利用GPS观测资料反演高时空分辨率局部地表质量变化的方法研究

Surface mass redistribution is one of the research frontiers and hot issues in Earth science. This project aims at determining high spatial-temporal resolution regional surface mass variations based on Green functions, using GPS observation data and combined with regional tectonic features and geophysical models. The main research content include accurate extraction of stochastic seasonal term in GPS time series, construction of regional load model, Green function inversion approach, and solution of constrained least square solution. The anticipated results will not only has important significance for determining local surface mass variation with high spatial and temporal resolution, and is expected to fill the surface mass information gap between the two gravity satellite mission of GRACE and GRACE Follow-on, as well as provide more detailed information and technical support for water resource shortages, extreme climate changes and severe natural disasters and other environmental problems.

地表质量变化一直是地球科学的前沿和热点问题。本项目以反演高时空分辨率的局部地表质量变化为目标，结合区域构造运动特征和先验地球物理模型信息，对利用GPS测站垂直位移观测资料反演局部地表质量季节性变化的格林函数方法展开深入研究，包括GPS测站时间序列随机季节项的准确提取，区域负载模型构建与格林函数反演理论，以及地表质量变化参数的约束最小二乘求解等主要研究内容。预期研究结果不仅对确定局部高时空分辨率的地表质量变化具有重要意义，同时有望填补GRACE与GRACE-Follow on两个重力计划间隔期的地表质量变化信息空白，为水资源短缺、极端气候变化和重大自然灾害等问题提供更丰富的地学信息。

反演陆地水储量的重新分布一直是地表质量变化研究领域的热点和前沿课题。由于长期持续的地下水过度开采，华北平原成为我国陆地水储量变化(主要是地下水储量变化)信号最明显的 区域之一。因此，本项目以华北平原为研究区域，进行GPS反演地表质量变化的研究。主要包括GPS季节性信号的准确提取，格网化方案，以及GPS与GRACE结果的比较等方面。经研究发现，相比较于经验最小二乘拟合，采用独立成分分析法提取GPS坐标时间序列中的季节项能有效地分离陆地水储量和大气质量变化造成的地表形变，从而更准确地提取由于水质量变化造成的地表形变量。采用圆盘试验时发现，当流动点离负载源中心的距离大于2倍的负载源半径时，其结果等价于点源负荷的作用结果。可依据此结论制定反演过程的格网化方案，当GPS站点离负载源的距离大于2倍负载源半径时，可把负载源作为点负荷计算地表形变；而当GPS站点离负载源的距离小于网格半径的两倍时，则需要将网格进一步细分，再做卷积计算，这样才能在保证精度的同时尽量减少计算量。对GPS和GRACE得到的地表质量变化结果进行了对比分析，发现在华北平原二者的相关性优于70%，且两种观测手段都发现近年来华北平原地下枯竭速率有所变缓，这可能与地下水的限采禁采政策，该区域产业结构调整，以及南水北调工程等因素有关。随着GPS连续观测站的不断增加和数据处理手段的进一步精细化，GPS监测的水质量变化数据有望为水资源的管理和规划提供更全面的科学依据和数据支持。