基于CORS站網(wǎng)的三峽庫區(qū)負荷形變與重力場時空變化監(jiān)測

1、基于CORS站網(wǎng)的三峽庫區(qū)環(huán)境負荷形變與重力場時空變化監(jiān)測 國家自然科學基金資助項目（41374081）作者：章傳銀，男，出生于1968年12月，研究員，博導，主要從事大地測量與地球重力場研究，zhangchy章傳銀 王偉 甘衛(wèi)軍 李輝 張慶濤中國測繪科學研究院，100830，北京中國地震局地質(zhì)研究所，北京中國地震局地震研究所，武漢國家測繪地理信息局第一大地測量隊，西安摘要：受地球動力學因素特別是地球表層大氣、地表水及地下水動力環(huán)境影響，地面站點位置、地球重力場及大地水準面隨時間變化。本文以三峽地區(qū)CORS站網(wǎng)為主，少量重力臺站為輔，采用負荷形變與地球重力場嚴密組合方法，綜合確定了2011年1

2、月至2015年6月三峽地區(qū)環(huán)境負荷驅(qū)動的地殼形變與重力場月變化，結果顯示：CORS站網(wǎng)具備地殼垂直形變、大地水準面及地面重力變化監(jiān)測能力；三峽地區(qū)地殼垂直形變年變化幅度36.1mm，大地水準面年變化幅度28.2mm，地面重力年變化幅度117.4Gal；CORS站網(wǎng)地面重力變化監(jiān)測精度水平不低于流動重力場重復測量；CORS站網(wǎng)地殼垂直形變與地面重力變化監(jiān)測具有一定的外推預報能力。關鍵詞：GNSS CORS站；環(huán)境負荷形變；區(qū)域重力場變化一、引言時變地球重力場包含地球系統(tǒng)密度分布及物質(zhì)運動的豐富信息，直接反映了地球各圈層最基本的物質(zhì)及其變化特性，是地球環(huán)境變化導致地球形變最基本、最直接和最重要的物

3、理量之一（許厚澤，2010）。受引潮天體、海平面及大氣變化、地表及地下水變化（包括冰川雪山、江河湖庫、土壤水和地下水等變化，也稱大陸水變化）、核幔耦合及內(nèi)核動力作用等地球動力學因素影響，地面站點位置、地球重力場及大地水準面隨時間變化。為方便高精度大地測量數(shù)據(jù)處理及定量分析，通常將地球重力場隨時間變化分成兩個部分：一部分是按大地測量參考系統(tǒng)約定的動力學模型，計算的固體潮、海潮負荷及大氣潮負荷的影響，稱為潮汐影響；另一部分是扣除潮汐影響后的殘差重力場時變，稱為地球重力場形變。由于潮汐影響能隨時隨地從大地測量觀測量和參數(shù)中予以移去或恢復，因此，時變地球重力場監(jiān)測和研究的重點通常是地球重力場形變（黨亞

4、民等，2015）。在大地測量基準維持涉及的數(shù)年到十年時間內(nèi)，由非潮汐海平面變化、大陸水變化和非潮汐大氣負荷變化等構成地球表層環(huán)境負荷變化，對重力場變化及地殼非構造垂直形變的貢獻占其時變量的97%以上。正因為如此，衛(wèi)星重力場時變監(jiān)測也極大地推動了地球水循環(huán)與海洋、大氣、水資源環(huán)境及相關地球科學的發(fā)展。本文以三峽地區(qū)CORS站網(wǎng)非潮汐垂直形變?yōu)橹?，少量重力臺站非潮汐重力變化為輔，綜合確定三峽地區(qū)環(huán)境負荷驅(qū)動的地殼形變與重力場時空變化。二、監(jiān)測原理與方法地球表層環(huán)境負荷變化可用等效水高變化（或面密度變化）表示。這里的等效水高變化通常是指某一時刻等效水高相對于參考時刻等效水高的差值，或相對于某一段時間

5、等效水高平均值之差。等效水高變化有時也稱為等效水高異常。地面等效水高變化hw,的規(guī)格化負荷球諧展開式為：hw(,)=Rn=1Nm=0nCnmqcosm+SnmqsinmPnmsin 由地球負荷形變和地球重力場理論，地面等效水高變化引起的大地水準面變化為：N(,)=3weGMRn=2N1+kn2n+1m=0nCnmqcosm+SnmqsinmPnmsin 引起的地面重力變化為：gt(,)=-3weGMR2n=1Nn+2hn-n+1kn2n+1m=0nCnmqcosm+SnmqsinmPnmsin 引起的地面站點大地高變化（負荷垂直形變）為：r(,)=3weGMRn=1Nhn2n+1m=0nCnm

