摘要：本文基于GPS和GRACE观测技术研究华南块体地表的季节性变化以及地壳的垂直形变。分析了GRACE和GPS时间序列的相关性，为进一步改进GPS时间序列季节性变化提供参考。GRACE观测的结果反演的是地表质量变化负荷导致的地表形变，通过扣除该水文负荷变化速率来改进而GPS垂直速度场，以更加有利于我们对板块运动作进一步解释。
1 简介
地球表面是一个弹性体，易受地球表面一些物理现象的影响，如大气、海洋已经水文等，都会对其产生贡献，对地表会产生一种弹性形变[Farrell 1972]。随着空间卫星技术的发展，使得我们对地球的一些物理现象有了更加深入的了解。其中GPS技术作为目前地球科学研究领域的观测手段，为我们提供了各种可信的数据源。在我们大地测量领域，GPS为我们观测到了地球表面的位移变化，通过GPS连续观测站我们可以发现地表会产生季节性的变化[Blewitt et al.，2001；Dong et al.，2002]. 2002年发射的GRACE重力卫星，作为一种时变重力的手段，为我们反演地表物质变化提供应用。很多研究已经证明了通过GPS和GRACE观测手段来分析区域性的地表的季节性变化是可行的[Fu and Freymueller 2012]。
华南块体地处川滇棱形地块的东南缘，其地壳活动频繁，构造断裂活跃，在印度板块与欧亚板块碰撞的后期地壳的抬升、发育起到很大的作用。本文结合区域性（华南地块）GPS连续观测，对时间序列进行分析以及共模误差的剔除以提高信噪比，引用经验正交分解（EOF）方法，从空间尺度上来对华南块体的季节性震荡进行分析，与最新CSR发布的RL05-GRACE球谐系数反演得出的地表负荷形变进行对比分析。重点讨论了GRACE反演地表物质质量变化与GPS观测在空间尺度上的差异以及影响。通过从GPS垂直场里扣除GRACE的负荷形变的长期贡献以算得到华南块体地壳的垂直形变。
2 数据及方法
2.1 GPS连续观测站
本文选取了由中国大陆构造环境监测网络，简称陆态网在华南块体6个GPS连续观测资料（图1），测站的观测时间段从2010年到2016年的3月，每个点观测时间跨度都超过3年。
图1 华南地块GPS测站分布
GPS数据具体的处理策略如下：
（1）采用GAMIT/GLOBK软件进行基线解算，联合亚洲地区周边的BJFS、LHAZ、WUHN、SHAO、KUNM、TNML、URUM、TASH、XIAA等9个IGS站数据，采用单日松弛法进行解算。其中主要应用到的改正模型包括对流层（GMF）、电离层（GPT）、海潮模型（FES2004）以及IERS2003地球固体潮模型等。
（2）运用GLOBK软件进行基线平差以获得时间序列。将单日解h-file联合全球子网IGS1/IGS2/IGS3，作为基准，选取了VILL、KIT3、FORT、BRMU、GRAZ、PERT、YELL、LHAZ、SHAO、METS、TROM、CAS1、MATE、KOSG等27个全球分布的IGS核心站定义参考框架[Liao et al.，2015]，并进行七参数相似变换将其转入特定的参考框架，如 ITRF2008。
2.2 GRACE模型数据及负荷形变计算
本文应用的是美国德克萨斯大学空间研究中心（CSR）发布的RL05 版本的最新GRACE产品。其中，由于GRACE球谐系数低阶项，尤其C20项不能很精确地得到，所以本文中应用 Satellite Laser Ranging（SLR）估计结果对其进行了替换[Cheng et al.，2013]。GRACE数据处理步骤如下：
对160个月的球谐系数取平均值，对每个月的球谐系数扣除该平均值，得到的球谐系数残余主要包括由水质量变化导致的重力变化，结合负荷理论可以计算全球由于水文负荷导致的垂直负荷形变。在数据处理时，由于GRACE月模型数据RL05版本质量有所改善，同时为尽量保留信号，GRACE数据仅采用高斯平滑，未采用任何去相关性滤波，采用300km高斯平滑以降低球谐系数高阶噪声的影响，最后通过全球格网插值得到相应位置负荷的时间序列。由质量负荷变化导致的垂直形变可以通过地球重力场和勒夫数的球谐函数展开来表示，如下式：
式中，振幅，趋势项系数和常数项都是通过最小二乘平差得到，其中取周年项周期为f1=1.04（cpy），半年项周期取f2=2.08（cpy），该周期是参照文献[Ray et al.，2008]，GPS季节性信号并不止于周年和半年项，还包括了3.12cpy，4.16cpy，5.2cpy和6.24cpy，但其主要成分是周年和半年项，也就是说这两个信号在季节性信号中贡献最大，文中给出的GPS时间序列季节性信号的周期是通过对全球GPS测站进行叠积处理得到的，但考虑到区域性负荷效应对GPS时间序列的影响，所以通过这种方式来拟合GPS时间序列必然会存在一定的误差。本文选取了其中了6个GPS点进行季节性分析，结果见图3，为了对比季节性项，GPS时间序列以及GRACE都已去除趋势项。
图3 GPS单点测站时间序列与GRACE导出的负荷形变比对
由图3结果我们可以看出，GPS和GRACE的季节性震荡一致性较好，证明了地表的负荷形变是导致GPS产生季节性震荡的主要贡献，且区域性差别较大。
区域测站点差异性分析：一般而言GPS的时间序列与GRACE模型计算得到的垂直负荷序列符合的都会很好，GRACE模型参数与GPS时间序列存在相位差异主要是由于GPS数据处理的误差所致，由于GPS在数据处理的时候，通过全球模型进行改进，如对流层、电离层、海潮、海潮负荷以及固体潮极潮等进行了改正，还有就是GRACE反应的是一个大尺度的质量变化，而GPS反应的是一个点位的变化，所以会存在个别点位有所差异。
3.2 华南块体垂直地壳形变
由GRACE解算得到的地表负荷长期形变，我们并未考虑冰后回弹以及构造运动的影响，由文献[Fu and Freymueller 2012；Hao et al.，2016]已经说明了上面两种因素对GRACE信号长期的贡献非常小，可以不作考虑。从GPS得到的垂直速率扣除GRACE的负荷形变，我们认为就是地壳的板块垂直构造运动，见图4。
图4 华南块体地壳垂直形变
由该结果可以得出，华南块体地壳的垂直运动整体比较平稳，未出现大的活跃垂直构造运动情况。
4 结论
本文基于GPS和GRACE的观测手段，研究分析了华南地块区域性的地表季节性变化以及地壳的垂直形变。由分析结果可以看出，GRACE与GPS季节性变化的一致性证明了GPS的季节性变化主要是受地表的负荷形变所致。而除了阶级性变化意外，这种负荷影响同时会产生一个长期的影响，我们在计算地壳形变的时候，需要扣除地表的负荷形变的影响来看地壳的构造运动，这一方法为我们提供了很好的手段，由新的GPS垂直场可以看出华南块体的地壳垂直形变。
参考文献
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论文作者:林汉宇
论文发表刊物:《建筑学研究前沿》2017年第17期
论文发表时间:2017/11/23
标签：季节性论文; 地壳论文; 负荷论文; 华南论文; 地表论文; 块体论文; 序列论文; 《建筑学研究前沿》2017年第17期论文;