南極中山與昭和站重力海潮負(fù)荷效應(yīng)及背景噪聲研究

劉清超，孫和平，徐建橋，陳曉東，張苗苗，賀前錢

1 中國科學(xué)院測量與地球物理研究所，大地測量與地球動力學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢　430077 2 中國科學(xué)院大學(xué)，北京　100049

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南極中山與昭和站重力海潮負(fù)荷效應(yīng)及背景噪聲研究

劉清超1,2，孫和平1，徐建橋1，陳曉東1，張苗苗1,2，賀前錢1,2

1 中國科學(xué)院測量與地球物理研究所，大地測量與地球動力學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢430077 2 中國科學(xué)院大學(xué)，北京100049

利用南極中山站LCR-ET21重力儀器與昭和站GWR058儀器獲得的重力潮汐觀測資料，采用最新的三個全球海潮模型(Dtu10，Eot11A和HAM11A)研究了南極地區(qū)的海潮負(fù)荷效應(yīng)和背景噪聲.結(jié)果表明，由三個海潮模型計算的重力負(fù)荷均值改正后，中山站O1和M2振幅觀測殘差分別由13.83%和20.55%下降到5.32%和5.95%，昭和站O1和M2振幅觀測殘差分別由10.84%和21.52%下降到1.91%和3.40%，說明海潮負(fù)荷改正的有效性.利用加漢寧窗的FFT變換，獲得了地震頻段的地震噪聲等級(SNM)，其值分別為1.574(中山站)和1.289(昭和站).而在潮汐頻段，中山站的背景噪聲比昭和站高一個數(shù)量級，主要由不同觀測儀器和臺站局部環(huán)境所致.本文結(jié)果可為進(jìn)一步利用南極重力資料研究局部環(huán)境和全球動力學(xué)問題提供有效參考.

中山站；昭和站；重力潮汐參數(shù)；海潮負(fù)荷；背景噪聲

1　引言

地表重力固體潮的觀測和研究目的之一是為了獲得地球在日月等引潮力作用下的形變特征，從而獲得地球深部構(gòu)造特征等.目前，普遍使用的重力固體潮模型DDW99(Dehant et al.，1999)和M2001(Mathews，2001)已顧及到地球的自轉(zhuǎn)、橢率、非彈性、非流體靜力平衡和橫向不均勻性等諸多復(fù)雜因素的影響，因此，DDW99和M2001能非常好地刻畫固體地球?qū)σ绷Φ捻憫?yīng)特征.隨著觀測技術(shù)的不斷提高，應(yīng)用于固體潮研究的重力儀類型主要有彈簧型和GWR超導(dǎo)型兩種，Baker和Bos(2003)與孫和平等(2005)基于全球超導(dǎo)及彈簧重力儀的觀測資料和最新海潮模型獲得的潮汐參數(shù)與DDW99理論模型間的差異小于0.3%，說明高精度潮汐重力觀測可以用來檢驗(yàn)固體潮模型的適定性.

南極臺站處于特殊的地理位置和自然環(huán)境，受局部環(huán)境影響較大，實(shí)施長期連續(xù)重力觀測，對該地區(qū)進(jìn)行的大地測量和地球物理研究具有重要作用，因此及時了解臺站背景噪聲水平和海洋潮汐對重力觀測影響顯得尤為重要.Aoyama等(2015)開展了日本昭和站的固體潮研究.徐建橋等(2002b)也曾利用南極中山站觀測資料(1998年12月26日到2000年1月9日)初步研究了重力潮汐的海潮負(fù)荷效應(yīng).