6、qcosm+SnmqsinmPnmcos 式中，Cnmq,Snmq為n階m次規(guī)格化負荷球諧系數(shù)；Pnm為n階m次規(guī)格化連帶勒讓德函數(shù)；(,)為地面點的地心緯度和經(jīng)度；kn為n階位負荷（勒夫）數(shù)；hn為n階徑向負荷數(shù)；w103kg/m3為水的密度；e5.5103kg/m3為固體地球平均密度；G為萬有引力常數(shù)；M為地球總質(zhì)量；R為地球平均半徑；為地面平均重力。地面等效水高變化引起的地面站點位置或地面重力場參數(shù)變化,還可采用負荷格林函數(shù)積分方法表示為如下通用形式：,=GwShw,LGdS 式中，,為地面積分流動點；,為地面計算點；L為流動點到計算點的空間距離；為球面角距；S為地球表面；G為通用的負荷

7、格林函數(shù)，當為地面重力變化時，取重力格林函數(shù)：Gg=-Mn=1n-n+1kn+2hnPn 式中，Pn為n階勒讓德函數(shù)。當為地面大地高變化（即徑向變化）時，取徑向格林函數(shù)：Gr=RMn=1hnPncos 同理，可列出環(huán)境負荷變化引起的垂線偏差、負荷水平形變、地面擾動重力變化球諧展開式和負荷格林函數(shù)式。由式不難看出，通過構建以衛(wèi)星重力、衛(wèi)星測高或各種地面大地測量變化量為觀測量，以負荷等效水高或其球諧系數(shù)為待估參數(shù)的觀測方程，采用適當?shù)膮?shù)估計算法，可反演地殼負荷形變及地面重力場變化。將代入式，可將CORS站,大地高變化表示為：r,=GwShw,LGrdS+ 式中：為構造垂直形變與地下水均衡垂直形變

8、。三峽地區(qū)構造垂直形變很小，一年的地下水變化基本處于平衡狀態(tài)，地下水均衡效應很不明顯，本文將作為隨機噪聲處理（這種處理方式不適合活動構造邊緣、地下水趨勢性變化明顯的CORS站）。同理，可將重力臺站的重力變化表示為gt,=GwShw,LGgdS+ 三、數(shù)據(jù)處理與綜合反演采用的數(shù)據(jù)資源及預處理三峽地區(qū)26座CORS站非潮汐大地高變化。CORS網(wǎng)解算時的地球動力學改正采用IERS2010協(xié)議，移去了固體潮、海潮負荷、周日和半日大氣潮負荷影響。以2010年11月平均值為基準，生成2011年1月至2015年6月CORS站大地高月變化三峽地區(qū)8座重力臺站非潮汐重力變化。重力臺站都配置便攜式潮汐重力儀，連續(xù)

9、觀測時間跨度13年。采用IERS2010協(xié)議，移去了固體潮和海潮負荷影響，忽略周日和半日大氣潮負荷影響。以2010年11月平均值為基準，生成重力臺站非潮汐重力變化。從2011年1月至2015年6月期間，約1/3月份至少有1個重力臺站的非潮汐重力變化時序數(shù)據(jù)。CORS站與重力臺站點位分布如圖1.圖1三峽地區(qū)CORS站與重力臺站點位分布圖三峽地區(qū)江河湖庫水月變化。采用多時相資源三號高分辨率衛(wèi)星影像和江河湖庫水位實測數(shù)據(jù)，計算每月江河湖庫水等效水高變化。三峽地區(qū)大氣壓月變化。從77個氣象站中國地面氣候資料日值數(shù)據(jù)集中生成三峽地區(qū)2011年1月至2015年6月大氣壓月變化格網(wǎng)模型。全球大氣與土壤水模型

10、。全球大氣壓月變化數(shù)據(jù)采用美國國家海洋和大氣管理局氣象預報中心的全球氣候預測模型（CPC水文模式），全球土壤水等效水高月變化采用美國宇航局哥達航空中心和美國國家環(huán)境預報中心的全球大陸地表水模型（GLDAS）。數(shù)據(jù)處理方案將每月作為獨立計算單元，以CORS站非潮汐大地高月變化為觀測量，由式組成CORS站觀測方程；以重力臺站非潮汐重力變化為觀測量，由式組成重力臺站觀測方程。不同月份站點數(shù)量及觀測量類型與實際數(shù)據(jù)有關，不完全一致，約2/3月份只有CORS站非潮汐大地高變化觀測量。實際計算中從觀測量中分別移去模型全球土壤水負荷影響、全球模型及區(qū)域殘差大氣負荷影響、區(qū)域江河湖庫水負荷影響，組成殘差觀測量

