李辰风

长江三峡勘测研究院有限公司(武汉)，湖北 武汉 430074

水文负荷、非潮汐大气负荷和非潮汐海洋负荷等环境负荷变化会引起地壳的弹性形变，这是造成地表非线性变化的主要因素。在利用GNSS等现代大地测量技术高精度监测地壳构造运动时，必须扣除这些弹性环境负荷的影响。论文首先系统地研究水文负荷、非潮汐大气负荷和非潮汐海洋负荷引起的全球和区域地表形变对GNSS坐标时间序列的影响，从GNSS坐标时间序列中扣除环境负荷引起的地表形变从而提高GNSS监测地壳运动的精度。同时，为了提高环境负荷形变模拟计算的精度，基于CRUST1.0对地球模型(preliminary reference earth model，PREM)进行了改进，得到了基于站点的格林函数，从而使环境负荷形变模拟计算更加精确。最后提出一种自适应奇异谱分析方法，有效地提取了GNSS时间序列中由于弹性环境负荷引起的时变周期信号。主要研究内容和成果如下。

(1) 计算了全球502个IGS参考站6种水文负荷、7种非潮汐大气负荷和6种非潮汐海洋负荷模型引起的三维地表形变。通过相关性分析和WRMS(weighted root mean square)减小率系统评估了这些环境负荷形变对GNSS坐标时间序列产生的影响，并研究了不同环境负荷模型的差异。结果表明，在负荷改正后，80%以上测站的WRMS减小率为正值，其中，加入非潮汐大气负荷改正后WRMS减小率中位数最大，其值为8.43%。同时，根据WRMS减小率绝对值和差异性分析，就全球IGS参考站而言，EOST-MERRA、EOST-ECMWF和GFZ-EMPIOM分别是消除高程时间序列中水文负荷、非潮汐大气负荷和非潮汐海洋负荷效应的最佳模型。

(2) 综合分析了水文负荷、非潮汐大气负荷和非潮汐海洋负荷构成的252种组合负荷对502个IGS参考站坐标时间序列的影响。分别通过GRACE(gravity recovery and climate experiment)球谐分析和地球物理模型求得总环境负荷形变，将其与502个IGS参考站坐标时间序列进行对比分析，发现组合负荷改正能使GNSS坐标时间序列U、E、N 3个分量的WRMS分别减少11%～14%、1%～3%和3%～5%。

(3) 采用“陆态网”220个GNSS基准站坐标时间序列综合分析了不同环境负荷改正对中国大陆区域噪声特性和速度场估计的影响。研究表明，在分别加入不同非潮汐大气负荷改正后，GNSS高程时间序列WRMS减小率的差异可达15%，加入不同组合模型负荷改正后，GNSS高程时间序列WRMS减小率的差异可达20%；且组合模型负荷改正前后，GNSS水平速度场的差异可达3 mm/a。

(4) 利用最新的地壳模型CRUST1.0对地球模型PREM进行区域精化，获得了RPREM(refined PREM)精化地球模型，从而可以计算得到基于站点的格林公式，改进了目前常用格林公式同质且各向同性的问题。根据此精化方法，分别计算出“陆态网”Ⅰ期27个和云南地区“陆态网”Ⅱ期25个基准站2010年1月—2015年12月基于RPREM精化地球模型水文负荷引起的地表形变。与采用PREM地球模型相比，总形变平均相对差异分别为11.78%和14.14%。

(5) 提出了一种自适应奇异谱分析方法，对GNSS坐标时间序列中主要由环境负荷引起的时变周期性地表形变进行提取。针对奇异谱分析嵌入窗口和主分量选择的问题，结合频谱分析和改进的迹矩阵对算法进行改进，提出了一种自适应奇异谱分析方法。该方法具有智能化，能自适应地设置嵌入窗口大小，准确提取大量GNSS坐标时间中由环境负荷引起的时变周期性地表形变，且单个时间序列提取效率是奇异谱分析的6倍，从而使奇异谱分析更加适用于全球GNSS站点的时变周期信号分析。