非潮汐海洋負(fù)荷對(duì)廣東地區(qū)大地高變化的影響

王偉平 王 偉 歐陽(yáng)永忠 陳振宇 柯寶貴

1 自然資源部海洋環(huán)境探測(cè)技術(shù)與應(yīng)用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,廣州市新港中路353號(hào),510300 2 國(guó)家海洋局南海調(diào)查技術(shù)中心,廣州市新港西路155號(hào),510300 3 中國(guó)測(cè)繪科學(xué)研究院,北京市蓮花池西路28號(hào),100036

海洋變化對(duì)近海地面高程變化的影響一般包括海潮負(fù)荷和非潮汐海洋負(fù)荷。海潮負(fù)荷對(duì)測(cè)站位移的影響在某些沿海地區(qū)可達(dá)數(shù)cm[1]。非潮汐海洋負(fù)荷是由地表風(fēng)動(dòng)力、熱量、濕度和大氣壓變化等環(huán)境因素導(dǎo)致的海水質(zhì)量遷徙造成的負(fù)荷。Zerbini等[2]在CORS站的垂向時(shí)間序列中發(fā)現(xiàn)非潮汐海洋負(fù)荷的影響,并且采用格林函數(shù)方法,利用ECCO(estimating the circulation and climate of the ocean)海底壓力模型計(jì)算該影響,計(jì)算結(jié)果和觀測(cè)結(jié)果具有高相關(guān)性。Williams等[3]研究非潮汐海洋負(fù)荷和大氣負(fù)荷對(duì)GPS大地高的影響,提出用高分辨率的模型來(lái)改正非潮汐海洋負(fù)荷對(duì)GPS大地高的影響。周伯燁等[4]利用ECCO海底壓力模型數(shù)據(jù)研究非潮汐海洋負(fù)荷對(duì)近海岸IGS測(cè)站坐標(biāo)時(shí)間序列的影響。Munekane等[5]利用海面變化研究赤道太平洋地區(qū)的非潮汐海洋負(fù)荷影響。還有部分學(xué)者利用海底壓力數(shù)據(jù)對(duì)地面負(fù)荷形變進(jìn)行計(jì)算,獲得某些CORS站點(diǎn)的海洋非潮汐負(fù)荷形變,同時(shí)分析其在GPS非構(gòu)造形變中的貢獻(xiàn)[6-8]。

目前多采用ECCO海底壓力模型數(shù)據(jù)計(jì)算非潮汐海洋負(fù)荷對(duì)形變的影響。但由于ECCO海底壓力模型中的誤差難以定量,會(huì)帶入形變分析中[9],而且ECCO和OMCT(ocean model for circulation and tides)2種海底壓力模型由于采用不同的海底地形模型,導(dǎo)致差別較大。此外,在計(jì)算非潮汐海洋負(fù)荷局部影響時(shí),通常采用格林函數(shù)積分方法。格林函數(shù)方法是一種區(qū)域積分方法,不能很好地考慮全球影響。隨著衛(wèi)星測(cè)高技術(shù)的發(fā)展,可以獲得高精度的海平面變化數(shù)據(jù),為非潮汐海洋負(fù)荷計(jì)算提供了很好的數(shù)據(jù)源。

本文基于多源衛(wèi)星測(cè)高數(shù)據(jù)綜合獲得的高精度海平面變化數(shù)據(jù),利用球諧分析方法,將全球海面高數(shù)據(jù)建立成全球模型,使數(shù)據(jù)耦合性更好、在某個(gè)區(qū)域的計(jì)算更為一致,最后分析非潮汐海洋負(fù)荷對(duì)廣東地區(qū)地面高程的影響。

1 數(shù)據(jù)處理

全球海平面變化數(shù)據(jù)采用哥白尼海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)服務(wù)中心(CMEMS)全球海洋物理分析預(yù)測(cè)模型日變化產(chǎn)品(http:∥marine.copernicus.eu)。

CMEMS全球海洋物理分析預(yù)測(cè)模型產(chǎn)品包含非實(shí)時(shí)產(chǎn)品和近實(shí)時(shí)產(chǎn)品等多種海平面高產(chǎn)品,高度為正高,融合了多衛(wèi)星測(cè)高數(shù)據(jù),全球覆蓋格網(wǎng)產(chǎn)品空間分辨率為0.25°×0.25°,時(shí)間分辨率為1 d或1月。

根據(jù)海平面變化數(shù)據(jù),利用負(fù)荷球諧分析方法獲得全球負(fù)荷球諧系數(shù),進(jìn)而利用負(fù)荷形變動(dòng)力學(xué)方程[10]計(jì)算負(fù)荷相關(guān)影響。具體計(jì)算步驟如下:

1)讀取數(shù)據(jù)和轉(zhuǎn)換格式,剔除缺失數(shù)據(jù),用“0”替換缺省數(shù)據(jù)“NaN”,檢查其他存在的數(shù)據(jù)錯(cuò)誤。為方便后續(xù)計(jì)算與分析,將單位轉(zhuǎn)換為mm,將時(shí)間與GPS周時(shí)間一一對(duì)應(yīng)。

2)大地緯度數(shù)據(jù)生成地心緯度數(shù)據(jù)。由于球諧分析采用地心緯度,因此將原始數(shù)據(jù)的大地緯度轉(zhuǎn)換為地心緯度。

3)沿海地區(qū)海平面變化數(shù)據(jù)會(huì)與地面土壤水?dāng)?shù)據(jù)產(chǎn)生重疊,使相關(guān)計(jì)算產(chǎn)生誤差,當(dāng)同時(shí)考慮土壤水負(fù)荷影響時(shí),應(yīng)盡量進(jìn)行陸海分離。陸海分離時(shí),以ETOPO1地形數(shù)據(jù)為參考標(biāo)準(zhǔn)確定海平面變化數(shù)據(jù)邊界。

4)選擇一定的時(shí)間基準(zhǔn),扣除相應(yīng)的平均值,采用球諧分析方法,將海平面變化等效水高展開成負(fù)荷球諧函數(shù)的級(jí)數(shù)[11]。

地面點(diǎn)(R,θ,λ)處等效水高變化hw的規(guī)格化負(fù)荷球諧展開式為:

(1)

以負(fù)荷球諧系數(shù)為未知參數(shù),利用轉(zhuǎn)換后的海平面變化等效水高建立觀測(cè)方程,估計(jì)負(fù)荷球諧系數(shù)。為了提高球諧建模的穩(wěn)定性和精度,建立觀測(cè)方程前扣除等效水高的平均值。

5)利用負(fù)荷球諧系數(shù)計(jì)算非潮汐海洋負(fù)荷對(duì)大地高和正常高的影響:

(2)

式中,ρw為水的密度,ρe為地球平均密度。由負(fù)荷形變理論,非潮汐海洋負(fù)荷對(duì)地面大地高變化的影響為:

(3)

對(duì)地面正常高變化的影響為:

(4)

式中,h′n為n階徑向負(fù)荷數(shù),k′n為n階位負(fù)荷數(shù)。

2 非潮汐海洋負(fù)荷對(duì)大地高的影響

2.1 數(shù)據(jù)預(yù)處理

使用2018～2020年的CMEMS全球覆蓋海面高格網(wǎng)日值數(shù)據(jù)。由于數(shù)據(jù)更新?tīng)顟B(tài)的問(wèn)題,2020-03-07前的數(shù)據(jù)為非實(shí)時(shí)產(chǎn)品,2020-03-08～12-31的數(shù)據(jù)為近實(shí)時(shí)產(chǎn)品,數(shù)據(jù)空間分辨率為0.25°×0.25°,時(shí)間分辨率為1 d。

利用相關(guān)軟件讀取原始數(shù)據(jù),以3倍標(biāo)準(zhǔn)差為判斷準(zhǔn)則,進(jìn)行粗差探測(cè)和剔除,將數(shù)據(jù)單位轉(zhuǎn)換為mm。以ETOPO1地形數(shù)據(jù)為參考標(biāo)準(zhǔn),對(duì)全球海平面變化數(shù)據(jù)進(jìn)行陸海分離,可提高非潮汐海洋負(fù)荷對(duì)地面形變計(jì)算的準(zhǔn)確性。計(jì)算2018-01～12數(shù)據(jù)的平均值,將其從原始數(shù)據(jù)中扣除,方便后續(xù)球諧分析。

2.2 負(fù)荷球諧分析

利用海平面變化的等效水高格網(wǎng),采用負(fù)荷球諧分析公式計(jì)算負(fù)荷球諧系數(shù);然后利用負(fù)荷大地高和正常高變化影響計(jì)算公式,計(jì)算廣東地區(qū)負(fù)荷影響。采用地球潮汐負(fù)荷效應(yīng)與形變監(jiān)測(cè)計(jì)算系統(tǒng)ETideLoad輔助相關(guān)計(jì)算(http:∥www.zcyphygeodesy.com)。研究發(fā)現(xiàn),非潮汐海洋負(fù)荷主要對(duì)近海區(qū)域影響比較大,距離海洋100 km以內(nèi)的年變化幅度超過(guò)10 mm,如在2020-12-02所在的GPS周,沿海地區(qū)非潮汐海洋負(fù)荷變化影響非常明顯。非潮汐海洋負(fù)荷變化對(duì)遠(yuǎn)離海洋的區(qū)域影響較小,甚至可以忽略。

