占伟 田刚

摘要：介绍了基于GPS观测获取的地壳垂向季节性运动组成及相应的分析方法，阐述了地壳季节性运动在GPS流动垂向季节性修正、区域负荷质量变化监测、应力扰动与地震活动性的季节性变化分析、区域地壳结构反演等方面的应用研究进展，认为利用GPS观测研究地壳季节性运动的应用正向多手段、多学科融合发展，但需进一步完善数据处理模型（策略）、削弱解算结果中的误差，且各区域的地壳季节性运动机理值得深入分析。

关键词：地壳垂向季节性运动;负荷质量变化;GPS观测

中图分类号：P315.730.1文献标识码：A文章编号：1000-0666（2019）01-0049-08

0引言

20世纪90年代初以来，GPS在地壳运动监测方面发挥了重要的作用（Wangetal，2001;Ganetal，2007;Wuetal，2013，2016，2018;庞亚瑾等，2017;常金龙等，2018;郭炳辉等，2018;刘辛中等，2018;赵静旸等，2018;朱爽，周伟，2015;朱爽等，2017;朱爽，时爽爽，2018），一些研究结果表明（Dongetal，1998;Nikolaidis，2002），地壳运动不仅仅包含了长期的线性运动，还存在季节性运动，尤以垂向运动最为突出。长期以来，地壳季节性运动一直被认为是构造演化和动力学研究中需要剔除的噪声，但由于其根源与性质难以准确界定，地壳季节性运动的精确获取与消除成为了应用GPS分析地壳运动的最大挑战之一。然而，近年来随着研究和认识不断的深入，地壳季节性运动不再被认为是“一无是处的噪声”，相反，它在提高地固参考架的稳定性（张飞鹏等，2002;朱文耀等，2003;Altamimietal，2016）、区域地下水变化监测（Borsaetal，2014;Argusetal，2014，2017）等领域显现出重要的作用。因此，研究精确获取地壳季节性运动的方法及其成因与机理，具有重要的意义和实用价值，尤其是在青藏高原等垂向季节性运动剧烈的区域。

GPS观测连续观测具有时间和空间分辨率高的特点，目前是精确获取地壳季节性运动的重要手段之一。依据GPS获取的地壳季节性运动研究经历了“现象—验证—分析—应用”的过程，本文首先介绍GPS获取的地壳垂向季节性运动组成及相应的分析方法，然后介绍地壳季节性运动应用的最新进展，并对今后的发展趋势提出自己的看法。

1GPS观测获取的地壳垂向季节性运动的组成与分析方法如前所述，GPS观测获取的地壳季节性运动以垂向运动最为显著（图1），因此以地壳垂向季节性运动为例，介绍地壳季节性运动的组成与分析方法。

1.1地壳垂向季节性运动的组成

研究结果（李昭，2012;姜卫平等，2013;Zhanetal，2017）表明，依据GPS观测得到地壳垂向季节性运动可分为两部分：①GPS观测中的干扰和解算模型/策略的不完善产生的虚假的季节性位移，称为系统误差;②各种负荷质量及温度的季节性变化产生的真实的地壳季节性运动，称为地球物理效应。

系统误差包括GPS观测过程中的多路径效应、卫星轨道周期性变化和一些解算策略的不完善。Ray等（2008）、田云峰（2011）、Rodriguez-Solano等（2014）发现在GPS垂向时间序列中存在周期为约351天/n（n=1，2，…，6）的运动，这种周期性运动与GPS卫星轨道的周期有关;Freymueller（2009）、Collilieux等（2010，2012）、Zou等（2014）认为目前GPS数据处理普遍采用的线性参考框架存在周期性运动，这种未去除的运动会通过参考框架的转换参数传递到非参考框架点，使得测网其它测站产生虚假的周期性信号，这种现象在垂向最为突出;Fritshce等（2005）、Deng等（2017）认为忽略高阶电离层延迟会使GPS垂向时间序列出现虚假的年和半年周期信号。姜卫平等（2014）量化了高阶电离层延迟对全球GPS坐标时间序列的贡献，提出高阶电离层延迟可能是造成中纬度地区GPS测站垂向年周期性、东西向半年周期性及低纬度地区GPS站垂向半年周期性运动的主要原因之一;King等（2008）认为一些未去除干净的、周期为1天和小于1天的信号会传递到GPS垂向时间序列中的1年和半年周期信号里。