近年來，隨著衛(wèi)星測高技術(shù)的發(fā)展、驗(yàn)潮站觀測資料的積累以及有限元方法的完善，國際同行已成功構(gòu)制多個高精度全球海潮模型，其分辨率最高可達(dá)0.125°×0.125°.此外，利用最新觀測資料獲得臺站及儀器在地震(2 min～1 h)和亞地震(1～6 h)頻段的噪聲水平對于臺站選取、儀器校正、Slichter模探測、地球參數(shù)確定及區(qū)域研究具有重要參考價值，然而，我們對南極臺站的背景噪聲研究甚少.因此，本文基于南極中山與昭和站2010年1月1日至2012年12月31日重力潮汐觀測數(shù)據(jù)及最新的全球海潮模型，研究該地區(qū)的海潮負(fù)荷改正特征及儀器在地震、亞地震和潮汐頻段的背景噪聲，從而為南極區(qū)域及全球地球動力學(xué)等研究提供參考.

2　重力潮汐觀測及資料分析處理

中國科學(xué)院測量與地球物理研究所自1991年3月起，采用LaCoste-Romberg(LCR)ET20高精度彈簧重力儀在南極中山站(南緯39.371°，東經(jīng)76.365°)開展了連續(xù)重力觀測.自1994年開始，重力觀測改用了LCR ET21彈簧重力儀.LCR型彈簧重力儀是一種高精度相對重力儀，多年的連續(xù)觀測和高質(zhì)量資料獲得說明儀器工作穩(wěn)定.儀器記錄格值由測量螺桿位移法得到，每月標(biāo)定一次，從格值標(biāo)定結(jié)果看，標(biāo)定因子精度在1%量級，觀測儀器均在武漢國際重力潮汐基準(zhǔn)站上作過格值標(biāo)定和長期定點(diǎn)觀測，從而保證了在南極的重力潮汐觀測統(tǒng)一在國際基準(zhǔn)上(許厚澤等，2000).日本自1992年起，在昭和站(南緯69.007°，東經(jīng)39.586°)安裝了型號為TT-70#016的超導(dǎo)重力儀，并實(shí)施連續(xù)重力觀測，2003年4月重新安裝了型號為CT#043的超導(dǎo)重力儀.在2009年12月至2010年1月又更新安裝了SG#058型超導(dǎo)重力儀.盡管儀器生產(chǎn)廠商提供了初步格值(-750 nm·s-2·V-1)，即輸出電壓與重力變化之間的轉(zhuǎn)換因子，但由于運(yùn)輸、安裝和時間推移使得格值因子變化.因此，通過FG5#203絕對重力儀與OSG#058超導(dǎo)重力儀在2010年1—2月同址對比觀測，重新獲得的格值因子為-738.226±0.53 nm·s-2·V-1，比廠家提供的格值小1.6%，標(biāo)定精度達(dá)到0.07%(Aoyama et al.，2015)，滿足了該地區(qū)高精度重力連續(xù)觀測要求.表1列出了本文所用數(shù)據(jù)時間段、臺站和儀器等基本信息.

表1　臺站經(jīng)緯度、儀器型號及觀測區(qū)間

中山與昭和站重力固體潮原始觀測分別繪制在圖1a和圖2a中，可以看出中山站原始重力值突跳較多，主要由彈簧重力儀多次出現(xiàn)粘擺及故障造成.昭和站觀測數(shù)據(jù)的突跳較少，但由于儀器故障出現(xiàn)一個大間斷(2011年1月1日至4月30日).采用國際地球潮汐中心推薦的重力固體潮觀測資料預(yù)處理軟件“T-Soft”(Van Camp and Vauterin，2005)，通過移去—恢復(fù)直接的人-機(jī)對話方式實(shí)施原始資料的修正.首先，在原始觀測序列中減去該臺站的理論合成潮，得到重力潮汐的觀測殘差序列，通過線性插值、三次樣條插值、階躍和間斷等修正器剔除并改正錯誤數(shù)據(jù)(如尖峰、突跳、儀器掉格、大地震干擾等)，內(nèi)插一些由于偶然因素(斷電、儀器故障等)引起的較小中斷；然后通過多項(xiàng)式擬合扣除儀器的長期漂移項(xiàng)；最后，將預(yù)處理后的殘差序列與理論合成潮相加得到處理后的重力潮汐資料，再將高密度采樣資料轉(zhuǎn)換成每小時采樣序列(見圖1d和圖2d)，即獲得重力潮汐調(diào)和分析所需要的數(shù)據(jù)序列.

