非潮汐海洋負載效應對近海岸IGS測站坐標時間序列的影響

周伯燁 姜衛平 李 昭

1 武漢大學GNSS研究中心,武漢市珞喻路129號,430079 2 武漢大學測繪學院,武漢市珞喻路129號,430079

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非潮汐海洋負載效應對近海岸IGS測站坐標時間序列的影響

周伯燁1姜衛平1李 昭2

1 武漢大學GNSS研究中心,武漢市珞喻路129號,430079 2 武漢大學測繪學院,武漢市珞喻路129號,430079

根據均勻分布在全球各大洲的IGS測站信息，選取105個數據質量良好的近海岸測站以及29個內陸測站，利用ECCO發布的海底壓力數據計算得到由非潮汐海洋負載引起的IGS測站位置N、E、U方向上的位移。分析了由地理位置差異導致的測站受非潮汐海洋負載效應的影響存在的差異，并修正了SOPAC提供的IGS測站坐標時間序列，探討了非潮汐海洋負載效應引起的測站位移對近海岸測站坐標時間序列的影響。結果表明，近海區域(<50 km)測站受到非潮汐海洋負載影響U方向平均量級為5 mm，遠大于內陸(>500 km)測站U方向的影響；經過非潮汐海洋負載修正，71%的測站高程坐標時間序列RMS值得以減小，其中最大可使RMS值降低13%；大西洋、太平洋西海岸受其影響比東海岸大，考慮到其受非潮汐海洋負載效應影響顯著，使用大西洋與太平洋西海岸地區測站坐標時間序列前必須進行非潮汐海洋負載修正。

非潮汐海洋負載效應；近海岸區域；GPS坐標時間序列；wRMS分析

已有學者針對非潮汐海洋負載(non-tidal ocean loading, NTOL)造成的測站位移進行研究。Collieux等[1-2]研究了環境負載對ITRF建立的影響，發現施加大氣壓、陸地儲水量及非潮汐海洋負載改正，可以讓堆棧GPS坐標時間序列的單位平方根方差因子減小3.1%，非線性變化減少的測站占總數的73%。Williams等[3]2011年計算了非潮汐海洋負載對歐洲局部區域17個測站3～4 a的GPS坐標時間序列的修復效果，表明在進行大氣負載修正的基礎上再對測站進行非潮汐海洋負載改正，可使坐標時間序列RMS值減小20%～30%；Dam等[4]發現，對測站施加非潮汐海洋負載改正可使超過65%的測站RMS值減小，并且沿海測站經過非潮汐海洋負載修正，其GPS坐標時間序列質量可得到很好的提高。雖然已有研究均探討了非潮汐海洋負載效應對測站坐標時間序列的影響，并根據RMS值變化具體量化了其影響量級，但是并未有以近海岸區域測站為重點研究對象，對比其與內陸測站受該效應影響的差異。因此，本文著重計算由非潮汐海洋負載效應引起的近海區域IGS測站位移，研究地理位置差異導致的IGS測站受非潮汐海洋負載效應影響存在的差異，并分析其對測站坐標時間序列的影響。通過計算修正前后測站坐標時間序列的RMS值，評估對近海區域測站坐標時間序列進行非潮汐海洋負載效應修正的重要性。

1 采用的數據

1.1 GPS數據

為正確分析非潮汐海洋負載效應對測站坐標時間序列的影響，選取SOPAC提供的數據情況較好并均勻分布在全球各大洲沿海區域的105個近海岸IGS基準站，以及29個內陸IGS基準站1998～2010年去線性化后的坐標時間序列(http://garner.ucsd.edu/pub/timeseries/measures/)。各測站地理位置關系如圖1。

1.2 地球物理數據

本文采用ECCO提供的海底壓力數據格網文件計算非潮汐負載造成的測站位移(http:∥ecco.jpl.nasa.gov/thredds/las/kf080/catalog.html)，該數據時間分辨率為12 h，空間分辨率為1°×(0.3°～1°)。

