南極中山站的海潮負荷位移改正

楊 崴，王澤民

（1．廣州市城市規劃勘測設計研究院,廣東 廣州510060；2.武漢大學 中國南極測繪研究中心,湖北 武漢 430079）

南極中山站的海潮負荷位移改正

楊 崴1，王澤民2

（1．廣州市城市規劃勘測設計研究院,廣東 廣州510060；2.武漢大學 中國南極測繪研究中心,湖北 武漢 430079）

利用5種全球海潮模型，采用積分格林函數的方法計算了海洋潮汐負荷對中山站GPS測站的影響；并利用GAMIT軟件對中山站2006年060～090的GPS數據進行了處理，分析了海潮負荷對GPS基線向量的影響。結果顯示，海潮負荷對中山站GPS觀測的影響是不可忽視的，聯合利用中山站附近的海潮資料和全球海潮資料對于中山站GPS測量的海潮負荷位移改正意義重大。

全球定位系統；海潮模型；GAMIT；格林函數

1 海潮負荷改正

要對地面點的精密測定進行有效的地潮改正, 必須計算海洋負荷潮汐所引起的測站在垂線和水平方向的位移。一般來說, 全球海潮對近海測站的影響能達到80%以上，且近海海潮對全球海潮模型的偏離是不可忽視的,海潮負荷現象是固體地球對海潮運動特征的響應[1]。海潮負荷的研究不同于海潮或固體潮，由于海潮負荷是海潮對固體地球的影響，而固體潮和海潮都是日月引力作用的結果，因此海潮負荷和固體潮具有相同的頻率特征，不能通過濾波方法直接從固體潮觀測資料中將海潮負荷的影響分離出來。Farrell提出用海潮和負荷格林函數的褶積積分求得負荷效應[2]。

潮汐模型中最復雜的是海潮部分，其模型改正直接在GPS數據處理軟件中完成非常困難。GAMIT采用的方法是直接從文件station．oct中讀取或通過全球范圍的柵格表grid．oct內插得到測站分潮波的振幅和相位即海潮系數。隨GAMIT軟件包發布的station．oct文件包含了全球465個跟蹤站（GPS/SLR/VLBI）的海潮系數，主要是通過CRS4．0全球海潮模型得到，個別站也輔以CRS3．0或其他模型。但一些實際的數據處理結果表明，直接利用隨GAMIT軟件包發布的station．oct對沿海的測站進行海潮改正的效果并不理想，這可能是由海潮模型及 station．oct文件中跟蹤站分布的局限性造成的[3]。本文利用5個海潮模型計算了海洋潮汐負荷對中山站GPS測站的影響，然后利用GAMIT軟件對中山站一個月的GPS數據進行了處理，分析了海潮對基線向量測定的影響[4]。

2 計算方法

海洋負荷潮對GPS測站的位移改正，在垂直和水平分量的影響可用海潮潮高與格林函數的褶積積分來表示：

式中，ρ是海水密度；（φ，λ）和（φ′，λ′）分別為測站和負荷點的球坐標；A、θ為測站到負荷點的方位角和極距；ds′為負荷面元；H為瞬時潮高；G為格林函數。其中，

式中，Δγ、Δφ、Δλ分別為海潮負荷引起的測站垂直方向、南北方向和東西方向的改正。垂直和水平方向的格林函數G可改寫為：

式中，k為引力常數；R為地球半徑；g為重力常數。測站和負荷點的球坐標有下列關系：

一般可將瞬時潮高展開為若干調和分潮潮高的總和，即式中，ζP、δP、ωP、χP分別為負荷點（φ′，λ′）P波的振幅、初相、輻角和角頻率；t為世界時；N為分潮總數。

海洋負荷潮改正L（φ, λ, t）可表示為：

這里，

各分潮參數具有如下關系：

海洋負荷潮位移改正實質上就是對式（8）作褶積積分。通過積分求出每個分潮潮波在測站（φ, λ）處的振幅LP（φ, λ）和相位δP，就可方便地計算該測站處的海潮位移改正[5]。

3 計算結果

根據上述關系，本文計算了不同海潮模型下中山站的海潮負荷對位移場觀測的影響。采用了5個全球海潮模型和標準地球模型的格林函數，計算的程序NLOADF由Agnew[6]提供，其結果見表1。

