沿海GPS业务观测在海底地震监测中的应用＊

范士杰，刘焱雄，乔方利，张化疑，张尊良，秦学彬

（1.国家海洋局 第一海洋研究所，山东 青岛266061；2.中国石油大学（华东）地球科学与技术学院，山东 青岛266580；3.东方地球物理公司 装备服务处测量服务中心，天津 大港300280）

GPS精密定位技术可以在一个区域或局部地区尺度上，高效率、低成本和高时空分辨率获取对地壳运动的观测数据，所以成为监测地壳形变和地球动力学现象的重要手段［1］。许多国家和地区建立了综合或专用GPS连续运行参考站网，用于本地区的地壳形变监测、地震监测和预报。例如：日本GEONET（GPS Earth Observation Network）已广泛应用于地震监测、地壳运动监测、大气水汽遥感等方面［2］。中国地壳运动观测网络、北京市GPS形变监测系统、台湾地震观测系统等，均获取了大量的地壳形变GPS观测数据［3－5］，为认知中国大陆地壳运动特征及其动力学机制提供了至关重要的基础资料，为我国地震监测和地学研究提供了一个基础平台。2009年国家海洋局在中国沿海布设了56个连续运行GPS观测站，形成了沿海GPS业务观测系统，为海洋监测、服务、科研和管理提供了新的数据来源，直接服务于海面变化监测、海气相互作用、灾害海洋天气的监测［6］。

2011－03－11UTC 05：46：23日本宫城县以东的太平洋海域（38°6′N，142°36′E）发生海底地震，震中距离东京382km，震级高达Mw9.0级，震源深度约20km。王敏等［7］依据“中国大陆构造环境监测网络”的GPS观测资料，得到此次日本特大地震的远场同震位移，结果显示日本地震造成中国东北和华北地区产生毫米至厘米级的同震水平位移，最大值为35mm。国家海洋局的沿海GPS业务观测系统遍布于中国的东部和南部沿海，处于海陆结合部和海底地震影响的前沿地带，不仅受到固体地球传导的地震波的直接影响，也由于海啸引起西北太平洋海域的海平面巨大变化，受到了海潮负荷的间接影响。为此，研究此次日本地震对沿海GPS业务观测系统的影响，探索沿海GPS观测站对于特大型海底地震的反应及其灵敏度，可为系统的运行、维护和应用提供科学依据。

基于精密单点定位（Precise Point Positioning，PPP）技术，借助自行研制的PPP软件，对国家海洋局沿海GPS业务观测站所记录的数据进行处理，提取GPS站点的震后地表形变、瞬时地表同震位移以及站点上空大气水汽的动态变化等信息，监测地震发生前后GPS站址的位置变异和水汽变化。根据计算结果，揭示此次地震对国家海洋局GPS业务观测系统的影响，为系统的运行和维护提供科学依据；并进一步挖掘沿海GPS站在海底地震发生时的响应，探索沿海GPS系统在海底地震监测、海啸预警以及震后灾害天气预报中的应用。

1 站点选择

国家海洋局在沿海均匀布设56个连续运行GPS观测站，构成中国沿海GPS业务观测系统。GPS观测站与国家海洋局已有海洋站并址建设，处于海陆边界，并综合考虑多路径效应、卫星通视条件、电磁干扰、地质环境以及便于维护管理等因素。56个GPS观测站包括33个基岩型观测墩、11个屋顶混凝土观测墩和12个钢架结构的观测墩［6］。此次日本地震发生前后的2个月，共有26个GPS观测站记录并保存了连续、完整的观测数据，及时记录了震前、震时和震后的信息，为研究地震波传播、动态的地表破裂过程以及地震动力学特征等提供了可靠的基础资料。

选取NDOG等26个GPS观测站（图1）进行数据处理和分析。其中基岩型观测墩13个、钢架结构的观测墩6个、屋顶混凝土观测墩7个，至日本地震震源中心的距离（震中距）为1 600～3 900km（表1）。