圖1　中山站潮汐重力與氣壓變化(a)原始潮汐重力觀測;(b)氣壓變化值;(c)非潮汐變化;(d)預(yù)處理后的重力觀測.Fig.1　Tidal gravity and atmospheric pressure at Zhongshan station

圖2　昭和站潮汐重力與氣壓變化(a)原始潮汐重力觀測;(b)氣壓變化值;(c)非潮汐變化;(d)預(yù)處理后的重力觀測.Fig.2　Tidal gravity and atmospheric pressure at Syowa station

圖1b和2b還分別給出了中山與昭和站的氣壓變化，圖1c和2c分別給出了重力場的非潮汐變化，即殘差變化.

利用Eterna3.30標(biāo)準(zhǔn)分析軟件(Wenzel，1996)對重力潮汐觀測序列作調(diào)和分析，精密確定重力潮汐參數(shù).其中，核心為ANALYZE部分，其基本原理是，t時刻的觀測值可表示為

(1)

式中，M為波群數(shù)，Am n、ωm n、φm n為第m波群中第n個潮波分量的理論振幅、角頻率和初始相位，δm和Δφm為第m波群待估算的振幅因子和相位滯后，Dr(t)為儀器的零點(diǎn)漂移，P(t)和Pole(t)分別為氣壓和極潮觀測值，ak和b分別為大氣和極潮導(dǎo)納值，ε(t)為觀測誤差.

利用帶通濾波器對每小時采樣的重力潮汐序列進(jìn)行濾波處理，得到包含長周期潮波、周日和半日等波段與重力潮波信息相關(guān)的組合序列，對其實(shí)施加權(quán)最小二乘估計以確定各潮汐波的振幅因子δ和相位滯后Δφ，同時獲得大氣重力導(dǎo)納值和零漂的切比雪夫多項(xiàng)式逼近系統(tǒng).在調(diào)和分析中，我們選擇了Hartmann和Wenzel給出的高精度引潮位分波表(Hartmann and Wenzel，1995).潮汐分析獲得的主要周日、半日潮波的振幅因子和相位滯后結(jié)果列于表2.可以看出，與Iwano等(2005)文中結(jié)果相比，昭和站各主要振幅因子的差異小于0.8%；與徐建橋等(2002b)文中結(jié)果相比，中山站各主要振幅因子的差異小于1.0%，其原因除了儀器觀測誤差以外，主要受區(qū)域環(huán)境效應(yīng)影響所致.

表2　南極中山與昭和站主要潮波觀測振幅因子

研究表明，大氣效應(yīng)是重力潮汐觀測噪聲的主要來源之一，其中90%～95%以上來自于臺站周邊50 km區(qū)域內(nèi)的大氣負(fù)荷效應(yīng)(Sun et al.，2013；孫和平和羅少聰，1998)，而觀測殘差與臺站氣壓變化之間具有非常強(qiáng)的相關(guān)性.因此，采用臺站氣壓與重力非潮汐變化之間的轉(zhuǎn)換函數(shù)(稱之為大氣重力導(dǎo)納)即可很好地描述局部大氣影響效應(yīng).實(shí)施臺站氣壓與重力殘差間的線性回歸計算，得到大氣重力導(dǎo)納值.在中山站，大氣重力導(dǎo)納值為-15.296±0.077 nm·s-2·hPa-1，與理論模擬計算結(jié)果(孫和平和羅少聰，1998)存在明顯的差異，可能因?yàn)椋?1)南極地區(qū)特殊的海洋的“反變氣壓計”響應(yīng)耦合其中；(2)在冬季，儀器內(nèi)部的環(huán)境溫度沒有達(dá)到本體工作的溫度要求，而導(dǎo)致儀器靈敏度和零漂的擾動(徐建橋等，2002a).昭和站的大氣重力導(dǎo)納值為-3.995±0.006 nm·s-2·hPa-1，與理論值基本一致.

