淺議在監(jiān)測(cè)地殼高程方向周年運(yùn)動(dòng)上GPS與VLBI、SLR和地球物理因素的對(duì)比

高 峻

(青島市勘察測(cè)繪研究院，山東青島266000)

一、引 言

GPS、VLBI、SLR等空間技術(shù)的發(fā)展，使監(jiān)測(cè)和研究地球的動(dòng)態(tài)變化發(fā)生了深刻的變革，其中GPS基準(zhǔn)站的觀測(cè)數(shù)據(jù)在監(jiān)測(cè)地殼高程方向周年運(yùn)動(dòng)中發(fā)揮著重要的作用。對(duì)地殼非線性運(yùn)動(dòng)(主要是指高程方向)的監(jiān)測(cè)和建模對(duì)站坐標(biāo)時(shí)間序列的長度和密度有一定的要求。對(duì)VLBI、SLR來說，由于觀測(cè)條件的限制，僅有少數(shù)的VLBI、SLR基準(zhǔn)站站坐標(biāo)時(shí)間序列能滿足這個(gè)要求，而對(duì)大多數(shù)ITRF的GPS基準(zhǔn)站來說均能滿足，而且GPS技術(shù)發(fā)展至今，各基準(zhǔn)站已建立了相當(dāng)好的站坐標(biāo)時(shí)間序列。因此，地殼非線性運(yùn)動(dòng)特征的監(jiān)測(cè)和建模主要依靠GPS基準(zhǔn)站。

由于GPS觀測(cè)技術(shù)存在各項(xiàng)不可避免的誤差，因此GPS測(cè)定的地殼運(yùn)動(dòng)結(jié)果中也可能包含GPS技術(shù)本身引起的“偽地殼運(yùn)動(dòng)”，但是可以通過其他手段對(duì)監(jiān)測(cè)到的結(jié)果加以檢核和確認(rèn)，確保監(jiān)測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性。可以采用以下兩個(gè)方法：① 與VLBI、SLR技術(shù)監(jiān)測(cè)結(jié)果的檢核和比對(duì);②與影響地殼高程方向周年運(yùn)動(dòng)的地球物理機(jī)制的檢核和比對(duì)。

二、GPS、VLBI、SLR 三種技術(shù)監(jiān)測(cè)結(jié)果的比對(duì)

本文選取的用來比對(duì)的各GPS、VLBI、SLR基準(zhǔn)站及所在的國家地區(qū)如表1所示。

表1 ITRF2005部分并置臺(tái)站所在國家和地區(qū)表

續(xù)表1

選取這些臺(tái)站用來比對(duì)和檢核是因?yàn)檫@些臺(tái)站本身有多種技術(shù)監(jiān)測(cè)地殼運(yùn)動(dòng)，得到的結(jié)果會(huì)有多方面的顯示，彼此適合比對(duì)和檢核。

確定用來比對(duì)和檢核的并置臺(tái)站之后，需要處理得到的龐大的數(shù)據(jù)，大致的過程如下：首先把各GPS臺(tái)站觀測(cè)到的每日數(shù)據(jù)用GAMIT/GLOBK軟件包進(jìn)行處理;后期處理主要包括平滑、內(nèi)插、譜分析、諧波分析、小波分析5項(xiàng)內(nèi)容。數(shù)據(jù)處理流程如圖1所示。

圖1 GPS時(shí)間序列分析流程圖

經(jīng)過處理計(jì)算，得到的結(jié)果如表2所示。

表2 3種技術(shù)比對(duì)表(初相對(duì)應(yīng)的歷元為2003．0)

從表2可以看出，上述并置臺(tái)站各種技術(shù)監(jiān)測(cè)到的地殼運(yùn)動(dòng)(主要是高程方向上的周年運(yùn)動(dòng))相符程度還是很好的。這使得對(duì)GPS監(jiān)測(cè)地殼垂向周年運(yùn)動(dòng)的可靠程度有了一定的掌握，但是半年周期運(yùn)動(dòng)的符合程度不如周年運(yùn)動(dòng)，這說明目前用GPS、VLBI、SLR等空間技術(shù)監(jiān)測(cè)來獲取半年周期運(yùn)動(dòng)的可靠信息還有一定的困難。GPS監(jiān)測(cè)到的地殼垂向周年運(yùn)動(dòng)結(jié)果可以用VLBI、SLR技術(shù)加以檢核。由于GPS技術(shù)自身存在的一些問題，3種技術(shù)并置臺(tái)站的比對(duì)工作是很有必要的。