11、方程，聯(lián)合解算殘差等效水高格網(wǎng)。全球大氣負荷和土壤水負荷影響采用球諧分析方法，由球諧系數(shù)分別按和式計算；區(qū)域殘差大氣負荷和江河湖庫水負荷影響采用式計算，積分半徑不大于2.5。環(huán)境總負荷形變及重力場變化等于殘差負荷影響、江河湖庫水負荷影響、殘差大氣負荷影響，以及模型全球大氣負荷影響、模型土壤水負荷影響的綜合?？臻g分辨率為22，時間分辨率1月，時間跨度2011年1月至2015年6月。統(tǒng)計結果如表1，部分結果如圖25。為突出地面重力變化的空間分布結構，圖中將大于40Gal的色彩直接用40Gal表示，將小于-60Gal用-60Gal表示，將大于10ms用10ms表示。圖2環(huán)境負荷變化引起的地殼垂直形變

12、圖3環(huán)境負荷變化引起的大地水準面變化圖4環(huán)境負荷變化引起的地面重力變化圖5環(huán)境負荷變化引起的地面垂線偏差變化表1 CORS站網(wǎng)監(jiān)測的環(huán)境負荷形變及重力場時空變化統(tǒng)計大地測量變化類型2011年1月至2014年12月2015年1月至2015年6月年變化幅度*最大最小均值標準差最大最小均值標準差地殼垂直形變mm30.7-21.83.65.518.7-19.65.05.336.1大地水準面變化mm8.2-25.2-4.94.95.8-17.0-6.34.128.2地面重力變化Gal241.4-398.82.911.7219.9-359.33.312.2117.4地殼水平形變mm2.50.00.90.4

13、1.80.00.70.31.8垂線偏差變化ms111.50.02.71.999.40.02.52.19.0*長周期占優(yōu)的信號，不宜用標準差表示其統(tǒng)計性質(zhì)，這里用年變化幅度（最大最小值之差）來表示年周期占優(yōu)信號的典型特征。例如，某地面站點大地高年變化幅度3cm意味著，該站點上半年的大地高和下半年大地高有機會相差3cm。四、對比分析與結論與德國GFZ衛(wèi)星重力產(chǎn)品對比情況檢核數(shù)據(jù)來源：德國波茨坦地學中心（GFZ）GRACE負荷形變及重力場月變化產(chǎn)品，該產(chǎn)品不含大氣負荷影響，為大陸水負荷影響。檢核方法：將CORS站網(wǎng)監(jiān)測成果與GRACE產(chǎn)品（加上大氣負荷影響）逐月進行對比，時間跨度2011年1月至20

14、14年12月，共42個月。成果類型CORS站網(wǎng)監(jiān)測成果GRACE產(chǎn)品（GFZ）最大最小均值標準差年變化幅度最大最小均值標準差年變化幅度地殼垂直形變mm26.6-19.81.05.736.141.8-29.53.47.842.7大地水準面變化mm8.2-25.2-4.94.928.210.6-17.6-3.54.726.3地面重力變化Gal241.4-398.82.911.7117.494.8-112.61.019.2124.7對比結果：對比CORS站網(wǎng)監(jiān)測統(tǒng)計結果與GRACE產(chǎn)品統(tǒng)計結果，可以看出，CORS站網(wǎng)具備地殼垂直形變、大地水準面及地面重力變化監(jiān)測能力。CORS站網(wǎng)監(jiān)測統(tǒng)計結果顯示，三

15、峽地區(qū)地殼垂直形變年變化幅度36.1mm，大地水準面年變化幅度28.2mm，地面重力年變化幅度117.4Gal。與流動GNSS網(wǎng)復測成果對比情況檢核數(shù)據(jù)來源：中國地殼運動觀測網(wǎng)絡流動GNSS網(wǎng)重復測量成果，該成果由中國地震局地質(zhì)研究所提供。檢核方法：從CORS網(wǎng)22地殼形變與重力場時空變化監(jiān)測成果中，內(nèi)插與流動GNSS網(wǎng)點位和時間一一對應的大地高變化，并與流動GNSS網(wǎng)大地高變化相減。大地高變化的時間跨度CORS站網(wǎng)監(jiān)測成果提取的大地高變化mm中國地殼運動網(wǎng)絡GNSS網(wǎng)復測的大地高變化mm大地高變化的互差mm最大最小平均標準差最大最小平均標準差最大最小平均標準差201304減去20110315

