全球导航卫星系统形变的负荷质量估算及气候变化研究获进展

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近日，中国科学院上海天文台在负荷形变反演质量变化研究中取得进展。该研究推演并拓展了利用全球导航卫星系统（Global Navigation Satellite System，GNSS）三维形变观测反演质量变化的理论方法，并通过模拟实验证实了附加水平方向的形变观测能够显著提升质量变化反演的空间分辨率及精度。9月29日，相关研究成果发表在《地球物理研究：固体地球》（Journal of Geophysical Research: Solid Earth）上。

自然因素和人类活动会引起地球表面质量（主要是水）的迁移，对其在空间和时间上的变化进行高精度估算，有助于剖析地表质量变化的地球物理过程和动力学因素，进而厘清区域及全球气候变化与自然变率及人类生产生活的关联。利用GNSS台站观测的负荷形变信号估算（或反演）该区域的质量变化是GNSS应用研究的重要课题，也是探究中小尺度质量负荷变化的重要手段。

中国科学院上海天文台与香港理工大学教授Jianli Chen团队合作，在前人利用垂直方向GNSS形变反演质量变化的研究基础上，结合水平方向的负荷格林函数推演了GNSS三维形变反演质量变化的公式，并利用棋盘质量模型与基于Gravity Recovery and Climate Experiment（GRACE）及GRACE Follow-On（GRACE-FO）卫星重力观测构建的质量模型对反演方法的空间分辨率和精度进行评估。

已有的基于GNSS水平方向形变的质量变化反演研究通常集中在质量变化源易识别、GNSS台站分布密集的区域，但对于水平方向形变对质量变化反演的改进程度缺乏有效的定量评估。该研究团队在三维形变反演质量变化理论推演的基础上，对不同GNSS台站分布密度、不同幅度/分布的质量变化信号以及不同GNSS观测噪声水平下的反演结果进行详细评估。结果表明，使用东（E）、北（N）、上（U）三个方向的GNSS形变观测能显著提升（较以往仅使用U方向的反演结果）区域质量变化反演的空间分辨率及反演精度（图1）。此外，科研团队还模拟了更高精度GNSS形变观测条件下水平方向形变对反演结果的改进程度（图2）。上海天文台助理研究员王松筠表示，“在以往研究中，由于水平方向负荷形变的量级小，在质量变化反演中的作用易被忽视。随着观测精度的提高以及科研人员愈加关注小尺度（几十公里）的质量变化，水平形变的作用逐渐凸显出来。”

目前，GNSS的观测精度不断提高，如何进一步发挥该技术手段的优势，挖掘其在包含负荷形变等内容的地球物理领域的研究潜力，是该领域重要的科学问题。“本研究对于更高精度GNSS形变的质量反演结果进行了模拟及预估，随着将来形变监测精度的提高，水平形变在区域质量反演的作用愈发凸显。”上海天文台副研究员李进展望道，“本次研究结果对于探索中小尺度区域质量变化、分离不同负荷源的质量变化信号、拓展高精度卫星导航在地球物理领域的研究范围有重要的参考意义。”

研究工作得到国家自然科学基金、上海市自然科学基金与上海市空间导航与定位技术重点实验室的支持。

图1.对于模拟的同一质量分布（a），利用垂直方向和垂直+水平方向GNSS形变的质量反演结果分别为（b）和（c），模拟质量与反演质量之差分别为（d）和（e）。在东南角GNSS台站（圆点）稀疏的区域，附加水平方向形变有效提升了反演精度。

图2.GNSS观测精度与水平方向形变对质量变化反演的改进量关系图。红点所示为目前GNSS精度（以垂直方向时间序列的方差表示）下的改进量（约10%）

来源：中国科学院上海天文台