圖1為部分CORS站點(diǎn)處的大地高變化、大氣負(fù)荷和非潮汐海洋負(fù)荷對(duì)大地高的影響。大地高變化時(shí)序利用解算的日值解經(jīng)過(guò)周平均獲得,已扣除線性變化,并未作相應(yīng)的粗差探測(cè)和剔除、數(shù)據(jù)重構(gòu)等處理,受多種因素影響,這里僅用于與大氣負(fù)荷、非潮汐海洋負(fù)荷的對(duì)比。由圖1可見(jiàn),大氣負(fù)荷對(duì)大地高的影響相對(duì)非潮汐海洋負(fù)荷更顯著。非潮汐海洋負(fù)荷具有明顯的年周期性,這與Dam 等[9]的研究結(jié)果一致。從圖1還可以發(fā)現(xiàn),大氣負(fù)荷影響和非潮汐海洋負(fù)荷影響具有負(fù)相關(guān)性。

圖1 CORS站處的大地高變化、大氣負(fù)荷和非潮汐海洋負(fù)荷對(duì)大地高的影響Fig.1 Effect on geodetic height of geodetic height variation, atmosphere loading and non-tidal ocean loading at CORS stations

3 非潮汐海洋負(fù)荷影響分析

圖2列出了廣東地區(qū)部分CORS站點(diǎn)非潮汐海洋負(fù)荷對(duì)大地高和正常高的影響。由圖2可見(jiàn),汕頭GDST站、珠海GDZH站距離海邊較近,受影響較大。二者受到的非潮汐海洋負(fù)荷影響在沿海具有長(zhǎng)波性質(zhì),在空間上具有較強(qiáng)的相關(guān)性,與國(guó)內(nèi)外研究成果一致[4,9]。隨著與海邊距離的增加,非潮汐海洋負(fù)荷對(duì)大地高和正常高的影響逐漸減小。在距離海洋超過(guò)300 km的韶關(guān)GDSG站,非潮汐海洋負(fù)荷影響在±3 mm內(nèi),相比周伯燁等[4]提出的平均影響量級(jí)約1.5 mm (距離海岸線200～500 km內(nèi))略大?？赡芤?yàn)楸疚牟捎玫氖歉呔鹊膶?shí)測(cè)海面高變化,相比ECCO海底壓力模型具有更多高頻特征。在遠(yuǎn)離海洋的內(nèi)陸地區(qū),非潮汐海洋負(fù)荷影響基本可以忽略。

統(tǒng)計(jì)廣東區(qū)域非潮汐海洋負(fù)荷變化對(duì)大地高、正常高影響的最大值、最小值、平均值和標(biāo)準(zhǔn)差,結(jié)果見(jiàn)表1(單位mm)。

表1 非潮汐海洋負(fù)荷對(duì)大地高和正常高的影響Tab.1 Effect on geodetic height and normal height non-tidal ocean loading

通過(guò)以上分析發(fā)現(xiàn),在靠近海洋的地方,非潮汐海洋負(fù)荷對(duì)高程年變化的影響超過(guò)10 mm,與Williams等[3]和周伯燁等[4]的成果在量級(jí)上一致,但變化幅度略大。這主要是因?yàn)榍叭瞬捎玫氖荅CCO海底壓力模型,該模型需要利用現(xiàn)有的海底地形模型數(shù)據(jù),同時(shí)在建模中存在一些平滑處理;而本文采用的是由多衛(wèi)星測(cè)高數(shù)據(jù)綜合獲取的海面高變化數(shù)據(jù),分辨率和精度更高。

4 結(jié) 語(yǔ)

本文采用高精度海平面變化數(shù)據(jù),利用球諧分析方法計(jì)算廣東地區(qū)非潮汐海洋負(fù)荷對(duì)大地高和地面高程變化的影響,并進(jìn)行相應(yīng)分析。研究顯示,在沿海地區(qū),非潮汐海洋負(fù)荷對(duì)CORS站點(diǎn)上的形變影響最大超過(guò)10 mm,在高精度形變測(cè)量分析中需要考慮這種影響;隨著離海洋距離的增加,非潮汐海洋負(fù)荷的影響逐漸減小。