根據(jù)這一導(dǎo)納值實(shí)施氣壓改正后，中山與昭和站的重力潮汐調(diào)和分析標(biāo)準(zhǔn)差分別從18.848 nm·s-2和4.364 nm·s-2下降到11.775 nm·s-2和0.946 nm·s-2.圖3給出了重力殘差在頻率域變化特征，可以看出在扣除重力潮汐信號后，兩臺站頻率域的背景噪聲均在nm·s-2量級.進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)中山站的殘差振幅大于昭和站，主要原因是彈簧重力儀的觀測精度低于超導(dǎo)重力儀.另外，中山站較昭和站距海更近，受海潮負(fù)荷影響更加明顯，兩臺站的區(qū)域環(huán)境(如局部冰川的融化或加載和大氣壓力等)等也是導(dǎo)致差異的原因.

圖3　中山與昭和站潮汐重力殘差頻譜圖Fig.3　The spectrogram of tidal gravity residuals at Zhongshan and Syowa stations

3　海潮的重力負(fù)荷效應(yīng)

研究表明，重力潮汐觀測殘差主要來自于全球和局部的海洋潮汐負(fù)荷效應(yīng)，在全球大部分區(qū)域，海潮重力負(fù)荷效應(yīng)達(dá)到觀測振幅的1%～2%，特別在一些沿海地區(qū)，其影響更大，可以達(dá)到其振幅的3%～4%.而在南極地區(qū)的重力潮汐觀測受海潮影響很大，必須予以消除.中山站距海不足10 m，重力觀測的O1和M2波殘差達(dá)到28 nm·s-2和19 nm·s-2，分別為其振幅的13.83%和20.55%；昭和站距海約250 m，重力觀測的O1和M2波的觀測殘差達(dá)到20 nm·s-2和22 nm·s-2，分別為其振幅的10.84%和21.52%.由于海洋潮汐和重力潮汐的力源相同，二者具有相似的頻譜特征，因此海潮的影響無法在觀測資料中直接分離，必須通過海潮模型獨(dú)立計算獲得海潮負(fù)荷影響(許厚澤等，1982).

表3列出了本文使用的海潮模型名稱和其統(tǒng)計特征，其中Dtu10，Eot11A和HAM11A(Cheng and Andersen，2011；Savcenko and Bosch，2012；Taguchi et al.，2014)是最新的海潮模型，空間分辨率為0.125°×0.125°，均包含4個主要周日潮波(Q1，O1，P1，K1)和4個主要半周日潮波(N2，M2，S2，K2).DTU10全球海潮模型基于FES2004海潮模型的經(jīng)驗(yàn)性改進(jìn)得到，除了使用18年(1993—2010)的TOPEX，Jason 1和Jason 2的觀測數(shù)據(jù)外，還引入了4年的TOPEX-Jason 1交叉任務(wù)數(shù)據(jù)，并且在測高衛(wèi)星盲區(qū)中的南北緯66°～82°區(qū)域采用了Envisat，GFO和ESR-2等衛(wèi)星的觀測數(shù)據(jù).Eot11A全球海潮模型基于1992年10月至2010年5月由TOPEX，Jason 1，Jason 2，ESR-2和Envisat在無冰海洋區(qū)觀測到的海平面高分析所得，在南北緯81.5°至兩極等同于FES2004全球海潮模型.HAM11A全球海潮模型是以Eot11A在北緯74°至南緯84°的負(fù)荷值作為限制條件的全球海洋正壓數(shù)據(jù)同化模型.為了突出最新海潮模型改正的有效性，本文還計算了CSR3.0(Eanes，1994)，GOT00(Ray，1999)和FES95.2(Provost et al.，1994)全球海潮模型對重力潮汐的影響.

