多源大地测量数据揭示不同环境负载产品对中国大陆垂直地壳运动的影响比较分析

《Geophysical Journal International》：Comparative analysis of the impact of different environmental loading products on contemporary vertical land motion of mainland China from multi-geodetic measurements

本研究针对环境负载模型（包括非潮汐大气负载NTAL、非潮汐海洋负载NTOL和水文负载HYDL）在修正GNSS（全球导航卫星系统）垂直位移时间序列中的差异问题，系统评估了来自GFZ、EOST和NASA的13种负载产品对中国地壳运动观测网络（CMONOC）263个站点的校正效果。研究发现HYDL对GNSS垂直位移影响最为显著，而NTOL影响最小；通过结合GRACE（重力恢复与气候实验）数据及其降尺度产品，并采用主成分分析（PCA）过滤共模误差（CME），显著降低了速度场的不确定性。研究首次利用GNSS成像方法绘制了中国大陆垂直地壳运动速度场图，量化了地心运动与冰川均衡调整（GIA）对趋势的联合影响（约0.13毫米/年），证实降尺度GRACE数据在华北和天山地区具有更可靠的约束能力，为地球科学领域的环境负载校正提供了关键见解。

　　

随着全球导航卫星系统（GNSS）技术的广泛应用，从GNSS时间序列中提取的垂直位移或垂直陆地运动（VLM）数据已成为监测地壳变形、建立区域参考框架乃至研究水文干旱等多种领域的重要工具。然而，GNSS时间序列受到多种非构造因素的干扰，特别是环境负载——包括非潮汐大气负载（NTAL）、非潮汐海洋负载（NTOL）和地表水文质量变化引起的水文负载（HYDL）——所导致的弹性形变，给高精度速度估计带来了显著噪声。尽管以往研究已尝试将负载校正应用于中国大陆的GNSS时间序列，但不同模型（尤其是涉及GRACE重力卫星数据及其降尺度衍生产品的模型）之间的差异尚未得到充分探索。此外，以往研究未能系统评估在应用不同环境负载校正后的垂直地壳形变特征。中国大陆复杂的气候和地形导致了多变的环境负载，驱动着显著的地壳形变，因此，深入研究环境负载效应的特征对于理解相关地球物理现象以及GNSS垂直位移的非线性变化至关重要。

为了精确量化不同环境负载产品对中国大陆GNSS垂直位移的影响，并获取更可靠的垂直地壳运动速度场，研究人员开展了一项系统的比较分析。本研究首先利用了来自中国地壳运动观测网络（CMONOC）的263个GNSS站点的垂直位移时间序列数据，这些数据经过处理并转换至国际地球参考框架（ITRF2014）。研究团队收集并处理了来自德国地球科学研究中心（GFZ）、斯特拉斯堡地球科学学院（EOST）和美国国家航空航天局（NASA）提供的共计5种NTAL模型、3种NTOL模型和5种HYDL模型的环境负载位移数据。此外，还引入了GRACE卫星的mascon（质量块）解决方案（包括CSR、JPL和GSFC发布的数据）及其通过人工智能方法降尺度后的数据产品，以及一个独立的陆地-水融合模型作为验证基准。

在技术方法上，研究采用了轨迹模型对GNSS时间序列进行建模，估计站点的线性速度、年周期和半年周期信号。为了准确估计速度及其不确定性，研究使用Hector软件，并假设噪声模型为白噪声加幂律噪声（WN+PL）的组合。为了减少区域GNSS网络中存在的共模误差（CME），研究采用了主成分分析（PCA）方法进行提取和过滤。此外，为了生成中国大陆范围内连续的空间速度场图像，研究采用了GNSS成像方法，该方法通过结合空间结构函数（SSF）和中值空间滤波（MSF）来插值表面垂直运动，增强了结果的稳健性。研究还使用均方根（RMS）减小率作为定量指标，评估不同负载模型及其组合的校正性能。

4.1 不同环境负载对GNSS垂直位移时间序列的比较分析

通过计算不同环境负载模型引起的垂直位移RMS值及其对GNSS时间序列的RMS减小率，研究发现NTOL位移的幅度最小，且空间分布上沿海站点的RMS值高于内陆站点。NTAL位移的RMS值在不同模型间差异较小，但在空间上表现出明显的地理模式，例如在平均海拔超过4000米、大气稀薄稳定的青藏高原（TP）地区，RMS值持续低于3毫米。HYDL位移则显示出最大的影响和模型间差异，其RMS值在北方地区通常低于3毫米，而在受季风活动影响的西南地区则超过5毫米。值得注意的是，GFZ的LSDM模型由于包含了河湖水位的影响，其RMS值在长江流域等地显著高于其他模型。

