近期，中国科学院上海天文台金双根研究员带领的卫星导航与遥感研究团队开展了地表负荷季节性信号的空间大地测量研究，综合全球卫星导航系统（Global Navigation Satellite System，GNSS）观测位移和重力场恢复与气候实验（Gravity Recovery and Climate Experiment，GRACE）时变重力，提取了陆地水文和积雪等典型地表负荷信号，并探索了地球物理应用。研究结果表明空间大地测量为研究地表负荷及其引起的地壳运动提供了有效方法，对监测洪涝和干旱等灾害具有重要意义。相关研究成果于7月24日发表在《卫星导航》（Satellite Navigation）上。
此前，大多数大地测量科学家们认为地表负荷产生的位移是一种干扰构造运动信号的噪声。20世纪90年代，大地测量学家开始利用密集连续GNSS网，观测获取高精度和高空间分辨率的地壳运动数据，从中发现长期构造运动中存在明显的季节性信号，这种季节性信号逐渐引起关注。例如，研究人员通过分析日本东北部GNSS数据，发现本州东北部主干山脉东西两侧冬季分别表现为东西向的地壳缩短和伸展，并进一步认为该现象源于山脉西侧的雪负荷[1]。2002年，GRACE卫星发射，使得地球上的质量异常可从太空直接观测，而综合分析GRACE和GNSS观测数据，为研究人员们开展地表负荷研究提供了有力支撑。
为了挖掘GNSS时间序列有用信号和新的应用，中国科学院上海天文台金双根研究员带领的研究团队通过分析GNSS观测的地表位移和结合GRACE获得的质量异常，研究了季节性（周期性）和季内地壳运动，获得了地球的动力学扁率变化[2]、全球时变重力场[3]、美国西南地区极度干旱[4]和特大暴雨的水荷载[5]。研究团队通过综合分析GNSS和GRACE观测数据发现了南美洲北部GNSS观测站的位移和GRACE得到的质量异常（图1）。这些结果显示了赤道附近以雨季和旱季交替为特征的陆地水文水负荷的季节性变化，且更值得关注的是，水平位移和垂直位移的空间分布差异显著——最大垂直位移位于负荷中心，而水平位移在负荷边缘处最大。该结果揭示了水平运动反映出观测点对周边负荷响应的方位不对称性，而不是该点的负荷引起。该研究的另一组结果展示了日本北部北海道雪负荷引起的地表位移，积雪量具有显著的年际间变化（图2a、b），季节性地壳运动的振幅（图2c、d）很明确地反映了该变化。
研究团队认为，由GNSS和GRACE观测得到的位移和质量异常可提供相互补充的季节性变化信息（如图1展示的陆地水文负荷信号结果）。本次研究论文的作者之一、中国科学院上海天文台访问教授、日本北海道大学Kosuke Heki教授表示，由于两种技术的空间分辨率不同，当地表负荷由复杂的小尺度异常组成时，位移和质量异常往往不一致，这将是未来大地测量学研究地表负荷的重要方向之一。论文另一位作者、中国科学院上海天文台的金双根研究员表示，研究团队已掌握了利用全球GNSS等观测估计每月全球时变重力场和高时空分辨率位移场方法，这些空间大地测量技术将对监测洪涝和干旱等灾害具有重要意义。
本研究由中国科学院“国际人才计划”和中国科学院战略性科技先导专项支持。
图1，南美洲北部（a）水平和（b）垂直平均位移（GNSS）与质量异常（GRACE）。亚马逊盆地中部的NAUS站水平和垂直位移时序变化呈现明显的年周期和半年周期（d），2015-2016年厄尔尼诺（c）期间，因降雨较小而使得垂直位移大于其它年份。
图2，日本北部北海道积雪负荷引起的季节性地壳运动。(a) 2020、2021和2022年冬季北海道垂向位移（向下为正），(b) 4种自动气象资料收集系统采集的雪深曲线，(c) 西北近海岸测站（0008）相对于参考站（0015）的水平位移时序曲线，(d) 深雪区测站（0110）的垂向位移（向下为正）时序曲线。
参考文献：
[1] Heki, K. (2001). Seasonal modulation of interseismic strain build-up in Northeastern Japan driven by snow loads. Science, 293, 89-92.
[2] Jin, S.G., & Zhang, X.G. (2012). Variations and geophysical excitation of Earth's dynamic oblateness estimated from GPS, OBP, and GRACE. Chin. Sci. Bull., 57(36), 3484-3492, doi: 10.1360/972011-1934.
[3] Zhang, X., Jin, S.G., & Lu, X. (2017). Global surface mass variations from continuous GPS observations and satellite altimetry data. Remote Sens., 9(10), 1000, doi: 10.3390/rs9101000.
[4] Jin, S.G., & Zhang, T.Y. (2016). Terrestrial water storage anomalies associated with drought in Southwestern USA derived from GPS observations. Surv. Geophys., 37(6), 1139-1156, doi: 10.1007/s10712-016-9385-z.
[5] Heki, K., & Arief, S. (2022). Crustal response to heavy rains in Southwest Japan 2017-2020. Earth Planet. Sci. Lett., 578, 117325, doi: 10.1016/j.epsl.2021.117325.
科学联系人：金双根，中国科学院上海天文台，sgjin@shao.ac.cn
