)百千米），因此GRACE反映的是區(qū)域空間尺度數(shù)百千米的整體形變，而GPS不僅反映了區(qū)域整體形變，還可能疊加一些局部效應(yīng)（Tesmeretal，2011;Yanetal，2016）。

2地殼季節(jié)性運(yùn)動(dòng)的應(yīng)用

經(jīng)過(guò)對(duì)GPS獲取的地殼季節(jié)性運(yùn)動(dòng)分析和驗(yàn)證后，地殼存在季節(jié)性運(yùn)動(dòng)的結(jié)論逐漸被認(rèn)可，因此地殼季節(jié)性運(yùn)動(dòng)的應(yīng)用研究也逐步開展，其研究范圍和深度經(jīng)歷了“由淺到深”的過(guò)程，即從地表的GPS流動(dòng)觀測(cè)的時(shí)間序列季節(jié)性運(yùn)動(dòng)改正到地表深部的負(fù)荷質(zhì)量變化和應(yīng)力擾動(dòng)反演等，涉及的研究領(lǐng)域愈發(fā)廣泛。

區(qū)域負(fù)荷質(zhì)量的季節(jié)性變化（如雨季與旱季地下水含量的變化），能引起地殼季節(jié)性運(yùn)動(dòng)和區(qū)域應(yīng)力擾動(dòng)的季節(jié)性變化，后者則可能觸發(fā)區(qū)域小震，進(jìn)而影響小震的活動(dòng)性，因此可以利用GPS觀測(cè)到的地殼季節(jié)性運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)區(qū)域負(fù)荷質(zhì)量的季節(jié)性變化和計(jì)算應(yīng)力擾動(dòng)的季節(jié)性變化。同時(shí)，由于地殼季節(jié)性運(yùn)動(dòng)和區(qū)域小地震活動(dòng)性的季節(jié)性變化有可能都是區(qū)域負(fù)荷質(zhì)量的季節(jié)性變化引起的，因此地殼季節(jié)性運(yùn)動(dòng)與區(qū)域小震活動(dòng)性的季節(jié)性變化可能會(huì)存在一定的相關(guān)性（圖2）。

2.1GPS流動(dòng)時(shí)間序列的周期性改正

一些短期的GPS流動(dòng)觀測(cè)由于數(shù)據(jù)量太少、無(wú)法消除垂向季節(jié)性形變的影響，得到的垂向線性運(yùn)動(dòng)速率結(jié)果精度不高，亟需對(duì)垂向季節(jié)性形變進(jìn)行修正。GPS流動(dòng)垂向季節(jié)性形變修正的關(guān)鍵是準(zhǔn)確獲取流動(dòng)站垂向季節(jié)性形變的振幅和初相。目前常用的方法可分為兩類，一類是根據(jù)一些物理模型（如全球負(fù)荷模型或GRACE）直接求解任意一點(diǎn)的垂向年周期運(yùn)動(dòng)參數(shù)（Fuetal，2012;朱良玉等，2014;梁洪寶等，2015;Zhaoetal，2016;郝明等，2017）。Fu等（2012）利用GRACE得到的信息修正流動(dòng)站垂向時(shí)間序列，一些流動(dòng)站的垂向速率結(jié)果精度有顯著的提高。另一類是依據(jù)同一區(qū)域內(nèi)GPS連續(xù)站實(shí)測(cè)的垂向年周期運(yùn)動(dòng)參數(shù)進(jìn)行空間內(nèi)插獲取流動(dòng)站的垂向年周期運(yùn)動(dòng)參數(shù)（占偉等，2016）。Liang等（2013）采用這類方法修正了青藏高原及其周邊地區(qū)GPS流動(dòng)站的垂向時(shí)間序列，修正后部分測(cè)站垂向速率準(zhǔn)確性有一定的提高。上述兩類方法各有千秋，第一類方法可以直接求解任意一點(diǎn)的垂向年周期運(yùn)動(dòng)參數(shù)，但GRACE和負(fù)荷模型的空間分辨率較低（數(shù)百千米）;第二類方法在GPS連續(xù)站密度較高且分布均勻的區(qū)域，精度更高。

2.2區(qū)域負(fù)荷質(zhì)量變化監(jiān)測(cè)

GPS能夠準(zhǔn)確記錄地球表層由于水含量等負(fù)荷季節(jié)性變化所引起的響應(yīng)（季節(jié)性位移），反之，利用GPS觀測(cè)得到的地表季節(jié)性運(yùn)動(dòng)可以反算地表水等效厚度的變化（Fuetal，2015）。

Argus等（2014）應(yīng)用地表垂向季節(jié)性運(yùn)動(dòng)的GPS觀測(cè)數(shù)據(jù)反推等效水厚度的變化，結(jié)果表明：GPS數(shù)據(jù)反演的加利福尼亞境內(nèi)總體水含量變化空間分辨率為50km，而GRACE由于需要進(jìn)行空間濾波（半徑一般為200～300km），因此GRACE解的空間分辨率為200km。GPS連續(xù)觀測(cè)可以給出每天（甚至更高的時(shí)間分辨率）的地殼垂向位移（verticalcrustaldeformation，簡(jiǎn)稱VCD），相對(duì)于GRACE的月分辨率有了較大的提高。Jiang等（2017）的分析結(jié)果驗(yàn)證了GPS監(jiān)測(cè)云南季風(fēng)變化和干旱的能力，并顯示出將GPS導(dǎo)出的雨季大氣可降水汽量（precipitablewatervapor，簡(jiǎn)稱PWV）、由于水文荷載產(chǎn)生的VCD和降雨量、GRACE導(dǎo)出的等效水高度EWH（equivalentwaterheight來(lái)源于GRACE）聯(lián)合，可以更為全面了解區(qū)域性季風(fēng)和干旱的特征。上述研究表明，GPS已經(jīng)成為一種新的、獨(dú)立的地表水變化監(jiān)測(cè)手段。

2.3區(qū)域應(yīng)力擾動(dòng)變化與地震活動(dòng)性分析

一些學(xué)者注意到在美國(guó)（Amosetal，2014;Craigetal，2017）、日本（Heki，2003）和喜馬拉雅地區(qū)（Bollingeretal，2007）的小震活動(dòng)性存在季節(jié)性變化，如喜馬拉雅地區(qū)冬季小震平均頻率約是夏季的2倍，而這些區(qū)域積雪、地下水的季節(jié)性變化也較為顯著，因此一些學(xué)者分析了小震活動(dòng)性與水文數(shù)據(jù)的季節(jié)性變化之間的相關(guān)性（Johnsonetal，2017a，b）。Bettinelli等（2008）認(rèn)為喜馬拉雅地區(qū)地下水位季節(jié)性變化是區(qū)域地殼位移、應(yīng)力擾動(dòng)和地震活動(dòng)性季節(jié)性變化的主要原因。夏季，雨季的降雨使得水位上升和地表負(fù)載增加，引起了地殼的彈性變形，Ganges盆地北部地表下沉，水平方向產(chǎn)生南向位移，這種地殼水平方向的拉張減少了震間應(yīng)變積累引起的長(zhǎng)期水平壓縮的影響;冬季與夏季相反，水位下降意味著地殼負(fù)荷減小和水平壓縮增加，有利于長(zhǎng)期的震間地殼水平方向的壓縮和小震發(fā)生。