图1 GPS观测站的分布Fig.1 Locations of GPS stations

表1 GPS观测站的观测墩类型和震中距Table 1 The types of observation pillars and the epicentral distance at the GPS stations

2 数据处理方法

PPP技术与双差相对定位模型具有等价性［8］，采用作者研制的PPP软件，基于静态定位和动态定位两种模式进行GPS观测站数据处理。

在静态PPP模式中，对26个GPS观测站每天24h的连续观测数据进行处理，得到其PPP单天解，具体数据处理策略：基于传统的双频无电离层组合非差观测模型，消除电离层一阶项的折射影响；采用并固定IGS精密星历和卫星钟差；接收机钟差参数作为白噪声处理，每1个历元设置1个独立的钟差改正参数；GPS天顶静水力学延迟利用经验模型（如Saastamoinen模型）估算，而GPS天顶湿延迟（Zenith Wet Delay，ZWD）分量则作为待估参数，并利用随机游走过程模拟ZWD的动态变化［9］；映射函数采用GMF模型［10］；考虑对流层大气水汽分布的不均匀性和不对称性，引入大气水平梯度改正参数［11］（北向分量GN和东向分量GE）；同时考虑接收机天线相位中心偏差、卫星天线相位中心偏差、相对论效应、地球自转改正、固体潮、海洋负荷等误差影响；测站接收机坐标作为常参数处理，采用序贯最小二乘方法进行逐历元递推参数估计，得到GPS观测站三维坐标的PPP单天解。

动态PPP数据处理策略与静态PPP模式的不同之处在于测站接收机坐标为动态参数，每1个观测历元均需设立不同的三维坐标参数。在动态PPP模式中，仍然采用序贯最小二乘方法进行逐历元递推参数估计，得到GPS观测站坐标等参数的单历元动态PPP解，以描述站点位置随时间的变化。

3 日本地震对GPS业务观测系统的影响

地震常常造成板块和地表的永久性位移（包含同震地表形变和破裂断层震后滑移信息）。为分析地震造成的地表形变，选用GPS站震前和震后各1个月的数据，采用静态PPP模式，利用事后IGS精密卫星轨道和卫星钟差（30s）产品，对上述GPS观测站观测数据进行统一处理。为更加直观地描述GPS站点位置的变化，将PPP计算得到的三维地心坐标（X，Y，Z）转换为站心坐标（N，E，U），直接反映水平和垂直变化。

震前1个月为2011－02－09—03－10（DoY：040～069），震后1个月为2011－03－11—04－09（DoY：070～099），共计60d的数据；考虑地震造成GPS站点位置的可能偏移，会影响静态PPP的精度，因此2011－03－11（DoY：070）的数据只采用2011－03－11UTC06：00－24：00时间段（地震发生于2011－03－11UTC05：46：23）［7］。以天为单位，首先计算出各站点的单天解坐标（同精度观测值）；然后分别以震前、震后各30d的平均坐标作为GPS观测站的震前位置和震后位置。以GPS观测站的震前坐标为原点（参考点），计算震后的水平位置变化（ΔN，ΔE）和垂直变化（ΔU），来描述此次日本强震对GPS观测站的精确位移影响。同时，对震前30d和震后30dGPS站点平均坐标的精度（标准差STD）进行估算，并取其标准差的均值作为评价GPS站点震前和震后坐标的精度。最后，按照站点震中距由小到大的顺序进行汇总（表2）。以站点震中距为横坐标，站址变化（其中ΔN，ΔE，ΔU表示北、东和高程方向的坐标变化，ΔD表示站点位移）为纵坐标，描述GPS站点震中距与站址变化的关系（图2）。

表2 震后GPS观测站的坐标变化（mm）Table 2 Coordinate shift of the GPS stations after the earthquake（mm）

图2 站点震中距与站址位置变化的关系Fig.2 Relationship between the epicentral distance and the position of the GPS stations