三、地殼形變垂向的地球物理因素模制與GPS實(shí)測(cè)結(jié)果的比較分析

引起地殼高程方向季節(jié)性變化的地球物理因素主要分為兩大類：①潮汐形變，包括固體潮、海洋負(fù)荷潮和極潮;②地球表面流體圈中的大氣和各態(tài)水的質(zhì)量遷移引起的地表負(fù)荷變化，主要包括大氣的質(zhì)量負(fù)載、非潮汐海洋質(zhì)量負(fù)載、積雪和土壤水的質(zhì)量負(fù)載等。這些質(zhì)量負(fù)載具有很明顯的季節(jié)性變化特征，由此會(huì)引起季節(jié)性的地殼彈性形變(主要是高程方向)。

因研究的范圍和學(xué)識(shí)有限，本文只論述大氣、積雪和土壤水對(duì)地殼高程方向周年運(yùn)動(dòng)的影響。利用全球有關(guān)的地球物理資料(取自美國國家環(huán)境預(yù)報(bào)中心(NCEP)、歐盟中尺度氣象預(yù)報(bào)中心(ECMWF)和SBL/GGFC等)，以我國大陸的8個(gè)IGS站為例，計(jì)算這些基準(zhǔn)站在與GPS觀測(cè)同一時(shí)間段(1998—2006年)的大氣、積雪和土壤濕度等地球物理機(jī)制因素引起垂向周年變化的振幅和相位。其中大氣負(fù)載的計(jì)算分別取自NCEP和ECMWF所提供的采樣率為6 h的格網(wǎng)地表氣壓資料，積雪和土壤濕度資料取自NCEP/DOEAMIP-II。計(jì)算出這8個(gè)IGS站上各地球物理因素的影響后，把這些影響綜合起來做矢量和的疊加，計(jì)算出大氣、積雪和土壤水對(duì)該站高程方向形變的綜合影響。因大氣負(fù)載的計(jì)算分別取自NCEP和ECMWF，所以分兩方面計(jì)算。計(jì)算結(jié)果如表3所示。

表3 大氣、積雪和土壤水引起的地殼垂向形變的周年振幅和周年相位

利用表3的結(jié)果，在各站上作大氣、積雪和土壤水的矢量和疊加，得到這些地球物理因素對(duì)測(cè)站垂向季節(jié)性變化的綜合影響。GPS監(jiān)測(cè)結(jié)果如圖2所示。

圖2 大氣、積雪和土壤水綜合影響與GPS實(shí)測(cè)結(jié)果對(duì)比圖

總體上講，GPS監(jiān)測(cè)的結(jié)果與地球物理因素模制結(jié)果的符合程度還是比較好的，這也進(jìn)一步實(shí)證了GPS監(jiān)測(cè)結(jié)果基本上是可靠的。

四、結(jié)束語

地殼非線性運(yùn)動(dòng)(主要是高程方向)特征的監(jiān)測(cè)主要依靠GPS基準(zhǔn)站，但GPS技術(shù)本身存在的一些問題，對(duì)GPS技術(shù)監(jiān)測(cè)地殼高程方向周年運(yùn)動(dòng)結(jié)果的可靠性帶來一些影響。因此，由GPS技術(shù)監(jiān)測(cè)到的測(cè)站垂向周年運(yùn)動(dòng)結(jié)果必須經(jīng)過嚴(yán)格的檢核，本文淺議了兩種檢核手段：①利用與GPS技術(shù)并置的其它空間技術(shù)VLBI、SLR監(jiān)測(cè)的結(jié)果進(jìn)行比對(duì)和檢核;②利用地球物理因素模制的結(jié)果，進(jìn)行比對(duì)和檢核。通過檢核可以看出GPS的監(jiān)測(cè)結(jié)果是可靠的。

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