基于CORS站网的三峡库区负荷形变与重力场时空变化监测

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1、基于CORS站网的三峡库区环境负荷形变与重力场时空变化监测i章传银①王伟①甘卫军②李辉③张庆涛④①中国测绘科学研究院，100830,北京②中国地震局地质研究所，北京③中国地震局地震研究所，武汉④国家测绘地理信息局第一人地测量队，西安摘要：受地球动力学因素特别是地球表层大气、地表水及地下水动力环境影响，地面站点位置、地球重力场及大地水准面随时间变化。本文以三峡地区CORS站-网为主，少量重力台站为辅，采用负荷形变与地球重力场严密组合方法，综合确定了2011年1月至2015年6月三峡地区环境负荷驱动的地壳形变与重力场月变化，结果显示：（DCORS站网具备地売垂肓形变、人地水准而

2、及地面重力变化临测能力；⑵三峡地区地壳垂直形变年变化幅度36.1mm,人地水准面年变化幅度28.2mm,地面重力年变化幅度117.4^iGal；⑶CORS站网地面重力变化监测精度水平不低丁•流动重力场重复测昼CORS站网地壳垂直形变与地面垂力变化监测具冇一定的外推预报能力。关键词：GNSSCORS站；环境负荷形变；区域重力场变化一、引言时变地球重力场包含地球系统密度分布及物质运动的丰富信息，直接反映了地球各圈层最基本的物质及其变化特性，是地球坏境变化导致地球形变最基本、最直接和最重要的物理量之一（许厚泽，2010）。受引潮天体、海平而及大气变化、地表及地下水变化（包括冰川雪

3、山、江河湖库、土壤水和地下水等变化，也称人陆水变化）、核幔耦合及内核动力作用等地球动力学因索彩响，地面站点位置、地球重力场及大地水准面随时间变化。为方便高梢度大地测量数据处理及定量分析，通常将地球重力场随时间变化分成两个部分：一部分是按大地测量参考系统约定的动力学模型，计算的固体潮、海潮负荷及大气潮负荷的影响，称为潮汐影响；另一部分是扣除潮汐影响后的残差重力场时变，称为地球重力场形变。由于潮汐影响能随时随地从人地测量观测量和参数中了以移去或恢复，因此，时变地球重力场监测和研究的重点通常是地球重力场形变（党亚民等，2015）。在大地测量基准维持涉及的数年到十年吋间内，由非潮汐

4、海平面变化、人陆水变化和非潮汐人气负荷变化等构成地球表层环境负荷变化，对重力场变化及地壳非构造垂直形变的贡献占其时变量的97%以上。正因为如此，卫星重力场时变监测也极人地推动了地球水循环与海洋、人气、水资源环境及相关地球科学的发展。木文以三峡地区CORS站网非潮汐垂直形变为主，少虽重力台站非潮汐重力变化为辅，综合确定三峡地区环境负荷驱动的地壳形变少重力场时空变化。二、监测原理与方法地球表层环境负荷变化可用等效水髙变化（或面密度变化）表示。这里的等效水高变化通常是指某一时刻等效水高相对于参考时刻等效水高的差值，或相对于某一段时间等效水高平均值之羌。等效水高变化冇时也称为等效水

5、高异常。地面等效水高变化的规格化负荷球谐展开式为:4氐（0，久）=RZn=i鸥=o[4C爲COS77U+AS^msinm2]山地球负荷形变和地球重力场理论，地而等效水高变化引起的人地水准而变化为：刃=3》筹丫角器鹉=o（4%cosm/l+闵診讪小贏⑶讪⑵引起的地面重力变化为：

6、国家自然科学基金资助项目（41374081）作者：章传银，男，出生于1968年12月，研究员，博导，主要从事大地测量与地球重力场研究，zhangchy@casm.ac.cn肌@刃=_3守毎羽J+2：：：：+i）匕鹉=0（4C爲cosnU+ZIS爲sinm久）爲（sin0）（3）引起的地面站点大地高变化

7、（负荷乖直形变）为：△厂GM）=+AS^smmA^P^cosO^W式⑴〜⑷屮，（4C爲/S寫）为71阶m次规格化负荷球谐系数;丘机（・）为71阶m次规格化连带勒讣徳*

8、数；@刃为地面点的地心纬度和经度;饥为九阶位负荷（勒夫）数;爲为邢介径向负荷数;川匕lO^kg/n^为水的密度；pe«5.5x103kg/m3>j固体地球平均密度；G为万有引力常数；M为地球总质最；/?为地球平均半径；y为地面平均重力。地面等效水高变化引起的地而站点位置或地面重力场参数变化40（0刃述可采用负荷格林函数积分方法表示为如下通用形式：△0（（M）=GpwJL气型G（0）dS⑸式中，（亿才）为地面积

9、分流动点；@石为地面计算点；厶为流动点到计算点的空间距离；0为球面角距；S为地球表面；G（P）为通用的负荷格林函数，当为地而重力变化时，取重力格林函数：GgW=-jEn=ih-（n+l）fc；+2仏讥（如6）式中，&（•）为九阶勒让徳函数。当40为地面大地高变化（即径向变化）吋，取径向格林函数：G5）=肱罷何Pn（COSlP）⑺同理，可列岀环境负荷变化引起的垂线偏差、负荷水平形变、地而扰动重力变化球谐展开式和负荷格林函数式。由⑵~⑸式不难看出，通过构建以卫星重力、卫星测高或各种地面大地测量变化量为观测量，以负荷等效