4.2 不同环境负载组合对GNSS垂直位移时间序列的比较分析

将NTAL和NTOL组合（简称AO）进行校正后发现，不同机构的AO模型结果差异微小，表明可以使用GFZ提供的AO模型来有效校正非水文负载效应。然而，当进一步结合HYDL形成AOH（大气、海洋和水文负载）组合时，由于HYDL模型间的显著差异，引入了较大的不确定性，限制了最优负载组合的性能。

4.3 环境负载模型与GRACE及其降尺度模型的比较分析

研究固定使用GFZ的AO模型校正后，比较了HYDL模型、GRACE数据及其降尺度数据在修正GNSS时间序列方面的效果。虽然GRACE数据能够捕捉总水储量变化（包括地下水和冰川变化），但其RMS减小率低于一些水文模型。而降尺度后的GRACE数据显著提高了空间分辨率，其RMS减小率超过了某些水文模型，尤其在西部山区，降尺度数据表现出更好的性能，凸显了降尺度方法在改善地表弹性负载形变空间分辨率方面的潜力。

4.4 环境负载校正和CME过滤对GNSS垂直速度及其不确定性的影响

研究发现，应用负载校正后，GNSS时间序列的速度变化很小，但速度不确定性被显著高估。而在过滤掉CME后，速度变化依然保持稳定，但速度不确定性则显著降低。这表明CME去除有效抑制了GNSS垂直位移中的低频噪声。季节性分析进一步验证了这一效应：在校正AO位移后，年振幅及其不确定性略有减小；而进一步移除HYDL位移则导致年振幅显著下降。降尺度数据得到的年振幅小于GRACE数据，这得益于其更高的空间分辨率。CME过滤对年振幅本身影响不大，但显著降低了其不确定性。

4.5 基于GNSS成像方法的垂直速度及其不确定性分析

通过GNSS成像方法生成的速度场图像显示，AO位移校正和CME过滤对整体速度场的方向影响甚微，但CME过滤显著降低了速度场的不确定性。进一步加入HYDL位移校正后，速度场的方向保持不变，但其强度（即速率大小）发生了明显变化，例如在华北地区信号强度增加，而在青藏高原地区则减弱。由GRACE和降尺度数据约束的结果更准确地描绘了高海拔地区冰川融化和华北地下水消耗引起的地表隆升等大尺度变化。降尺度数据因其更高的空间分辨率，其结果与独立的陆地-水融合模型在华北和西北天山地区表现出更高的一致性。

5.1 地心运动和GIA对GNSS推断垂直速度的影响

研究量化了地心运动（地球质心CM相对于地球形状中心CF的运动）和冰川均衡调整（GIA）对VLM趋势的联合影响。地心运动的贡献约为-0.31毫米/年，而GIA效应的贡献约为+0.44毫米/年，两者结合产生的净VLM趋势约为0.13毫米/年。尽管这一联合效应对VLM趋势的空间特征影响很小，但其强度受到了显著影响。

本研究系统评估了不同环境负载产品对中国大陆GNSS垂直位移的校正效果，并生成了校正后的垂直地壳运动速度场。研究明确指出了水文负载（HYDL）的主导影响以及不同模型间的差异，证实了降尺度GRACE数据在提高空间分辨率和约束陆壳变形方面的优势。通过校正环境负载和过滤共模误差，显著降低了GNSS速度估计的不确定性。研究还量化了地心运动和GIA对长期趋势的微小但不可忽视的贡献。这些成果为在中国大陆地区进行高精度GNSS数据处理和环境负载校正提供了重要的实践指导和数据支撑，更新的大陆垂直速度场也为理解区域构造过程提供了更精确的运动学约束。未来研究将致力于整合冰川、湖泊等数据集以及人类活动数据，利用物理信息神经网络（PINN）等先进深度学习技术，开发更全面的高分辨率全球数据集，以进一步提升地球科学研究中负载形变数据的准确性。