圖1 選取的全球均勻分布的IGS基準站Fig.1 Distribution of selected IGS stations

2 數據處理

2.1 環境負載數據處理

利用ECCO提供的海底壓力數據(OBP)格網文件與格林函數卷積計算[5]，得到對應測站經緯度位置的非潮汐海洋負載時間序列。

計算過程中需注意，由于ECCO提供海底壓力數據格網文件具有高于測站坐標時間序列的時

間分辨率，需將得到的測站非潮汐海洋負載時間序列內插至與測站坐標時間序列一致。此外，在進行非潮汐海洋負載修正前，需注意由于ECCO海洋環流模型中海水體積總量為常數，得到的任意單站負載具有線性趨勢項，在對測站進行負載修正前需要去除該趨勢項。

2.2 非潮汐海洋負載效應修正效果的評估方法

為評估施加非潮汐海洋負載效應對測站坐標時間序列的修正效果，本文采用RMS分析法，即計算修正前后測站坐標時間序列的wRMS差值。wRMS差定義[6]為：

wRMS(difference)=

RMS(gps)-wRMS(gps-load)

(1)

其中(以u分量為例),RMS(gps)=

(2)

(3)

式中，gpsu(i)、sigu(i)分別表示測站i時刻在U方向的位移及其不確定度；load(i)表示環境負載造成的U方向的位移；ndat表示觀測值數目。計算N和E方向的RMS值時，只需將對應分量替換即可。

由式(1)、(2)、(3)可知，wRMS差大于0表示環境負載修正能夠減小原始測站坐標時間序列的RMS，wRMS差值越大，修正效果越好；相反，若wRMS為負值，則說明環境負載修正增大了坐標時間序列的RMS值。根據此規則，可以簡單地評估對測站坐標時間序列施加非潮汐海洋負載修正獲得的效果。

3 結果與分析

3.1 非潮汐海洋負載位移影響量級分析

本文利用ECCO發布的格網數據計算各測站非潮汐海洋負載效應，圖2為非潮汐海洋負載效應造成的HLFX站的N、E和U方向的位移。

圖2 非潮汐海洋負載效應造成的HLFX站N、E、U方向的位移Fig.2 Displacement of N,E,U components of HLFX caused by NTOL

由圖2可看出，非潮汐海洋負載效應對HLFX測站的影響表現為U方向最大，N、E方向較小，與已有研究成果一致[4,7-10]。就選取的105個IGS基準站計算結果而言，非潮汐海洋負載效應在U方向上的影響量平均達到±5 mm，最大可達13.12 mm；而在N、E方向上的非潮汐海洋負載在±1 mm內周期性波動。可見，非潮汐海洋負載效應對測站的影響主要體現在U方向上，對N、E方向的影響較小。

結合圖1中的IGS測站地理位置信息，本文分別選取若干具有地理位置代表性的測站進行非潮汐海洋負載效應造成測站U方向位移效果的對比，其結果如圖3所示。

圖3 大西洋兩岸測站U方向非潮汐海洋負載效應位移Fig.3 Displacement of U components of stations on both sides of Altantic Ocean caused by NTOL

如圖3所示，大西洋西岸測站STJO在U方向非潮汐海洋負載造成的測站位移變化較大，平均幅值約為13.12 mm；而東岸ACOR測站在U方向非潮汐海洋負載造成的測站位移變化的平均幅值約為2.90 mm。從測站的地理位置差異角度解釋，大西洋西岸非潮汐海洋效應要明顯大于東岸，可能是由于西岸大氣環流活躍導致頻繁的海水質量重分布，而海水質量重分布直接導致了海底壓力變化，進而造成固體地球壓力變化，并直觀表達為固體地球的表面形變。這樣，就造成了大氣環流活躍地區IGS測站位移受非潮汐海洋負載的影響較大，其他地區海底壓力變化較小，IGS測站位移受非潮汐海洋負載的影響也較小，從而造成了地理位置差異導致測站受非潮汐海洋負載效應影響的差異。

圖4為本文所選取的全球105個近海岸IGS基準站受非潮汐海洋負載效應作用在U方向位移的平均幅值分布。

圖4 非潮汐海洋負載效應造成全球IGS基準站U方向位移平均幅值分布 Fig.4 Distribution of averaged displacements of U components of IGS stations caused by non-tidal ocean loading