地球物理效应包括各种负荷如冰川（Drouinetal，2016）、大气潮汐、积雪、地下水、海潮和海洋非潮汐的变化及测站温度变化，这些都是造成GPS季节性运动的主要原因（王敏等，2005;梁洪宝等，2015）。vanDam等（1994）在GPS测站的垂向时间序列中找到了由于大气压负荷造成的地壳形变，由于大气压变化产生的地表位移最高能达到GPS垂向变化量的24%;积雪和地下水的质量变化也是引起GPS垂向周期性运动的一个因素（Munekaneetal，2004;Chew，Small，2014）;vanDam等（2001）分析了陆地水含量季节性变化对地壳垂向运动的大尺度影响，结果表明1994—1998年陆地水变化造成的地壳垂向位移模型均方根值为8mm，最大达30mm，主要为年周期;海潮和海洋非潮汐对沿海地区GPS垂向周期性运动的影响为毫米至厘米不等（Yuanetal，2009;Williamsetal，2011;vanDametal，2012）;地表溫度变化可以引起GPS墩标和GPS台站基岩变化，从而产生GPS垂向的周期性运动（Prawirodirdjoetal，2006;Yanetal，2009;孙付平等，2012）;闫昊明等（2010）分析表明，在23个网络工程GPS连续站中，温度变化造成的GPS站垂向位移总影响的年周期性运动振幅最大值可达2.8mm，其中13个GPS连续站的年周期性运动振幅变化超过1mm。

需要强调的是，在地壳季节性运动研究中，如果不尽量消减系统误差，基于“不干净”的季节性形变结果进行地球物理效应解释，会对分析结果产生一定的影响。VanDam等（2007）对比分析了欧洲地区IGS站（InternatainalGNSSService）站GPS与GRACE得到的测站垂向周年期位移，结果表明二者在很多测站不相吻合，他认为不一致的主要原因是GPS数据解算策略的不完善;Tregoning等（2009）改进了GPS数据处理模型和策略后，全球范围内GPS与GRACE垂向周期信号的一致性则好于VanDam等（2007）的结果。

1.2地球物理效应的分析方法

地球物理效应的分析方法主要有两类，一类是针对某一种或多种负荷，根据负荷模型数据采用格林函数（Farrell，1972）计算负荷质量变化产生的地表位移，并与GPS测站的季节性运动对比（Tsai，2011;Lietal，2017;魏娜等，2016）;另一类是与其他观测手段（如GRACE）得到的时间序列进行对比分析。多位学者按照第一种方法分析了全球及各区域负荷的质量变化与GPS垂向周期性运动的关系（张飞鹏等，2002;王敏等，2005;熊福文，朱文耀，2007;袁林果等，2008;李昭，2012），得到的结论较为统一：上述负荷的质量变化所产生的地壳垂向季节性位移与GPS垂向周期性运动相关性较好，但负荷质量变化产生的位移只是GPS垂向周期性运动的一部分，并不能完全解释GPS垂向周期性运动。结合其他观测手段分析GPS垂向周期性运动的研究也很多，尤其是新一代重力卫星GRACE可监测地表流体质量变化，并可得到研究区域表面质量（如陆地水）变化所产生的垂向位移，因此对比分析GPS和GRACE得到的垂向周期性运动成为近期地壳垂向形变分析的热点之一（廖海华等，2010）。在陆地水变化较大的区域，如亚马逊流域（Davisetal，2004）、喜马拉雅地区（Fu，Freymueller，2012;王林松等，2014）、阿拉斯加（Fuetal，2012）、非洲（Nahmanietal，2012;Birhanu，Bendick，2015;Birhanuetal，2018）、华北地区（Liuetal，2014;Wangetal，2017）、青藏高原（Zouetal，2015;Haoetal，2016）、云南地区（盛传贞等，2014），GPS与GRACE得到的垂向周期性信号相关性较好，但在一些水质量变化剧烈的区域则一致性较差，原因是GRACE数据处理时需要进行空间滤波（半径数百千米），因此GRACE反映的是区域空间尺度数百千米的整体形变，而GPS不仅反映了区域整体形变，还可能叠加一些局部效应（Tesmeretal，2011;Yanetal，2016）。

