武曙光

海军工程大学电气工程学院,湖北 武汉 430033

中国大陆构造环境监测网络(CMONOC)是我国“十一五”规划重大科技基础设施。自1999年3月试运行至今,已经积累了20余年高质量的GNSS观测数据,综合利用现有多方面的大地测量资料,充分开展地球科学研究是当前面临的一项重要任务。论文围绕CMONOC测站坐标时间序列的非线性形变,评估了地表环境负载的影响效果,系统分析了CMONOC-Ⅰ时间序列的确定性模型和随机模型,提出了一种用于识别区域异常位移信号的周年相位约束聚类算法(PACA),并联合GPS、GRACE、地表负载模型(SLM)等技术手段探测了西南地区CMONOC测站的地表形变特征。主要内容如下。

(1) 定量评估了不同地表负载模型的改正效果差异,对全球633个GPS测站高程时间序列与GFZ、EOST两家机构提供的环境负载产品的周年信号特征进行了研究。探测了环境负载改正后GPS高程时间序列的RMS减小率、周年振幅和相位的变化特征。结果表明,环境负载改正对全球大多数GPS测站的非线性形变具有积极的修正效果。经过GFZ、EOST环境负载改正,全球分别有82.6%、87.4%的测站高程时间序列的RMS降低,RMS减小率在全球测站的均值分别为10.6%和15.4%,地表环境负载可以解释约40%的GPS周年振幅。GPS高程时间序列与环境负载序列的周年相位差异是影响RMS减小率和周年振幅减小率的重要原因。

(2) 针对27个CMONOC-Ⅰ测站最近20年的坐标时间序列,建立了确定性模型和随机模型以及GFZ环境负载位移序列对测站坐标时间序列的影响。结果表明,GFZ环境负载序列能够合理解释CMONOC-Ⅰ测站垂向分量的非线性形变,却无法有效解释水平分量的周年变化。经过GFZ环境负载改正,63.0%坐标分量的速度值减小,而速度不确定度却有增大的趋势。14.8%坐标分量的最优噪声模型发生了变化,且WN+FN和WN+PL是两种最主要的噪声模型。测站速度不确定度与所在地年均降雨量和纬度存在一定线性关系,且与后者的线性关系更强。

(3) 提出一种周年相位约束聚类算法(PACA),用于提取GPS测站到不同相似度等级的聚类之中,并以聚类内部测站平均年度位移信号反映区域地表公共形变特征。测站GPS周年相位作为新的约束条件有助于强化聚类过程,使得聚类内部测站的年度位移信号的一致性增强。结果表明,PACA算法提高了聚类内部测站的平均年度位移信号反映区域地表形变的代表性和准确性。对于243个CMONOC测站,通过PACA算法得到了47个不同相似度等级的聚类,选取了内部测站的年度信号符合程度较高的25个聚类,以其平均年度信号作为区域内的年度地表形变,描述了中国大陆各区域的地表变形特征。除了有效划分聚类,PACA算法也在寻找稳定的、不包含区域异常信号的CMONOC测站方面发挥了重要的作用。

(4) 将PACA算法应用于西南四省的58个CMONOC测站,并联合多种技术手段(GPS、GRACE、SLM)深入探究西南地区的地表形变特征。分析表明,各聚类内部测站的年度位移信号具有较强的一致性,而在聚类之间则表现出明显差异,验证了PACA算法有助于精细地描述复杂地区的地表形变特征,同时对于提高GPS技术与其他技术联合探测地表形变的一致性效果显著。重点分析了位于四川盆地的一个聚类,结果表明,三峡库区范围内的临江CMONOC测站的垂向位移与库区水位呈显著的相关关系,三峡大坝对其上、下游的测站年度信号的一致性产生了影响。