联合CORS与环境负荷形变数据的香港地表垂向形变

马 敏 陶庭叶 谢广阔 胡 尚

1 合肥工业大学土木与水利工程学院，合肥市屯溪路193号，230009

研究台风过境地区地表垂向形变对于台风预测、灾害评估、灾后恢复等工作具有重要意义[1]。GPS具有高精度、全天候、实时性等优点，是探测地表形变的主要技术手段之一[2]。由于香港地区的地质构造运动并不明显，且以往的大地测量技术观测精度较低，因此对香港地区地表形变特征的研究较少。袁林果等[3]分析了香港CORS站多年坐标序列的季节性特征，但没有对该地区台风天气期间的地表形变进行研究。本文基于台风“山竹”发生前、中、后期香港地区18个CORS站的观测数据，利用GPS与国际质量负荷服务(international mass loading service，IMLS)的数据产品计算地表负荷形变，揭示台风期间香港地区的地表垂直形变特征。

1 数据与方法

1.1 GNSS数据处理

本文使用的数据包括2018-09-09～23台风“山竹”过境期间香港地区18个CORS站(图1，未使用数据严重缺失的HKFN站)的观测文件、周边10个IGS站(LHAZ、BJFS、SHAO、USUD、IISC、KMNM、URUM、TNML、TCMS、PBRI)数据文件、星历文件以及模型文件。从SatRef FTP server(ftp:∥ftp.geodetic.gov.hk/rinex2/)下载由RNXCMP software压缩的按天存储的30 s采样率Hanataka-compressed RINEX 2 Format观测值数据，从IGS的分析中心或全球数据中心获取IGS站数据文件、星历文件及钟差文件。

图1 香港CORS站分布Fig.1 Distribution of CORS stations in Hong Kong

利用GAMIT解算HKCORS及IGS站的观测数据，得到单日松弛解，数据解算策略如表1所示。使用GLOBK对GAMIT的基线结果进行网平差处理：1)将下载的SPOAC全球h文件IGS1-7松弛解与HKCORS单日松弛解合并，设置解方案中估计和协方差矩阵的相对权重为1.0；2)以IGS站在ITRF2014框架下的坐标和速度为基准，解算出HKCORS的坐标时间序列，如图2所示。

表1 数据处理策略Tab.1 Data processing strategy

图2 香港CORS站垂向位移时间序列Fig.2 Vertical displacement time series of CORS stations in Hong Kong

台风“山竹”于2018-09-16 17:00在广东台山登陆，同日13：00与香港的垂线距离最近，随后向西离去。由图2可见，随着台风逐渐逼近，地表开始出现下沉和异常波动；多数CORS站在17日左右出现明显下沉，其中，HKCL站的垂直形变高达-15.62 mm；随着台风的离开，地表逐渐抬升至正常值。位于香港西南侧距离台风近的CORS站如HKCL、HKKT、HKOH的最大垂直形变分别为-15.62 mm、-8.11 mm、-2.20 mm；距离台风较远的香港东部、北部的CORS站小幅下沉，如HKWS、T430的垂直形变分别为-2.27 mm、-2.60 mm。

1.2 环境负荷数据

台风导致的地表形变主要由3个方面组成：1)非潮汐大气负荷变化；2)非潮汐海洋负荷变化；3)水文负荷变化[4]。本文使用的3种负荷形变模型数据由IMLS提供，研究时段为2018-09-09～23，产品信息如表2所示。

表2 数据产品信息Tab.2 Data product information

图3～5为环境负荷因素的影响趋势，研究时段为2018-09-12～20。由图可见，9 d内非潮汐大气负荷导致的垂直形变表现为下降-持续大幅上升-持续大幅下降，16日达到最高值，17日回落，至20日都在正常范围内波动。相比于大气负荷，非潮汐海洋负荷导致的垂直形变波动不显著，总体表现为先小幅增长后回落，回落后区域垂直位移低于12～14日台风来临前。由于16～18日的地表下沉受到台风的滞后影响[5]，水文负荷变化导致的垂直形变表现为下降-大幅下降-上升，18～20日回归正常值。