從圖4可以明顯看出，全球范圍內IGS測站地理位置與測站高程坐標時間序列受到非潮汐海洋負載效應的影響分布。大西洋東岸測站U方向位移普遍在3 mm以內，而對應的西岸測站大部分在3～9 mm之間(STJO站平均幅值13.12 mm)；太平洋東岸測站受非潮汐海洋負載效應影響則一般在3 mm以內，而對應的西岸即亞洲板塊沿海區域普遍在3～6 mm之間，個別站如KIRI可達6.72 mm；對比南北極分布測站發現，北極區域測站受非潮汐海洋負載相對較小，而南極區域測站受非潮汐海洋負載影響一般在3～6 mm之間。通過以上分析可知，非潮汐海洋負載效應對測站U方向位移的影響與地理位置分布具有密切的關系。大氣環流活躍地區，海洋質量重分布頻繁，非潮汐海洋負載效應對測站作用也相對較大，導致測站U方向的位移平均幅值偏大。

3.2 非潮汐海洋負載效應對近遠海岸測站作用效果比較

本節重點通過計算數據以圖表形式闡述非潮汐海洋負載效應對近遠海岸測站坐標時間序列的影響。為探究距海岸線距離差異而導致測站受到非潮汐海洋負載效應影響的異同，本文對選取的105個近海岸測站以及29個內陸IGS測站中篩選距海岸線距離不同且均勻分布的45個測站進行進一步研究。

圖5為選取測站位置距海岸線距離與U方向受非潮汐海洋負載影響產生的位移關系圖，圖中藍色實線為模擬的二階趨勢曲線。由于非潮汐海洋負載屬于環境負載的一種，其實際效應受環境因素影響較大，因此，雖然實際位移并非與距海岸線距離嚴格成某種低階函數關系，但總體趨勢為測站離海岸線越近受到的非潮汐海洋負載效應影響越大；反之，距海岸線越遠，受非潮汐海洋負載效應影響越小。從數據統計角度，距離海岸線50 km以內，測站U方向受到非潮汐海洋效應影響平均為5 mm；距離海岸線50～200 km以內，U方向平均影響量級降至3 mm；距離海岸線200～500 km以內，U方向平均影響量級又降至1.5 mm；距離海岸線500 km以外，U方向平均影響量級僅為1 mm。

圖5 測站距海岸線距離與非潮汐海洋負載造成的測站U方向位移關系趨勢Fig.5 Relation between displacement of U component of IGS station caused by NTOL and its distance from coastline

以上統計結果表明，近海岸(<200 km)測站受非潮汐海洋負載效應的影響要明顯大于內陸(>500 km)測站。在使用近海岸測站坐標時間序列時，有必要考慮非潮汐海洋負載的影響，尤其在U方向。因此，可利用近海岸測站得到的GPS坐標時間序列研究海平面變化，并利用非潮汐海洋負載作用在近海岸測站的效應，敏感地監測到海底壓力變化以及近海區域發生的導致海底壓力變化的地球物理效應。

3.3 非潮汐海洋負載效應對GPS坐標時間序列修正效果的評估與分析

依據3.2中RMS分析法的計算公式，本文計算得出選取的105個近海岸測站在U方向上非潮汐海洋負載修正前后測站坐標時間序列的RMS值，觀察RMS值變化情況以及RMS差值。結果表示如圖6。

圖6 全球IGS測站進行非潮汐海洋負載改正前后RMS差值分布Fig.6 Distribution of wRMS difference of selected IGS stations before and after NTOL correction

從圖6可知，經過非潮汐海洋負載修正后，全球大部分測站坐標時間序列RMS值減小。為直觀觀察修正效果，選取部分測站進行例舉，其結果如表1所示。

表1 近海岸測站非潮汐海洋負載修正前后RMS值及修正百分比

由計算結果統計得出，經過非潮汐海洋負載修正后，105個近海岸測站中75個測站的坐標時間序列的RMS值減小，且最多可使RMS值減少13%。統計結果與Zerbini等[11]在地中海亞得里亞海區域測站的實驗結果相比，RMS值減少最高多出3%；但是與Williams等[3]于2011年在歐洲大陸西北的北海南部實驗結果相比，對RMS值改正效果普遍低了10%，可能原因在于該研究中除了考慮海底壓力變化造成的非潮汐海洋負載效應之外，還引入了風暴潮模型。通過與已有研究結果的對比分析可知，本文得到的非潮汐海洋負載修正可有效提高近海岸測站坐標時間序列質量，對全球近海岸IGS測站進行非潮汐海洋負載修正可間接提高ITRF坐標框架的精度。

