大氣負(fù)荷對(duì)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(xué) 測繪與地理信息學(xué)院,甘肅 蘭州730070;2.甘肅省地理國情監(jiān)測工程實(shí)驗(yàn)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(dǎo)致地殼產(chǎn)生的形變稱之為非構(gòu)造負(fù)荷形變。其中大氣負(fù)荷形變是地球?qū)Υ髿赓|(zhì)量重新分布引起的響應(yīng)[1],近年來,隨著空間大地測量技術(shù)(如GPS、VLBI、SLR)的廣泛應(yīng)用,大范圍長周期的地殼垂直運(yùn)動(dòng)已經(jīng)被成功探測[2-3]?？紤]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(biāo)準(zhǔn)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(diǎn)。

中國地震局GNSS數(shù)據(jù)產(chǎn)品服務(wù)平臺(tái)以中國大陸構(gòu)造環(huán)境監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)260個(gè)GNSS基準(zhǔn)站和2 000個(gè)區(qū)域站為數(shù)據(jù)源,主要服務(wù)于地震監(jiān)測、科學(xué)研究等應(yīng)用領(lǐng)域。國外的一些部門如歐洲中期天氣預(yù)報(bào)中心(ECMWF)和美國國家環(huán)境預(yù)報(bào)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(fù)荷形變提供了有利條件。

我國GNSS基準(zhǔn)站地殼大氣負(fù)荷垂向形變有一定規(guī)律性,同時(shí)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(dá)25 mm,高緯度地區(qū)更大[5]。對(duì)高精度的大地測量來說,通過改正大氣負(fù)荷效應(yīng)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(yù)報(bào)中心(ECMWF),所使用的6個(gè)基準(zhǔn)站坐標(biāo)時(shí)間序列數(shù)據(jù)由中國地震局GNSS數(shù)據(jù)產(chǎn)品服務(wù)平臺(tái)提供,時(shí)間從2013年1月1日至2015年12月31日,共計(jì)36個(gè)月。

1.1 大氣負(fù)荷垂向形變數(shù)據(jù)的獲取

大氣負(fù)荷形變主要通過對(duì)地表氣壓變化數(shù)據(jù)進(jìn)行格林函數(shù)積分獲得[8-9],相關(guān)學(xué)者提出了一種簡化公式[10],只需要知道測站點(diǎn)的瞬時(shí)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(shí)際計(jì)算時(shí)可根據(jù)氣壓數(shù)據(jù)擬合系數(shù)A0～A5,求解時(shí)至少需要6個(gè)點(diǎn)的氣壓數(shù)據(jù)。當(dāng)點(diǎn)數(shù)多于6個(gè)時(shí),可用最小二乘法估計(jì)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(diǎn)的數(shù)量足夠多且分布均勻。

歐洲中期天氣預(yù)報(bào)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(xué)大氣研究協(xié)會(huì)的研究者針對(duì)科學(xué)數(shù)據(jù)的特點(diǎn)開發(fā)的,是一種面向數(shù)組型并適于網(wǎng)絡(luò)共享的數(shù)據(jù)的描述和編碼標(biāo)準(zhǔn)[11-12]。本文先利用Python工具進(jìn)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(duì)地表氣壓數(shù)據(jù)進(jìn)行處理以獲得指定點(diǎn)的大氣負(fù)荷形變時(shí)間序列。在使用Python進(jìn)行數(shù)據(jù)提取、處理和繪制簡單示意圖時(shí)需要的擴(kuò)展模塊有NetCDF4、Basemap、numpy、scipy、matplotlib.pyplot等。

1.2 坐標(biāo)時(shí)間序列的獲取與處理

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

站點(diǎn)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(dòng)發(fā)生較頻繁的區(qū)域;3) 具有代表性,便于各項(xiàng)對(duì)比?；谏鲜鲈瓌t筆者從陸態(tài)網(wǎng)絡(luò)中選取的6個(gè)站點(diǎn)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(diǎn)既有特征點(diǎn)又有一般的點(diǎn),能夠研究特殊規(guī)律的同時(shí)也能體現(xiàn)普遍規(guī)律性。對(duì)獲得的數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理,剔除數(shù)據(jù)中的粗差和干擾信號(hào),同時(shí)在數(shù)據(jù)預(yù)處理中去掉其線性項(xiàng)以便于研究基準(zhǔn)站觀測結(jié)果的季節(jié)性變化。為了突出對(duì)比性,在作圖時(shí)時(shí)間序列窗口選擇一致,各站點(diǎn)垂向形變與大氣負(fù)荷效應(yīng)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(fù)荷格林函數(shù)原理獨(dú)立計(jì)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(duì)觀測結(jié)果進(jìn)行改正[14-15],得出各站點(diǎn)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(yù)處理中已經(jīng)去掉其線性項(xiàng)。

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(fù)荷形變量級(jí)/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(diǎn)的地殼垂向形變來說,時(shí)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(diǎn)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(diǎn)年氣壓變化幅度相近。

2) 能明顯體現(xiàn)大氣負(fù)荷對(duì)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(gè)站點(diǎn),大氣負(fù)荷與地殼垂向形變體現(xiàn)出高度一致性,而對(duì)西藏拉薩(LHAZ)和江蘇南通(JSNT)兩個(gè)站點(diǎn)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(dá)20 mm.

3) 從季節(jié)角度來說,大氣負(fù)荷造成的站點(diǎn)地殼垂向形變?cè)诎嗽路葑笥疫_(dá)到最大,一月、十二月份最小,這與中國大陸氣候特征是相對(duì)應(yīng)的,而在此時(shí)河南確山(HAQS)由大氣負(fù)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(dòng)性強(qiáng)等地理特征是相匹配的。

4) 對(duì)于青海格爾木(QHGE)、黑龍江哈爾濱(HRBN)和新疆烏魯木齊(URUM)三個(gè)站點(diǎn)來說,全年大氣負(fù)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(duì)大氣壓變化的響應(yīng)非常靈敏。而對(duì)于河南確山(HAQS)來說大氣負(fù)荷在春秋季節(jié)對(duì)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(duì)比都證明大氣負(fù)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(fù)荷造成的影響建立模型對(duì)6個(gè)站點(diǎn)觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理,垂直位移時(shí)間序列中誤差及其去掉大氣負(fù)荷效應(yīng)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(duì)大氣負(fù)荷效應(yīng)進(jìn)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(fù)荷效應(yīng)后測站垂向形變的時(shí)間序列中還存在殘差,這說明地殼形變是由多種復(fù)雜因素共同作用而成,大氣負(fù)荷效應(yīng)只是其中一部分。

3 結(jié)束語

在陸態(tài)網(wǎng)絡(luò)中選擇6個(gè)適當(dāng)?shù)恼军c(diǎn),獲得站點(diǎn)地球表面氣壓和垂向時(shí)間序列數(shù)據(jù),使用格林函數(shù)積分及簡化方法進(jìn)行對(duì)比分析,表明了大氣負(fù)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(fù)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(shí)說明地殼形變是由多種復(fù)雜因素共同作用而成,大氣負(fù)荷效應(yīng)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(duì)地殼垂向形變所起的作用也不同。最后通過模擬試驗(yàn)表明,改正大氣負(fù)荷效應(yīng)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(wù)平臺(tái)(http://www.cgps.ac.cn/)提供數(shù)據(jù)支撐。