以3倍标准差为极限误差，作为判断GPS站点位置是否出现形变的标准，分析可知：

1）地震造成部分GPS站点位置的变化。受到此次日本Mw9.0级特大地震的影响，北部海区的NDOG等12个站点和东部海区EDJS站点出现了明显的7～20mm的位移，且主要影响是在向东方向上；其中NDOG的东向位移最大为19.6mm，其次NCST和NXCS分别为16.2mm和16.1mm。

2）GPS站址的位置变化与震中距的大小有关。距震中越近的站点，其站点和东向位移越大；反之，则越小。其中NDOG距离震中最近，受此次地震的影响最大；北部海区站点的震中距均小于2 200km，其站点坐标的变化较为明显；而南部海区的震中距均大于2 800km，站点位置变化不明显。

3）GPS站点观测墩结构的抗震性不同。与震中距离相近的GPS观测站，其位置变化应大致相等。但是，由于站点观测墩结构的不同，其站点坐标变化出现差异。例如北部海区NRZH和NTAG、东部海区EDJS和EZJJ四个站点，其震中距相近（2 033～2 152km）。其中基岩型站点EZJJ没有发生明显的形变；屋顶型站点NTAG的东向位移达10.2mm；钢架型站点NRZH和EDJS的位移也分别达到7.6mm和7.4 mm。由此可见，基岩型观测墩结构更为稳定，这对海底地震及其沉降监测是非常重要的；否则，观测墩本身的位置变化会影响监测信息的质量。

4）GPS可以确定震源中心。根据GPS站点水平位置的变化，可以推算震源的方位。26个GPS观测站中9个坐标变化大于10 mm的站点存在着明显的站址变化，以此推算震源的方位（简称推算方位角）。同时，根据公布的震源位置和GPS站点位置，也可以推算出震源相对于GPS站点的方位（简称已知方位角）。GPS观测可以较好地确定震源的中心，推算方位角与已知方位角的偏差为2.0°～5.2°，平均偏差为3.8°。这充分表明，密集的GPS站点能够很好地确定地震中心（表3）。

表3 震源中心方位推算比较Table 3 Comparison between the calculated and the known hypocenter azimuths

4 GPS业务观测系统对日本地震的监测响应

4.1 瞬时地表同震位移

基于动态PPP模式，利用事后IGS精密卫星轨道和卫星钟差（30s）产品，对地震发生当日（2011－03－11，DOY：070）的上述GPS观测站数据进行动态处理，提取瞬时的GPS同震地表位移信息。为揭示GPS观测站震时地表真实的运动过程，避免非地震因素的影响，选取基岩型站点进行分析。GPS观测站的震后地表形变主要发生在东坐标方向（表2）。因此按照震中距的大小，以NCST，EZJJ，ENJI，SZLG站点为例，主要对GPS观测站的震时平面坐标及其随时间的变化进行分析（图3）。图3中横轴为UTC时间。

研究分析可知：

1）GPS观测站的动态PPP结果详细地记录了地表同震位移信息，精确地描述了地震发生时地表真实的运动过程。由于国家海洋局GPS观测站距震源较远，地震波传播到各GPS站点所引起的瞬时形变量较小，其水平形变量基本上在（±0.1）m之内；而且对比各GPS站点震前、震后平面位置，可以看出日本地震引起的GPS观测站的震时水平位移以可恢复性的弹性形变为主。

图3 GPS观测站的震时平面坐标Fig.3 Co－seismic horizontal coordinates of the GPS stations

2）当地震波传播到GPS观测站时，各站点坐标（N，E）均发生不同程度的位置跳变，且产生位置跳变的UTC时间与GPS观测站的震中距有关，也就是与地震波传播的时间有关。由此便可确定此次地震波传播到各GPS站点的UTC时间信息，进而可估算出地震波的传播速度。同样选取13个基岩型站点进行统计和分析，此次地震波传播到GPS观测站的UTC时间和速度信息详见表4。