表1 中山站的海潮位移改正表

表1給出了南極中山站由于海潮負荷而產生的位移效應，計算了5個全球海潮模型8個主波的影響[7]。位移負荷的量級為mm，M2、S2、K1、O1波的影響較大，N2、K2、P1、Q1波的影響較小。對于東西分量，除了TPXO70海潮模型的位移負荷K1波的影響最大（1．383 mm）外，其他的海潮模型（Schwiderski、Csr4．0、Fes952和NAO99）的位移負荷都是O1波的影響最大，分別是Schwiderski 1．207 mm，Csr4．0 1．171 mm，Fes952 1．399 mm，NAO99 1．333 mm；對于南北分量，M2波影響最大，K2波影響最小；垂直分量比東西和南北分量都要大，有的快要達到1 cm，一般至少是東西和南北分量的2倍，甚至更大，K1和O1波的影響差不多，是最大的，K2波的影響最小。

對南極中山站和戴維斯站2006年3月份30 d的GPS觀測數據采用了3種處理方案，計算了基線ZHONGSHAN一DAVIS加入海潮改正基線分量的變化，其中圖1和圖2分別為加入CSR4． 0模型的海潮位移改正和加入TPXO7．0海潮模型的海潮位移改正與不加海潮位移改正所得到結果的差值，圖3為加入2種不同海潮模型所得結果的差值。由于3種方案的區別僅在于海潮位移改正上，所以圖1和圖2反映了海潮位移改正對基線分量的影響，圖3則反映了由于采用2種不同海潮模型的海潮位移改正對ZHONGSHAN一DAVIS基線分量影響的差異。

圖1 加入CSR4. 0模型的海潮位移改正

圖2 加入TPXO7.0海潮模型的海潮位移改正

前2種情況下海潮改正對基線ZHONGSHAN一DAVIS的N、E分量的影響大約為±1 mm，而對U分量的影響卻達到近±6 mm，約為N、E分量的6倍，可見海潮對基線的影響同對測站的影響一樣都主要體現在U方向上。圖3表示了由于采用不同的海潮模型所引起的海潮改正的差異，在N、E方向上±0． 4 mm左右，在U方向上±2 mm左右。也就是說，由于采用不同的模型所引起的誤差最大值可達±2 mm，約占海潮對基線分量最大影響的33%。而TPXO7．0海潮模型加入了南極部分地區的區域海潮數據，相比CSR4． 0海潮模型精確度要差一些，因此，有必要加入中山站附近的海潮資料。

由于海潮是有周期性的，海潮對基線的影響也有較強的周期性，在圖1～圖3中可很明顯地看出這種周期性，特別是在U方向上，其周期約為0．5月。

通過以上分析可知，海潮對ZHONGSHAN一DAVIS基線分量具有一定的影響，在中山站高精度GPS定位中特別是用GPS監測陸海垂直運動和冰川運動時，海潮的這種影響不容忽視，應加入海潮改正并合理選擇海潮模型，有條件的情況下還應顧及中山站附近的海潮資料。同時，由于海潮具有周期性，因此通過長時間的連續觀測可削弱海潮的影響，但對于短時間的觀測，這種影響還是不能很好地被削弱。

[1] 孫和平,周江存．中國地殼運動觀測網絡基準站傾重力場變化的海潮負荷信號改正問題[J]．地球科學進展,2002, 17(1):39-43

[2] 方俊．固體潮[M]．北京:科學出版社,1984

[3] 王志強．高精度GPS測量中的海潮問題[D]． 北京：中國科學院研究生院,2002

[4] 王志強．李軍．GAMIT使用指南[J]．全球定位系統，2002(2):36-39

[5] 許厚澤，毛偉建．不同地球模型對負荷潮汐改正的影響[J]．地球物理學報，1985,28(3):282-290

[6] Agnew D C． A Program for Computing Ocean Tide Loading[J]．J Geophys Res, 1997,102(B3):5 109-5 110

[7] 顧震年，金文敬，王寶衛．海潮模型的比較及海潮對地球自轉變化的影響[J]．天文學進展，1999,17(2):126-135

P223.0

B

1672-4623（2014）01-0131-03

10.11709/j.issn.1672-4623.2014.01.045

楊崴，碩士，工程師，研究方向為GPS數據處理。

2013-03-29。

項目來源：國家自然科學基金資助項目（41174029、41204028）；中國極地戰略研究基金資助項目（20110205）；國家海洋局極地科學重點實驗室開放研究基金資助項目（KP201201）。