表3　海潮模型特征統(tǒng)計

注：T/P表示Topex/Poseidon，GFO表示GEOSAT Follw-On.

根據(jù)Farrell(1972)的經(jīng)典負(fù)荷理論，本文采用Agnew的積分格林函數(shù)法將海潮與重力格林函數(shù)進(jìn)行褶積積分，得到海潮負(fù)荷效應(yīng)：

L(θ,λ,t)=a2?ρH(θ′,λ′,t)·G(ψ)sinθ′dθ′dλ′,

(2)

式中，L(θ，λ，t)為某一地點(diǎn)某一時刻的海潮負(fù)荷，t是時間，θ，λ分別是計算點(diǎn)的余緯和經(jīng)度，a為地球半徑，ρ為海水密度，H(θ′，λ′，t)為瞬時潮高，θ′，λ′分別為負(fù)荷點(diǎn)的余緯和經(jīng)度，G(ψ)為與角距有關(guān)的重力格林函數(shù)，它是負(fù)荷勒夫數(shù)組合的函數(shù).

計算得到的重力負(fù)荷結(jié)果列于表4和表5.由表可知，海潮負(fù)荷對中山與昭和站的O1、K1和M2潮波振幅的影響達(dá)到了2 μGal量級.根據(jù)矢量疊加原理，即可在重力潮汐觀測中剔除海潮負(fù)荷效應(yīng)，獲得改正后各潮波的潮汐參數(shù).圖4給出了海潮負(fù)荷改正示意圖，由圖所示，矢量Ath為固體潮理論值，矢量A為固體潮觀測值，矢量L為海潮負(fù)荷(其振幅和相位分別為L和λ)，重力潮汐觀測殘差矢量記為B(振幅和相位分別記為B和β)，最終殘差矢量記為X(其振幅和相位分別記為X和)，σ為潮波的頻率，那么，觀測殘差矢量B、最終殘差矢量X和海潮改正后的潮汐參數(shù)δc和Δφc分別為

圖4　海潮負(fù)荷改正示意圖Fig.4　Sketch of ocean tide loading correction

(3)

表4　主要潮波海潮重力負(fù)荷矢量(中山站)

注：L和λ分別為對應(yīng)潮波的振幅和相位.

表5　主要潮波海潮重力負(fù)荷矢量(昭和站)

注：L和λ分別為對應(yīng)潮波的振幅和相位.

圖5和6分別給出了中山與昭和站4個主要潮波海潮改正前后的殘差振幅，在直方圖中，每組第一個代表對應(yīng)潮波的觀測殘差矢量的振幅，后面6個從左至右依次為經(jīng)DTU10、Eot11A、HAM11A、CSR3.0、GOT00和FES95.2全球海潮模型改正后的最終殘差振幅.可以看出，三個最新海潮模型對重力潮汐改正的有效性優(yōu)于CSR3.0，GOT00和FES95.2，尤其是在昭和站，這主要是因?yàn)镈TU10、Eot11A和HAM11A在南北緯66°～82°區(qū)域使用了Envisat，GFO和ESR-2等衛(wèi)星觀測數(shù)據(jù)，從而提高了海潮模型在該區(qū)域的精度.經(jīng)海潮負(fù)荷改正后，各主要潮波振幅殘差明顯減小.但與理論值相比，最終殘差振幅仍然較大，并且中山站最終殘差振幅大于昭和站，以O(shè)1波經(jīng)DTU10作海潮負(fù)荷改正為例，中山與昭和站的最終殘差振幅分別為10.999 nm·s-2和4.073 nm·s-2.主要原因是前者距海更近，其殘留的近海效應(yīng)大，也可能是重力觀測儀器精度低及局部環(huán)境等因素引起.

