大氣負荷對我國GNSS站地殼垂向形變影響分析

張健琿,楊國林,劉濤,邵明

(1.蘭州交通大學 測繪與地理信息學院,甘肅 蘭州730070;2.甘肅省地理國情監(jiān)測工程實驗室,甘肅 蘭州730070)

0 引 言

地殼并非剛體,除構(gòu)造等因素引起的地殼形變以外,大氣、冰雪消融、陸地水遷徙、海洋等因素的作用導致地殼產(chǎn)生的形變稱之為非構(gòu)造負荷形變。其中大氣負荷形變是地球?qū)Υ髿赓|(zhì)量重新分布引起的響應[1],近年來,隨著空間大地測量技術(shù)(如GPS、VLBI、SLR)的廣泛應用,大范圍長周期的地殼垂直運動已經(jīng)被成功探測[2-3]。考慮了地形因素的大氣重力格林函數(shù)方法[4],把地表氣象數(shù)據(jù)和大氣標準模型相結(jié)合來表示大氣分布,克服了大氣密度模型表示不夠精確的缺點。

中國地震局GNSS數(shù)據(jù)產(chǎn)品服務平臺以中國大陸構(gòu)造環(huán)境監(jiān)測網(wǎng)絡260個GNSS基準站和2 000個區(qū)域站為數(shù)據(jù)源,主要服務于地震監(jiān)測、科學研究等應用領(lǐng)域。國外的一些部門如歐洲中期天氣預報中心(ECMWF)和美國國家環(huán)境預報中心(NCEP)可以提供豐富、高分辨率的地表大氣數(shù)據(jù),為研究地殼大氣負荷形變提供了有利條件。

我國GNSS基準站地殼大氣負荷垂向形變有一定規(guī)律性,同時隨著地理位置、季節(jié)、氣候等的變化又有一些特殊性,氣壓變化引起的測站垂向形變季節(jié)性變化,在中緯度地區(qū)可達25 mm,高緯度地區(qū)更大[5]。對高精度的大地測量來說,通過改正大氣負荷效應的方式能一定程度地提高GNSS垂向觀測精度[6-7]。

1 數(shù)據(jù)獲取與處理

本文使用的原始地表氣壓數(shù)據(jù)來自于歐洲中期天氣預報中心(ECMWF),所使用的6個基準站坐標時間序列數(shù)據(jù)由中國地震局GNSS數(shù)據(jù)產(chǎn)品服務平臺提供,時間從2013年1月1日至2015年12月31日,共計36個月。

1.1 大氣負荷垂向形變數(shù)據(jù)的獲取

大氣負荷形變主要通過對地表氣壓變化數(shù)據(jù)進行格林函數(shù)積分獲得[8-9],相關(guān)學者提出了一種簡化公式[10],只需要知道測站點的瞬時氣壓和周圍2 000 km范圍內(nèi)的平均氣壓就可得出地殼垂直形變量,即

(1)

P(x,y)=A0+A1x+A2y+A3x2+

A4xy+A5y2,

(2)

(3)

(4)

積分區(qū)域c為上述采樣區(qū)域。式中,

R=x2+y2.

(5)

實際計算時可根據(jù)氣壓數(shù)據(jù)擬合系數(shù)A0～A5,求解時至少需要6個點的氣壓數(shù)據(jù)。當點數(shù)多于6個時,可用最小二乘法估計參數(shù)。由最小二乘擬合原理可知,若要得到較為精確的數(shù)值,需要參考點的數(shù)量足夠多且分布均勻。

歐洲中期天氣預報中心(ECMWF)提供的地表氣壓數(shù)據(jù)格式分為兩種,本文選擇的是NetCDF(network Common Data Form)格式的數(shù)據(jù),空間分辨率0.125°×0.125°,采樣周期為6 h.NetCDF格式是由美國大學大氣研究協(xié)會的研究者針對科學數(shù)據(jù)的特點開發(fā)的,是一種面向數(shù)組型并適于網(wǎng)絡共享的數(shù)據(jù)的描述和編碼標準[11-12]。本文先利用Python工具進行了解碼并提取得到了網(wǎng)格數(shù)據(jù),再根據(jù)上述原理對地表氣壓數(shù)據(jù)進行處理以獲得指定點的大氣負荷形變時間序列。在使用Python進行數(shù)據(jù)提取、處理和繪制簡單示意圖時需要的擴展模塊有NetCDF4、Basemap、numpy、scipy、matplotlib.pyplot等。

1.2 坐標時間序列的獲取與處理

中國地震局GNSS數(shù)據(jù)產(chǎn)品服務平臺提供的經(jīng)GAMIT軟件處理的數(shù)據(jù)已經(jīng)對諸如極移、歲差、章動、固體潮、極潮等地球物理效應做了改正[13],在接收機和數(shù)據(jù)處理方面,對天線相位中心偏差采用ELEV模型進行改正,對對流層天頂延遲進行估計,對接收機鐘差利用偽距觀測值進行估計,采用數(shù)學模型對電離層的影響作了改正,對衛(wèi)星質(zhì)量中心進行改正,平差采用加權(quán)最小二乘估計和卡爾曼濾波,特別是對大氣負荷未做改正。