此次地震波传播到上述GPS观测站的时间约为9～14min，地震波的平均传播速度为3 379.5 m/s。海啸的传播速度为gh（g为重力加速度，h为海洋的深度），在深度为4 000m的海域，其传播速度接近200m/s，远远低于地震波的传播速度［12］。与海啸传播时间相比，PPP处理的计算时间延迟可以不予考虑。所以，采用国家海洋局的GPS业务观测系统实时的GPS观测数据，能够快速捕获海底地震信息，进而利用地震波与海啸传播的速度差异，对地震可能引起的海啸做出预报和预警。

表4 地震波传播到GPS观测站的历元时刻和速度估算Table 4 The arrival epoch and the propagation velocity of seismic wave to the GPS stations

4.2 震后站点上空大气可降水量的动态变化

GPS可准确地获取大气中的水汽含量［13－14］。采用PPP软件的大气水汽提取模块，对地震发生后位于日本的IGS站和国家海洋局黄渤海沿岸GPS观测站的观测数据（2011－03－11—16，DoY：070～075）进行处理，提取站点上空大气可降水量（precipitable water vapor，PWV）信息。以日本本土TSK2和USUD、我们的NCST和NLHT为例，站点上空PWV的动态变化（时间分辨率为30s）（图4）。

图4 4个站点上空PWV的动态变化Fig.4 Dynamic variations of PWV over 4GPS stations

日本本土TSK2和USUD站点上空PWV在2011－03－11—15，出现多次明显的升降变化，于2011－03－14—15达到顶峰，然后迅速下降，至2011－03－16PWV趋于稳定。根据符睿等［15］的研究结果：降水大多为PWV值连续增加达到峰值（或峰值开始下降）后开始。3.11特大地震在日本东北太平洋沿岸引发巨大海啸；之后，强冷空气袭击日本地震灾区，于当地时间2011－03－15夜开始，大部分地区降起了大雪。因此，本文计算得到的TSK2和USUD等日本本土GPS站点上空PWV的动态变化，很好地验证了日本震后灾区的降雪过程。国家海洋局北部沿海GPS站点上空PWV值在震后也出现了明显的水汽增加过程，且各站点PWV值变化的趋势基本一致，同样记录了强震和海啸发生之后的天气变化信息。

5 结论

针对2011－03－11日本Mw9.0级特大地震，利用国家海洋局沿海GPS业务观测系统的观测数据，提取和反演了GPS观测站的瞬时地表同震位移、震后形变以及震源方位、站点上空水汽的动态变化等信息，分析了它们之间的相关关系。结果表明：

1）国家海洋局沿海GPS业务观测系统遭受了此次日本特大地震的影响，部分站点在东坐标方向上出现了几个毫米到厘米的水平位移。其中，NDOG站点的震后形变最为显著，其东向位移为19.6mm。距离震中较远的GPS站点位置均没有发生明显的形变，表明站点标石具有良好的稳定性。与震源中心同等距离情况下，基岩型站点比非基岩型站点具有较好的稳定性。

2）地震波传播到GPS观测站所引起的瞬时形变量较小，其水平绝对形变量基本上在10mm之内；且地震引起的GPS观测站的震时水平位移以可恢复性的弹性形变为主。

3）沿海密集的GPS观测站可以较好地捕捉海底地震引起的地壳形变，由此可推算地震的强度和方位。与震源距离越近，形变越大，GPS站址的变化也越明显，其震源中心的推估也越准确。

4）伴随地震和海啸的发生，日本地震灾区和中国北部沿海地区出现了明显的水汽增加过程，成为灾后天气变化的前兆。日本本土和中国北部沿海地区GPS站点上空PWV信息的动态变化，很好地验证了震后灾区的降雪过程，显示出GPS技术在监测震后灾害天气变化的应用能力。

5）基于GPS观测数据的实时传输和快速数据处理，国家海洋局GPS业务观测系统可进一步升级成为海啸监测系统，快速捕获海底地震信息，进而利用地震波与海啸传播的时差，对地震可能引发的海啸做出预报和预警，最大限度地获取逃生窗口。

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