經(jīng)最新三個海潮模型的重力負(fù)荷均值改正后，中山與昭和站各主要潮波的振幅因子和相位差與理論值之間的差異明顯減小.中山站O1和M2振幅因子與理論值間的差異分別由13.83%和20.55%下降到5.32%和5.95%，昭和站O1和M2振幅因子與理論值間的差異分別由10.84%和21.52%下降到1.91%和3.40%，證明了海潮負(fù)荷改正的有效性.分析重力潮汐觀測結(jié)果和相應(yīng)的理論值之間還存在差異的原因，一方面，在南極區(qū)域，由于缺少高精度的衛(wèi)星測高以及驗(yàn)潮站數(shù)據(jù)，導(dǎo)致海潮模型的精度較差，另一方面，兩臺站距海洋很近，受海岸線及近海效應(yīng)所致.要精密確定該地區(qū)的海潮負(fù)荷效應(yīng)，必須構(gòu)建精確的局部海潮模型，尤其應(yīng)考慮使用高分辨率的海陸邊界數(shù)據(jù)，因?yàn)楹ｊ戇吔鐢?shù)據(jù)對海岸線復(fù)雜的沿海臺站海潮負(fù)荷效應(yīng)至關(guān)重要，特別是中山站非?？拷０毒€，海陸邊界形狀的影響更為顯著.

圖5　經(jīng)海潮負(fù)荷改正前后的殘差振幅(中山站)Fig.5　Residual amplitudes before and after loading correction (Zhongshan station)

圖6　經(jīng)海潮負(fù)荷改正前后的殘差振幅(昭和站)Fig.6　Residual amplitudes before and after loading correction (Syowa station)

4　背景噪聲

我們將Banka 與Crossley(Banka and Crossley，1999)提出的計算地震頻段(2 min～1 h)背景噪聲水平的處理流程應(yīng)用于中山與昭和站，以獲得南極地區(qū)重力臺站背景噪音水平，下面介紹主要流程.

借助于Tsoft重力固體潮數(shù)據(jù)處理軟件人-機(jī)對話方式的優(yōu)越性對原始觀測資料實(shí)施修正.首先，對中山與昭和站每分鐘采樣的原始觀測序列進(jìn)行格值標(biāo)定，分別將重力與氣壓值的單位轉(zhuǎn)化為微伽與毫帕，為了避免在對重力數(shù)據(jù)作氣壓改正時將氣壓中的間斷、突跳和尖峰等影響引入其中，使用線性插值、三次樣條插值、階躍和間斷等修正器對氣壓觀測時間序列作預(yù)處理.然后，以每天的觀測數(shù)據(jù)為一個文件，在重力觀測序列中減去理論合成潮，利用Eterna調(diào)和分析得到的氣壓重力導(dǎo)納值扣除大氣影響效應(yīng)，為了扣除儀器的漂移及其他殘留潮汐信號，再減去一個與之?dāng)M合最佳的9次多項(xiàng)式，得到重力潮汐的殘差序列.進(jìn)而，計算每天重力殘差的均方根，選取5個均方根最小的文件用來代表該時間段地震背景噪聲最小的5天，對這5個數(shù)據(jù)文件加漢寧窗做FFT變換，再計算這5天的非標(biāo)準(zhǔn)化振幅譜的平均值，并且繪制出功率譜密度曲線(圖7).

