地壳热弹性形变研究及其对GNSS时序信号的影响

The inversion of surface and groundwater by using global GNSS crustal deformation time series is widely used in the geodetic communities, which presents a new scientific light on the effective usage of water resources. However, the GNSS crustal deformation time series are prone to suffering several of geophysical signals and other kinds of signals effect, which decreases the precise determination of water resource and even cause to an incorrect estimation. Among these signals, the surface temperature can change the very shallow crustal temperature variation and cause a thermoelastic deformation of the Earth’s surface which can be seen by global GNSS sites. Traditionally, we using a 1D or 2D half-space model to estimate the crustal deformation caused by temperature change. But, it is only an approximate method, which provides relatively good results in crustal vertical deformation and relatively worse results in crustal horizontal deformation. To overcome this shortcoming, a new 3D model is presented under the uniform spherical shell Earth hypothesis by Fang et al.(2014). Using this new 3D model, we can acquire more accurate and precise estimation on crustal deformation caused by surface temperature change. Especially, we can acquire obvious tempo-spatial characteristics of the horizontal crustal deformation, which relates with the temperature gradient change deeply. This will improve our recognition on the crustal deformation of GNSS sites. Otherwise, the time series of crustal deformation of GNSS sites include various kinds of uncertainties. By using frequency spectrum method, we can analyze amplitude spectrum characteristics of its residuals after removal of any known signals. We can further using a Monte Carlo simulation to estimate the statistic characteristic of these uncertainties. After that, we combine the residuals uncertainty, reference frame, geocenter change and geophysical signals plus thermoelatic signals contribution to the crustal deformation variance to form a new weight factor of the corresponding GNSS site. This new weight factor will improve the accuracy and precision of water resource inversion by using observed GNSS time series and will benefit the researches on water resource and global change.

GNSS台站位移数据在反演陆地水变化中发挥着越来越重要的作用，为水资源有效利用提供了科学基础。然而，GNSS台站位移中存在多种地球物理信号和其它因素，影响对陆地水反演的精度和准确度。其中，地表温度变化可以引起地壳热弹性形变，并引起GNSS台站位移。传统的一维或二维半平面模型，在精度和准确度上存在明显问题。为此，依据最新的均匀球壳模型下的三维地壳热弹性形变理论，可以获取更精准时变温度谐波引起的三维地壳位移，及与温度梯度有关的地壳水平位移时空分布，从而可以进一步提升对GNSS台站位移成因分析。此外，GNSS台站位移还受多种误差影响，通过分析其频谱特征，采用Monte Carlo方法，可以给出单个台站误差的频谱依赖特征及其统计检验。结合参考框架、地心变化、地表流体、温度变化等引起的台站位移，通过组合，对GNSS台站误差给出精确的权重，有利于精确反演陆地水储量变化等，服务水资源探测和全球变化研究。

GNSS台站位移数据在反演陆地水质量变化及气候变化研究中发挥着越来越重要的作用，可为水资源有效利用等提供可靠的科学基础。然而，GNSS台站位移中存在多种地球物理信号和其它因素，影响对陆地水反演的精度和准确度。为此，需要从两方面来解决这一问题。一是多种地球物理因素引起的GNSS台站位移的精确建模、评估及误差的时空特征研究；二是GNSS水资源反演过程中的有效约束。本项目基于上述两个方面，主要做了以下4个方面的研究工作。.1)实现了GNSS数据的高质量预处理算法，即应用L1正则化方法探测GNSS时间序列中的跳变,并准确估计其长期变化。该方法提供了一种自动检测跳变技术，可更好地应用在高质量GNSS数据自动处理上，并应用于相关科学和应用研究。.2)为了理解多种地球物理因素对GNSS台站位移的影响，详细研究了海平面的瞬时变化速率、长期变化特征及其重构技术，为实现全球长时间尺度地壳形变提供基础数据和方法，对于地震等研究具有科学上的重要意义和应用价值。.3)为深入理解陆地水质量变化对地壳垂直位移的影响，在考虑热弹性形变的基础上，提出了先验约束和正则化约束，以及顾及边界及地表沉降的陆地水反演方法，为正确定量理解地壳形变提供了科学基础。此技术手段可以为我国的水资源时空变化特征提供准确、定量评估，并服务于相关国民经济建设。.4)GNSS观测中的误差综合分析，包括共模误差、地球物理误差、空间误差的相关性，以及误差在空间上的传播特性。通过误差的详细研究，可以为GNSS数据处理以及误差模拟等提供可靠的方法基础，将加深我们对GNSS时间序列的理解，并为利用GNSS进行高精度动态定位、mm级动态参考框架的建立等起到积极作用。.通过本项目的研究工作，可以对GNSS台站给出高质量的时间序列，对误差进行评估，并在引入多种约束手段的基础上，应用在精确反演陆地水储量变化上，进而服务水资源探测和全球变化研究。