站點選取原則為:1) 范圍足夠廣,能覆蓋到中國的大部分地區(qū);2) 避開地質(zhì)活躍、地震活動發(fā)生較頻繁的區(qū)域;3) 具有代表性,便于各項對比。基于上述原則筆者從陸態(tài)網(wǎng)絡中選取的6個站點分別是江蘇南通(JSNT)、河南確山(HAQS)、青海格爾木(QHGE)、黑龍江哈爾濱(HRBN)、西藏拉薩(LHAZ)、新疆烏魯木齊(URUM),分布情況如圖1所示。這些站點既有特征點又有一般的點,能夠研究特殊規(guī)律的同時也能體現(xiàn)普遍規(guī)律性。對獲得的數(shù)據(jù)進行預處理,剔除數(shù)據(jù)中的粗差和干擾信號,同時在數(shù)據(jù)預處理中去掉其線性項以便于研究基準站觀測結(jié)果的季節(jié)性變化。為了突出對比性,在作圖時時間序列窗口選擇一致,各站點垂向形變與大氣負荷效應垂向形變比較如圖2所示。

2 比較與分析

使用QOCA軟件,根據(jù)負荷格林函數(shù)原理獨立計算其造成的地表位移,再從原始GPS序列中扣除這部分影響,通過這種方法對觀測結(jié)果進行改正[14-15],得出各站點改正前后中誤差比較情況,如表1所示。其中垂向形變幅度和氣壓變化幅度為波峰波谷差值,在數(shù)據(jù)預處理中已經(jīng)去掉其線性項。

站名所屬區(qū)域海拔高度/m垂向形變幅度/mm氣壓變化幅度/pa大氣負荷形變量級/mm中誤差/mm 改正前改正后 確山 HAQS中部平原70.2030.13 905.2203.92.5 哈爾濱 HRBN東北平原198.226.44 817.4254.83.8 南通 JSNT南部沿海16.429.43 587.0154.22.8 拉薩 LHAZ西南高原3 624.335.61 889.274.53.1 格爾木 QHGE西部盆地3 089.115.42 067.5103.72.1 烏魯木齊 URUM西北高原858.834.42 629.8205.44.1

1) 就測站點的地殼垂向形變來說,時間序列呈現(xiàn)出明顯的周期性變化,緯度相近地區(qū)的站點變化情況類似。其中西藏拉薩(LHAZ)垂向形變最為劇烈,說明該地區(qū)地質(zhì)較為活躍,青海格爾木(QHGE)最為穩(wěn)定,不同的地理位置、地貌地形、板塊構(gòu)造是造成這種現(xiàn)象的主要原因。就全年表面氣壓變化來說,從西到東隨著經(jīng)度升高年氣壓變化越來越劇烈,經(jīng)度相近的站點年氣壓變化幅度相近。

2) 能明顯體現(xiàn)大氣負荷對地殼垂向形變影響的是新疆烏魯木齊(URUM)、黑龍江哈爾濱(HRBN)和青海格爾木(QHGE)三個站點,大氣負荷與地殼垂向形變體現(xiàn)出高度一致性,而對西藏拉薩(LHAZ)和江蘇南通(JSNT)兩個站點影響不明顯,可能與該地區(qū)地下水系分布、冰雪、土壤水分等季節(jié)性變化有關(guān)。近年形變量在中國東北部和西部新疆地區(qū)為最大,可達20 mm.

3) 從季節(jié)角度來說,大氣負荷造成的站點地殼垂向形變在八月份左右達到最大,一月、十二月份最小,這與中國大陸氣候特征是相對應的,而在此時河南確山(HAQS)由大氣負荷引起的地殼垂向形變卻不那么明顯,這種情況與該地區(qū)夏季降雨豐富、水資源來源廣、地下水流動性強等地理特征是相匹配的。

4) 對于青海格爾木(QHGE)、黑龍江哈爾濱(HRBN)和新疆烏魯木齊(URUM)三個站點來說,全年大氣負荷都是影響地殼垂向形變的主要因素,可以看到地殼形變對大氣壓變化的響應非常靈敏。而對于河南確山(HAQS)來說大氣負荷在春秋季節(jié)對地殼垂向形變的影響比較明顯,另外西藏拉薩(LHAZ)季節(jié)性變化不明顯,具體原因有待分析。多組數(shù)據(jù)的對比都證明大氣負荷是造成我國大陸地殼非構(gòu)造垂向形變的重要因素,但與經(jīng)度的變化沒有明顯的線性相關(guān)性。

5) 根據(jù)大氣負荷造成的影響建立模型對6個站點觀測數(shù)據(jù)進行預處理,垂直位移時間序列中誤差及其去掉大氣負荷效應之殘差中誤差如表1所示,處理后殘差中誤差降低,這說明在對大氣負荷效應進行修正后可以在一定程度上提高GNSS垂向觀測精度。另外在去掉大氣負荷效應后測站垂向形變的時間序列中還存在殘差,這說明地殼形變是由多種復雜因素共同作用而成,大氣負荷效應只是其中一部分。

3 結(jié)束語

在陸態(tài)網(wǎng)絡中選擇6個適當?shù)恼军c,獲得站點地球表面氣壓和垂向時間序列數(shù)據(jù),使用格林函數(shù)積分及簡化方法進行對比分析,表明了大氣負荷是造成地殼非構(gòu)造垂向形變的重要因素;近年來大氣負荷造成的地殼垂向形變量在中國東北部和西部新疆地區(qū)為最大,同時說明地殼形變是由多種復雜因素共同作用而成,大氣負荷效應只是其中一部分,而且隨著地理位置、季節(jié)氣候等的不同對地殼垂向形變所起的作用也不同。最后通過模擬試驗表明,改正大氣負荷效應能在一定程度上提高GNSS垂向觀測精度。

致謝: 感謝中國地震局GNSS數(shù)據(jù)產(chǎn)品服務平臺(http://www.cgps.ac.cn/)提供數(shù)據(jù)支撐。