地震頻段的背景噪聲水平通常由“地震噪聲等級”(SNM)來衡量，其中該值是將200～600 s的平均功率譜代入公式(4)求得的.這里，中山與昭和站的SNM分別為1.574和1.289，即利用彈簧重力儀觀測的中山站在地震頻段噪聲略大，主要原因可分為兩個方面：觀測儀器(例如，傳感器和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等)和局部環(huán)境(氣壓、海潮和溫度等).另外，圖7中給出了地震學(xué)的參考噪聲模型“新低噪聲模型”(NLNM)，該模型是利用地震儀得到的背景噪聲水平的下限，通過對比可以看出，中山站的彈簧重力儀與昭和站的超導(dǎo)重力儀比地震儀在地震頻段的背景噪聲大，而在更長周期頻段時則相反，這也與Rosat等(2003)給出的結(jié)論相符，說明地震儀在提取高頻信號時具有優(yōu)勢，而重力儀在研究低頻信號信息時具有優(yōu)勢.此外，我們得到的昭和站在地震頻段的背景噪聲水平與Rosat和Hinderer(2011)的結(jié)果基本吻合，進(jìn)一步說明在GGP全球超導(dǎo)重力儀臺站中，南極昭和站背景噪聲較高，這與該區(qū)域地殼及上地幔的構(gòu)造運(yùn)動等環(huán)境因素有關(guān)，對今后充分利用該臺站研究區(qū)域地球動力學(xué)等問題具有重要參考意義.

圖7　2010—2012年期間最平靜5天的功率譜密度Fig.7　The power spectral density of 5 quietest days in 2010—2012

SNM=lg(mean PSD)+0.5，

PSD單位為(nm·s-2)2/Hz.

(4)

亞地震(1～6 h)頻段的背景噪聲水平與地震頻段的背景噪聲水平一般存在較高的線性相關(guān)性，即若臺站在地震頻段背景噪聲水平低，則在亞地震頻段的背景噪聲水平也低；反之亦然.因此，在亞地震頻段，利用彈簧重力儀觀測的中山站的背景噪聲也高于利用超導(dǎo)重力儀觀測的昭和站.此外，我們計算了潮汐頻段噪聲水平，與上述提到的計算重力潮汐參數(shù)的數(shù)據(jù)預(yù)處理程序相同.表6給出了兩臺站在潮汐頻段的平均噪聲水平，數(shù)值結(jié)果表明，在1～4cpd潮汐頻段，利用彈簧重力儀觀測的中山站的背景噪聲比利用超導(dǎo)重力儀觀測的昭和站高一個數(shù)量級，這也與表2給出的中山站各主要周日與半日潮波潮汐參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)差比昭和站大這一結(jié)論相吻合.

表6　中山與昭和站潮汐頻段平均噪聲水平

5　結(jié)論及討論

基于南極中山與昭和站2010至2012年的重力潮汐觀測資料及最新的全球海潮模型，利用國際地球潮汐中心推薦的預(yù)處理及調(diào)和分析方法，對臺站重力潮汐殘差和氣壓變化作回歸分析.在中山站，大氣重力導(dǎo)納值為15.926±0.077 nm·s-2·hPa-1，與中、低緯度地區(qū)觀測結(jié)果及理論模擬計算結(jié)果存在明顯的差異，主要是與“反變氣壓計”響應(yīng)及儀器本體溫度變化等有關(guān).而在昭和站得到的大氣重力導(dǎo)納值與理論模擬值一致.兩臺站受海潮影響非常顯著，主要潮波(以M2波為例)的觀測殘差達(dá)到振幅的20.55%(中山站)和21.52%(昭和站).全球海潮模型DTU10、Eot11A和HAM11A 在南極地區(qū)對重力潮汐改正的有效性優(yōu)于CSR3.0，GOT00和FES95.2，這主要是因?yàn)榍叭齻€海潮模型在南北緯66°～82°區(qū)域使用了Envisat，GFO和ESR-2等衛(wèi)星觀測數(shù)據(jù)，使其精度在該區(qū)域得以提高.在昭和站經(jīng)海潮模型改正后的重力潮汐振幅參數(shù)比中山站更接近于理論值，以O(shè)1波使用三個模型均值作負(fù)荷改正為例，重力振幅因子觀測殘差分別為3.40%與5.95%，可能由于后者距海更近，殘留的近海效應(yīng)大；經(jīng)海潮模型改正后觀測重力振幅因子與理論值間仍存在較大差異，可能與未模型化的近海效應(yīng)、精確的海陸邊界、南極冰蓋的部分融化或加載、局部構(gòu)造的變化及其他環(huán)境因素有關(guān)，要精確確定重力潮汐參數(shù)，必須盡可能精化模型去除這些效應(yīng).此外，中山站彈簧重力儀與昭和站超導(dǎo)重力儀比地震儀在地震頻段的背景噪聲大，而在更長周期頻段時則相反；利用彈簧重力儀觀測的中山站在地震、亞地震及潮汐頻段的背景噪聲均高于利用超導(dǎo)重力儀觀測的昭和站，其原因來自兩個方面：儀器不同，前者為彈簧重力儀，后者為超導(dǎo)重力儀；臺站周圍環(huán)境因素差異(冰蓋融化及加載、溫度、氣壓、海潮效應(yīng)及其他區(qū)域性地球物理影響因素).總之，本文獲得的結(jié)果可為今后充分利用南極地區(qū)重力觀測資料解決局部環(huán)境和全球動力學(xué)問題提供參考.