图3 ATM垂直形变Fig.3 Vertical deformation of ATM

图4 LWS垂直形变Fig.4 Vertical deformation of LWS

图5 NTO垂直形变Fig.5 Vertical deformation of LWS

2 结果与分析

2.1 非潮汐大气负荷对地表垂直形变的影响

非潮汐大气负荷主要通过2个途径对地表垂直形变产生影响：1)垂直大气柱对陆地的直接挤压作用；2)间接作用于海洋，影响海面高度，进而影响地表变化[6]。

图6为2018-09-09～23 CORS站的非潮汐大气负荷垂直形变图。由图可见，气压变化趋势与大气负荷垂直形变趋势相反。9～15日，台风距离香港较远，各站大气负荷形变均值为0.27 mm，16日08：00风速达到最大(约50 m/s)。随着风速逐渐增强并且与香港的垂直距离越来越近，非潮汐大气负荷使地表逐渐抬升，并在16日达到最大值，该时段内各站形变均值为2.73 mm，其中T430站形变值达3.10 mm，形变值最小的站为HKOH(2.46 mm)。台风于16日13：00距香港最近，之后离去，大气负荷达到最大值后台风继续向西移动；16日20：00强台风转为台风，风速减弱。随后地表形变开始显著下降，18日略微抬升至正常值后在一定范围内波动，17～23日各站形变均值为-0.57 mm。

图6 CORS站ATM垂直形变Fig.6 ATM vertical deformation of CORS stations

2.2 非潮汐海洋负荷对地表垂直形变的影响

图7为2018-09-09～23 CORS站的非潮汐海洋负荷垂向形变情况。由图可见，非潮汐海洋负荷垂直位移的时间序列总体上表现为先平稳缓慢上升，随后骤减，最后恢复平稳缓慢上升趋势。数据显示，各站在14～17日的负荷形变均值分别为0.06 mm、0.15 mm、0.11 mm、-0.03 mm，15日达到峰值后，16日开始回落，17日左右达到最低值。由此可见，非潮汐大气负荷和非潮汐海洋负荷对地表位移产生相反影响，前者对地表起到抬升作用，后者则起到压制作用。这也验证了Mémin等[7]提出的海面升高造成地表沉降、气压降低造成地表隆起的结论。

图7 CORS站LWS垂直形变Fig.7 LWS vertical deformation of CORS stations

2.3 水文负荷对地表垂直形变的影响

图8为2018-09-09～23 CORS站的水文负荷垂直形变情况。由图可见，9～15日强台风距离研究区较远，尚未对该地区产生影响。强台风逐渐靠近的过程中，强降雨导致的水文负荷急剧增加，使地表迅速显著下沉，16日所有测站地表垂直位移均达到最低点，平均形变值为-4.08 mm。形变值最大的站为HKLM(-4.54 mm)，形变值最小的站为HKTK(-3.09 mm)。强台风带来的降雨是高强度且短暂的，随着台风向西运动，区域内降雨大规模减少，且在城市的雨水直排、渗滤、管道收集排放系统的共同作用下，地表迅速抬升。17日各测站负荷形变均值已恢复至-0.03 mm。

图8 CORS站NTO垂直形变Fig.8 NTO vertical deformation of CORS stations

2.4 环境负荷总形变分析

将3种负荷形变加入到环境负荷总形变量的坐标时间序列中(图9)。由图可见，16日台风距香港垂直距离最近时，环境总负荷出现异常下降，其中HKOH站的垂直形变达-1.73 mm。距离台风较近的CORS站受影响更大，如HKCL、HKMW、HKOH、HKLM等，垂直形变分别为-1.40 mm、-1.53 mm、-1.73 mm、-1.72 mm；距离台风较远的HKTK与T430站则各自下沉-0.18 mm、-0.76 mm，受波及程度较小。

图9 CORS站总垂直形变Fig.9 Total vertical deformation of CORS stations

综合GAMIT的解算结果与环境负荷数据可知，两者在地表垂直形变趋势上较为一致，但在数值上存在差异，主要原因为：1)GPS计算的短时间内地表垂向位移包含温度、纬度、解算误差等影响因素；2)由于缺少地表水、地下水等相关信息，模型模拟各种因素对地表水、地下水的影响时存在较大误差。

3 结 语

1)环境负荷形变数据表明，2018-09-16香港地区地表下沉至最低点，此时台风距香港垂直距离最短；随后台风离开，地表逐渐回升至正常值。GPS数据显示，绝大多数CORS站在2018-09-17左右出现明显下沉。

2)相较于非潮汐海洋负荷，非潮汐大气负荷引起的地表垂直位移更大，且两者对地表形变的影响趋势相反。

3)距离台风较近的CORS站比距离台风较远的CORS站的沉降程度更大。

4)GPS解算的结果与环境负荷模型解算的结果在趋势上呈现出较高的一致性，但在数值上存在差异。