4 結 語

1)非潮汐海洋負載效應對測站的影響均表現為U方向最大，N、E方向較小。在U方向上的影響量平均達到±5 mm，而在N、E方向上的負載位移在±1 mm內周期性波動。

2)非潮汐海洋負載效應對IGS測站的作用效果因地理位置差異會產生數值上的差異。一般情況下，大氣環流活躍的近海岸地區IGS測站位移受非潮汐海洋負載的影響較大，如大西洋西海岸近海區域，測站U向位移最大可達13.12 mm，而其他海底壓力變化較小的近海岸地區IGS測站受非潮汐海洋負載的影響一般平均在±3 mm。

非潮汐海洋負載效應對近海區域測站作用大于其對內陸測站的作用。統計得到，近海區域(<50 km)測站受非潮汐海洋負載效應作用在U方向平均可產生5 mm的位移，而遠離海洋的區域(>500 km)測站受非潮汐海洋負載效應作用在U方向平均僅有1 mm的位移。可利用近海岸測站得到的GPS坐標時間序列研究海平面變化，并有效監測近海區域發生的導致海底壓力變化的地球物理效應。

4)經非潮汐海洋負載修正后，測站坐標時間序列RMS值在U方向上最多可降低13%，數值上可使RMS值減小0.8 mm。且對全球105個均勻分布在近海岸地區的IGS測站進行非潮汐海洋負載修正后，可使71%的測站的坐標時間序列RMS值有不同程度的降低。因此，對測站進行非潮汐海洋負載改正，可提高所使用的測站坐標時間序列的質量，避免對時間序列中含有信號的錯誤解釋，并且有利于建立更精確的全球坐標參考框架。

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About the first author:ZHOU Boye, postgraduate, majors in GPS coordinate time series, E-mail: zby.arthur@gmail.com.

Effects of Non-Tidal Ocean Loading on IGS Stations in Coastal Areas

ZHOUBoye1JIANGWeiping1LIZhao2

1 GNSS Research Center, Wuhan University, 129 Luoyu Road, Wuhan 430079, China 2 School of Geodesy and Geomatics, Wuhan University, 129 Luoyu Road, Wuhan 430079, China

Based on information on evenly distributed IGS stations, the paper selects 150 healthy IGS stations distributed in coastal areas and 29 inland IGS stations. Displacements of IGS stations caused by non-tidal ocean loading are calculated using an ocean bottom pressure grid provided ECCO, results of which are used to analyze differences of effects of non-tidal ocean loading on IGS stations between coastal and inland areas. Finally, to investigate its effects on IGS station coordinate time series, the calculated displacements are used to correct coastal IGS station time series provided by Scripps orbit and permanent array center(SOPAC). Results indicate thatUcomponents of stations in coastal areas (less than 50 km) are affected on average by 5 mm, compared to only 1 mm for inland stations. After non-tidal ocean loading correction is applied, the RMS of height time series of 71% coastal area stations are reduced, with a maximum reduction of 13%. Furthermore, non-tidal ocean loading effects along the west coasts of the Atlantic and the Pacific ocean are more obvious than along the east coasts. Considering the obvious effects in these areas, it is strongly recommended that when using station coordinate time series in west coast areas of the Atlantic and the Pacific oceans, that non-tidal ocean loading corrections must be applied.

non-tidal ocean loading effects; coastal areas; GPS coordinate time series; wRMS analysis

National Natural Science Foundation of China,No.41374033.

2015-10-30

項目來源：國家自然科學基金(41374033)。

周伯燁，碩士生，研究方向為GPS坐標時間序列，E-mail:zby.arthur@gmail.com。

10.14075/j.jgg.2016.11.014

1671-5942(2016)011-1008-06

P229

A