致謝中國南極科考隊(duì)和日本極地研究所分別提供了南極中山站與昭和站的重力潮汐與氣壓資料，特此致謝.

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(本文編輯胡素芳)

The research of ocean tide loading effects on gravity and ambient noise at Zhongshan and Syowa station in Antarctic

LIU Qing-Chao1,2，SUN He-Ping1，XU Jian-Qiao1，CHEN Xiao-Dong1，ZHANG Miao-Miao1,2，HE Qian-Qian1,2

1 State Key Laboratory of Geodesy and Earth′s Dynamics，Institute of Geodesy and Geophysics，CAS，Wuhan 430077，China 2 University of Chinese Academy of Sciences，Beijing 100049，China

By using tidal gravity observations obtained by LCR-ET21 gravimeter at Zhongshan station and GWR058 instrument at Syowa station in Antarctic,we have studied the ocean tide loading (OTL)effects with the 3 latest global ocean models (Dtu10，Eot11A，HAM11A)and ambient noise.The results show that the amplitude residuals of O1and M2decrease from 13.83% and 20.55% to 5.32% and 5.95% at Zhongshan station and decrease from 10.84% and 21.52% to 1.91% and 3.40% at Syowa station after the OTL correction on gravity with the average of 3 ocean tide models.This indicates the effectiveness of the OTL correction.Using FFT transformation with Hanning window,we obtain the Seismic Noise Magnitude (SNM)in seismic band,which values are 1.574 (Zhongshan)and 1.289 (Syowa),respectively.However,in tidal band,the ambient noises at Zhongshan station are one order higher than Syowa station,mainly caused by the different instruments and the local environment of the station.Our results can provide effective reference for further use of gravity data of the Antarctic to study the local environment and the global dynamics.

Zhongshan station；Syowa station；Gravity tidal parameters；Ocean tide loading；Amibent noise

劉清超，孫和平，徐建橋等.2016.南極中山與昭和站重力海潮負(fù)荷效應(yīng)及背景噪聲研究.地球物理學(xué)報，59(8):2773-2782,

10.6038/cjg20160805.

Liu Q C,Sun H P,Xu J Q,et al.2016.The research of ocean tide loading effects on gravity and ambient noise at Zhongshan and Syowa station in Antarctic.Chinese J.Geophys.(in Chinese),59(8):2773-2782,doi:10.6038/cjg20160805.

國家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究(973)計劃項(xiàng)目(214CB845902)，國家自然科學(xué)基金(41321063,41374084,41574072)資助.

劉清超，男，1990年生，博士研究生，現(xiàn)主要從事重力場和VLBI數(shù)據(jù)的分析及地球內(nèi)部動力學(xué)應(yīng)用研究.E-mai:liuqch1990@163.com

10.6038/cjg20160805

P228

2016-01-18，2016-04-06收修定稿