2地壳季节性运动的应用

经过对GPS获取的地壳季节性运动分析和验证后，地壳存在季节性运动的结论逐渐被认可，因此地壳季节性运动的应用研究也逐步开展，其研究范围和深度经历了“由浅到深”的过程，即从地表的GPS流动观测的时间序列季节性运动改正到地表深部的负荷质量变化和应力扰动反演等，涉及的研究领域愈发广泛。

区域负荷质量的季节性变化（如雨季与旱季地下水含量的变化），能引起地壳季节性运动和区域应力扰动的季节性变化，后者则可能触发区域小震，进而影响小震的活动性，因此可以利用GPS观测到的地壳季节性运动监测区域负荷质量的季节性变化和计算应力扰动的季节性变化。同时，由于地壳季节性运动和区域小地震活动性的季节性变化有可能都是区域负荷质量的季节性变化引起的，因此地壳季节性运动与区域小震活动性的季节性变化可能会存在一定的相关性（图2）。

2.1GPS流动时间序列的周期性改正

一些短期的GPS流动观测由于数据量太少、无法消除垂向季节性形变的影响，得到的垂向线性运动速率结果精度不高，亟需对垂向季节性形变进行修正。GPS流动垂向季节性形变修正的关键是准确获取流动站垂向季节性形变的振幅和初相。目前常用的方法可分为两类，一类是根据一些物理模型（如全球负荷模型或GRACE）直接求解任意一点的垂向年周期运动参数（Fuetal，2012;朱良玉等，2014;梁洪宝等，2015;Zhaoetal，2016;郝明等，2017）。Fu等（2012）利用GRACE得到的信息修正流动站垂向时间序列，一些流动站的垂向速率结果精度有显著的提高。另一类是依据同一区域内GPS连续站实测的垂向年周期运动参数进行空间内插获取流动站的垂向年周期运动参数（占伟等，2016）。Liang等（2013）采用这类方法修正了青藏高原及其周边地区GPS流动站的垂向时间序列，修正后部分测站垂向速率准确性有一定的提高。上述两类方法各有千秋，第一类方法可以直接求解任意一点的垂向年周期运动参数，但GRACE和负荷模型的空间分辨率较低（数百千米）;第二类方法在GPS连续站密度较高且分布均匀的区域，精度更高。

2.2区域负荷质量变化监测

GPS能够准确记录地球表层由于水含量等负荷季节性变化所引起的响应（季节性位移），反之，利用GPS观测得到的地表季节性运动可以反算地表水等效厚度的变化（Fuetal，2015）。

Argus等（2014）应用地表垂向季节性运动的GPS观测数据反推等效水厚度的变化，结果表明：GPS数据反演的加利福尼亚境内总体水含量变化空间分辨率为50km，而GRACE由于需要进行空间滤波（半径一般为200～300km），因此GRACE解的空间分辨率为200km。GPS连续观测可以给出每天（甚至更高的时间分辨率）的地壳垂向位移（verticalcrustaldeformation，简称VCD），相对于GRACE的月分辨率有了较大的提高。Jiang等（2017）的分析结果验证了GPS监测云南季风变化和干旱的能力，并显示出将GPS导出的雨季大气可降水汽量（precipitablewatervapor，简称PWV）、由于水文荷载产生的VCD和降雨量、GRACE导出的等效水高度EWH（equivalentwaterheight来源于GRACE）联合，可以更为全面了解区域性季风和干旱的特征。上述研究表明，GPS已经成为一种新的、独立的地表水变化监测手段。

2.3区域应力扰动变化与地震活动性分析

一些学者注意到在美国（Amosetal，2014;Craigetal，2017）、日本（Heki，2003）和喜马拉雅地区（Bollingeretal，2007）的小震活动性存在季节性变化，如喜马拉雅地区冬季小震平均频率约是夏季的2倍，而这些区域积雪、地下水的季节性变化也较为显著，因此一些学者分析了小震活动性与水文数据的季节性变化之间的相关性（Johnsonetal，2017a，b）。Bettinelli等（2008）认为喜马拉雅地区地下水位季节性变化是区域地壳位移、应力扰动和地震活动性季节性变化的主要原因。夏季，雨季的降雨使得水位上升和地表负载增加，引起了地壳的弹性变形，Ganges盆地北部地表下沉，水平方向产生南向位移，这种地壳水平方向的拉张减少了震間应变积累引起的长期水平压缩的影响;冬季与夏季相反，水位下降意味着地壳负荷减小和水平压缩增加，有利于长期的震间地壳水平方向的压缩和小震发生。