16、.90.54.62.629.5-19.45.88.110.5-4.7-0.02.5201305減去20110315.4-3.23.13.628.3-7.67.98.47.1-14.2-1.33.7201304減去20110511.6-14.30.14.09.9-17.5-0.725.510.3-17.90.15.4201305減去2011059.1-17.2-1.34.411.6-21.60.296.05.7-10.90.62.3對比結果：比較CORS站網(wǎng)監(jiān)測的大地高變化標準差和流動GNSS網(wǎng)復測的大地高變化標準差，可以看出，用CORS站網(wǎng)監(jiān)測成果內(nèi)插三峽地區(qū)任意地面點的大地高變化，與GNSS

17、重復實測的大地高變化相比，監(jiān)測精度有所提高。與流動重力網(wǎng)復測成果對比情況檢核數(shù)據(jù)來源：中國地殼運動觀測網(wǎng)絡流動重力網(wǎng)重復測量成果，該成果由中國地震局地震研究所提供。檢核方法：從CORS網(wǎng)22地殼形變與重力場時空變化監(jiān)測成果中，內(nèi)插與流動重力網(wǎng)點位和時間一一對應的重力變化，并與流動重力網(wǎng)重力變化相減。地面重力變化時間跨度CORS站網(wǎng)監(jiān)測成果提取的地面重力變化Gal中國地殼運動網(wǎng)絡重力網(wǎng)復測的重力變化Gal地面重力變化的互差Gal最大最小平均標準差最大最小平均標準差最大最小平均標準差201309減去20120571.7-44.8-2.27.173.0-33.7-2.831.347.7-44.9-9

18、.88.8201409減去201211119.9-146.15.114.0254.7-58.713.860.150.6-68.416.719.6201309減去201304151.1-23.14.814.1138.8-30.16.432.334.8-47.5-38.79.0201504減去201309124.4-57.4-0.010.643.3-19.41.312.635.7-10.90.62.3對比結果：對比CORS站網(wǎng)地面重力變化監(jiān)測統(tǒng)計結果與流動重力網(wǎng)復測重力變化統(tǒng)計結果，可以看出，區(qū)域CORS站網(wǎng)具備較高水平的地面重力變化監(jiān)測能力。比較CORS站網(wǎng)監(jiān)測的重力變化標準差和流動重力網(wǎng)復測的

19、重力變化標準差，可以看出，用CORS站網(wǎng)監(jiān)測成果內(nèi)插三峽地區(qū)任意地面點的重力變化，與重力網(wǎng)重復實測的重力變化相比，監(jiān)測精度有所提高。用實測成果檢核其外推預報能力檢核數(shù)據(jù)來源：國家測繪地理信息局第一大地測量隊（國測一大隊）2015年實測的三峽庫區(qū)3個GNSS重力并置站點，2組2015年8月、10月相對于4月的地面大地高變化與地面重力變化數(shù)據(jù)。檢核方法：由2011年1月至2015年6月22地殼及重力場時空變化監(jiān)測成果，外推（預報）GNSS重力并置站點處2015年8月、10月相對于4月的地面大地高變化與重力變化，與國測一大隊實測結果對比。點名國測一大隊實測大地高變化mmCORS網(wǎng)監(jiān)測成果外推大地高變

20、化mm大地高變化互差mm201508減去201504201510減去201504201508減去201504201510減去201504201508減去201504201510減去201504CQKX0.7-10.2-3.9-3.94.6-6.3CQWL1.3-8.2-0.6-7.41.9-0.8HBYC-1.12.32.50.0-3.62.3點名國測一大隊實測地面重力變化GalCORS網(wǎng)監(jiān)測成果外推地面重力變化Gal重力變化互差Gal201508減去201504201510減去201504201508減去201504201510減去201504201508減去201504201510減去20

21、1504CQKX12.1-12.82.1-2.510.110.3CQWL-5.2-10.52.8-0.0-8.0-10.5HBYC1.06.4-0.0-3.61.010.0對比結果：CORS站網(wǎng)地殼垂直形變與地面重力變化監(jiān)測成果，具有一定的外推預報能力。參考文獻1Blewitt G., 2003, Self-consistency in reference frames, geocenter definition, and surface loading of the solid Earth. J. Geophys. Res., 108(B2)2Blewitt, G., Clarke P.,

22、2003, Inversion of Earths changing shape to weigh sea level in static equilibrium with surface mass redistribution. J. Geophys. Res., 108(B6), 23113Farrell W., 1972, Deformation of the Earth by surface loads. Rev. Geophys. Space Phys., 10(3): 7617974Jin S., Chambers D. P., Tapley B. D., 2010, Hydrological and oceanic