利用GPS和GRACE監測地表質量負荷引起的周期性形變

邵楠，包晗

(沈陽市勘察測繪研究院，遼寧 沈陽 110004)

利用GPS和GRACE監測地表質量負荷引起的周期性形變

邵楠*，包晗

(沈陽市勘察測繪研究院，遼寧 沈陽 110004)

GPS可以監測地表質量負荷變化引起的地表形變。GRACE數據反映地表重力場變化，也可以進一步計算地表形變。本文簡要介紹了兩種監測手段的原理和特點，并以BJFS、BJSH、JIXN三個陸態網基準站為例，利用GPS和GRACE聯合監測垂直方向地表形變特征，主要針對周期性變化進行對比分析。結果表明，GPS和GRACE所計算的地表形變在垂直方向總體上具有較好的一致性，但在幅值上存在一定的差異性。

GPS；GRACE；質量負荷；季節性形變

1 引 言

隨著衛星技術的發展，空間大地測量技術為研究地表形變和地球重力場變化提供了越來越多的手段。GPS技術的發展，提供了全球400多個站近20年的監測序列。其中，GPS垂向時間序列主要表現為地表負荷變化引起的周期性形變，主要包括大氣、積雪、土壤水等負荷[1，2]。同時，GPS垂向時間序列中的周期性變化可能也受GPS解算誤差、基巖的熱脹冷縮等因素影響[3]。隨著GPS技術的發展和數據處理方法的進步，GPS在監測地表非構造形變領域已有了廣泛的研究[4～6]。GRACE(Gravity Recovery and Climate Experiment)衛星的成功發射，為獲取地球重力場變化提供了很大便利。GRACE數據可以反演地表質量變化信息，進一步計算質量負荷變化引起的地表位移[7]。

一些研究表明，在水儲量變化顯著的地區，GPS和GRACE得到的地表形變具有很好的一致性，如喜馬拉雅地區[8]、亞馬遜地區[9]等。但在一些地區也存在明顯差異，如歐洲地區[10]。本文針對華北地區，選取了陸態網3個GPS測點的垂向時間序列，同時采用CNES/GRGS的10天分辨率的GRACE數據計算了質量變化引起的地表位移。進一步對比分析了GPS和GRACE地表形變的差異性并對二者間差異產生的原因進行了探討。

2 數據源及形變計算

2.1 GPS數據

我們選取中國大陸構造環境監測網絡(簡稱陸態網)的BJFS、BJSH和JIXN三個GPS測站的垂向時間序列。其空間位置分布如圖1所示。數據采用GAMIT/GLOBK軟件處理，首先利用GRAMIT處理得到測站的單日松弛解，然后結合IGS站數據處理結果通過全球分布的ITRF參考框架點進行七參數相似變換，約束至ITRF2008框架下。處理中對流層映射函數為HGMF、DGMF；無高階電離層改正；潮汐模型為IERS2003，進行了極潮和海潮改正(FES2004)；無大氣負荷改正。

圖1研究區域(左圖)和GPS測點位置(右圖)示意圖

2.2 GRACE計算地表形變

利用GRACE衛星可以反演地表質量變化引起的位移，可以通過GTACE球諧系數和負荷勒夫數來計算[11]，垂向地表形變計算過程由式(1)表達：

(1)

3 GPS和GRACE地表形變對比分析

GPS和GRACE周期形變均是主要由地表質量的周期性變化所引起的，但二者計算所得的位移有所區別。GPS處理中沒有進行負荷改正，但GRACE數據在處理中進行了大氣負荷和非潮汐海洋負荷的校正，因此，在將二者進行對比時，需要對GPS數據進行大氣和非潮汐海洋負荷的校正或者將相應負荷加入GRACE計算的形變序列中。根據以往研究，在中國地區，非潮汐海洋負荷的變化很小[5]，因此在本文中，我們進行了大氣負荷校正。我們利用GGFC (Global Geophysical Fluid Center) 提供的程序(http：//geophy.uni.lu/ncep-loading.html)和NCEP (National Center of Environmental Protection) 提供的時間分辨率為 6 h，空間分布率為2.5°×2.5°的大氣數據計算了三個測站的大氣負荷并加入了GRACE計算的負荷形變中。為了方便對比，所有數據進行了10天的滑動平均以歸一到統一的時間分辨率。

利用上述方法，我們得到了3個測站的GRACE計算的地表負荷形變。本文中主要研究GPS和GRACE形變非線性變化，因此所有時間序列我們均去除了線性項。3個測站GPS時間序列和GRACE形變序列如圖2所示。從圖中可以看到，總體上兩者都呈現了周期性變化，這主要是由于地表負荷的周期性形變引起的(大氣和陸地水負荷)。為了更明確其中的周期性變化特征，我們對其進行了頻譜分析，所有序列均呈現明顯的周年和半周年變化。其中BJFS站的GPS和GRACE形變序列的頻譜分析結果如圖3所示。

圖2 3個測站GPS和GRACE形變序列

為了進一步對比分析GPS和GRACE數據的聯系，我們定義式(2)的均方根減少率來表明各站點GPS和GRACE形變序列的影響。當GPS和GRACE數據完全一致時，減少率為100%。經過計算，3個測站均方根分別降低了16.4%、10.7%和14.4%。結果表明3個測站GPS和GRACE數據均有一定程度的一致性。

(2)

盡管GPS和GRACE數據均有明顯的年周期和半年周期變化，但從圖2和以上計算結果可以看到，3個站點中GPS在幅值上呈現了更顯著的變化。這是因為GPS垂向數據的周期變化除了受地表負荷變化的影響，還受其他因素影響，如GPS解算策略、熱彈性形變、基巖的熱脹冷縮等因素；而GRACE數據僅對質量變化敏感，且GRACE數據空間分辨率較低，一般用來監測大尺度的質量遷移。

4 總 結

本文介紹了GPS和GRACE兩種監測地表形變的技術，并通過實例分析對比了二者在監測地表形變上的差異。結果表明在BJFS、BJSH和JIXN三個測站上，兩種技術所得到的形變序列均呈現了明顯的年周期和半年周期性變化，這與地表質量變化的季節性變化特征一致。二者呈現了較好的一致性，但總體上GPS所呈現的振幅更為明顯，這主要是GPS所得到形變序列不僅包含了質量負荷變化所引起的地表形變，還有包含了基巖形變、熱彈性形變、GPS解算周期性誤差等。GRACE數據主要反映區域水文負荷變化引起的地表位移，雖然我們加入了大氣負荷改正，但還有非潮汐海洋負荷等因素并沒有考慮，這也是造成其與GPS結果差異的原因之一。

[1] 姜衛平，夏傳義，李昭等. 環境負載對區域GPS基準站時間序列的影響分析[J]. 測繪學報，2014，43(12)：1217～1223.

[2] 姜衛平，李昭，劉鴻飛等. 中國區域IGS基準站坐標時間序列非線性變化的成因分析[J]. 地球物理學報，2013，56(7)：2228～2237.

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[5] 王敏，沈正康，董大南. 非構造形變對GPS連續站位置時間序列的影響和修正[J]. 地球物理學報，2005，48(5)：1045～1052.

[6] Williams S D P，Penna N T. Non-tidal ocean loading effects on geodetic GPS heights[J]. Geophysical Research Letters，2011，38(9).

[7] Kusche J，Schrama E J O. Surface mass redistribution inversion from global GPS deformation and Gravity Recovery and Climate Experiment (GRACE) gravity data[J]. Journal of Geophysical Research： Solid Earth，2005，110(B9).

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[10] van Dam T，Wahr J，Lavallée D. A comparison of annual vertical crustal displacements from GPS and Gravity Recovery and Climate Experiment (GRACE) over Europe[J]. Journal of Geophysical Research： Solid Earth，2007，112(B3).

[11] Kusche J，Schrama E J O. Surface mass redistribution inversion from global GPS deformation and Gravity Recovery and Climate Experiment (GRACE) gravity data[J]. Journal of Geophysical Research： Solid Earth，2005，110(B9).

DetectingtheSeasonalDeformationsonEarthSurfaceUsingGPSandGRACE

Shao Nan，Bao Han
(Shenyang Geotechnical Investigation & Surveying Research Institute，Shenyang 110004，China)

GPS can be used in detecting the deformation caused by Earth surface mass loading. At the same time，GRACE data can reflect the change of gravity field，and further used to calculate the deformation. In this paper，we introduced the theory and characters of these two monitoring methods. We made three GPS stations，BJFS，BJSH and JIXN，as examples and detected the vertical Earth deformations using both GPS and GRACE，then we made a comparison and analysis about these two methods. The results show that GPS and GRACE show a good correlation in vertical direction and there are also certain difference in the amplitude of the variation.

GPS；GRACE；mass loading；seasonal deformation

1672-8262(2017)06-105-03

P228

A

2017—03—21

邵楠(1989—)，男，碩士，工程師，主要從事工程測量方面的技術工作。