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地球潮汐负荷影响与形变监测计算系统

地球潮汐负荷影响与形变监测计算系统(Geodetic Computation for Earth Tide, Load Effects and Deformation Monitoring) ETideLoad4.0,一种地球物理大地测量监测科学计算的大型Windows程序包,主要由大地测量全要素各类潮汐影响计算,非潮汐大地测量时序处理分析,高分负荷形变场及时变重力场逼近计算,CORS/InSAR协同监测与地面稳定性估计,以及大地测量数据编辑计算与可视化五大子系统有机构成。

ETideLoad4.0科学目标

采用一致的地球物理模型和统一的数值标准,构造相容的大地测量与地球动力学算法,精确计算地面及固体地球外部各种大地测量的各类潮汐与非潮汐形变效应;统一多源异构大地测量时空监测基准和参考历元,构建其相互之间几何物理大地测量约束,精化多种监测量之间时空动力学关系,推进空天地海多种监测技术协同。为几何物理大地测量时空监测基准构建维持,多源异构地球监测数据深度融合,固体地球形变效应监测计算,地表水文环境、地质灾害与地面稳定性变化监测,提供一套科学实用的大地测量地球动力学算法系统。

ETideLoad4.0技术特色

(1)严格采用科学统一的标准与解析相容的算法,精密计算地面及固体地球外部空间点(泛指海洋、低空和卫星等不与地球固连的空间点)全要素大地测量观测量和参数的固体潮、海潮及大气潮负荷效应,非潮汐极移效应,永久潮汐影响与地球质心运动,实现地面全要素大地测量各类潮汐影响全球预报。

(2)计算大气、海平面、土壤水、江河湖库水和冰川冰盖雪山等地表环境负荷非潮汐变化导致的全球或区域非潮汐负荷形变场及时变重力场;综合多种大地测量监测量时序,基于固体地球形变理论,同化地表环境负荷观测数据,监测区域陆地水时空变化,精化高分负荷形变场及时变重力场时序。

(3)构建区域统一、长期稳定、高抗差性能的几何物理时空监测基准,开展CORS网、多源异构InSAR及多种大地测量协同监测与解析深度融合的科学计算;按客观自然规律,由大地测量几何物理场时序,构造地面稳定性降低定量辨识准则,实现地面稳定性变化空间无缝、时间持续的定量跟踪监测。

ETideLoad4.0科学计算系统架构
地面全要素潮汐影响全球预报
五种大地测量时序数据文件格式约定

ETideLoad采用自定义格式的五种形式大地测量时间序列数据,包括地面监测量时间序列、监测网站点记录时间序列、监测网观测量记录时间序列、监测量(向量)数值格网时间序列和球谐系数模型时间序列。

(1)地面监测量时间序列。一个地面监测量时序文件可存储某一站点、某条基线或路线多种属性监测量时间序列数据,各种属性的采样历元时刻完全相同。如CORS坐标解时间序列、固体潮站观测与分析成果时间序列、GNSS基线解时间序列等。

(2)监测网站点记录时间序列。一个监测网站点记录时序文件可存储大地监测网多个地面站点一种类型监测量的时间序列数据。如CORS站网坐标解(一维)、水准网点高程、固体潮站网、验潮站网时间序列,以及时序InSAR监测量等。

(3)监测网观测量记录时间序列。一个大地测量监测网观测量记录时序文件可存储CORS网(GNSS网)一维基线解、水准控制网水准路线高差观测量或重力控制网重力段差观测量时间序列数据。

(4)数字模型(向量)格网时间序列。由一组带时间(历元)信息的某一种类型监测量(向量)格网文件构成,每个格网头文件第7个属性约定为该格网数据的采样历元时刻。如陆地水等效水高、海平面变化格网时序,各种地面负荷形变场格网时序,时变重力场格网时间序列等。

(5)球谐系数模型时间序列。由一组带时间信息的球谐系数(Stokes系数)模型文件构成,用于表示全球负荷变化时间序列、全球负荷形变场时间序列和全球重力场变化时间序列。每个文件头占住一行,至少包含地心引力常数GM(×10¹⁴m³/s²)、地球椭球长半轴a(m)和采样历元时刻(ETideLoad约定的长整数格式)3个属性。GM,a称为球谐系数模型的尺度参数。

ETideLoad大地测量监测量概念

因技术需要,ETideLoad约定了大地测量监测量概念。

☆ ETideLoad4.0自定义

大地测量监测量定义为当前历元时刻的大地测量观测量或参数,与其一段时间内观测量或参数的平均值或某一参考历元时刻大地测量观测量或参数之差。大地测量监测量通常用大地测量观测量或参数变化(特指时间差分)表示。如地面重力变化、地倾斜向量变化分别表示地面重力监测量和地倾斜监测量。

☆ 监测量类型及单位约定

(1)高程异常/大地水准面变化(mm,毫米)、地面重力/扰动重力变化(μGal,微伽)、地倾斜/垂线偏差变化(mas,0.001ʺ/毫角秒);

(2)地面水平位移(东向/北向,mm)、地面径向位移(大地高变化mm)、地面正(常)高变化(mm);

(3)扰动重力梯度变化(10μE)、水平重力梯度变化(北向/东向10μE);

(4)卫星轨道重力位摄动(0.1m²/s²)、重力摄动及其三维分量变化(μGal)、扰动重力梯度摄动对角线三分量变化(10μE);

(5)陆地水负荷等效水高变化(cm)、海平面变化(cm)、海洋潮高(cm)和大气压变化(hPa)。

☆ 监测量向量方向约定

(1)地倾斜/垂线偏差变化SW。第一分量指向南,第二分量指向西,与地面重力/扰动重力方向构成右手直角坐标系,即自然坐标系;

(2)站点水平位移EN。第一分量指向东,第二分量指向北,与径向位移(大地高变化)方向构成右手直角坐标系,即东北天坐标系;

(3)水平重力梯度变化NE。第一分量指向北,第二分量指向东,与扰动重力梯度方向(铅垂线方向)构成右手直角坐标系;

(4)分潮调和常数。第一分量为同相幅值(余弦分量),第二分量为异相幅值(正弦分量)。

大地测量时序固体潮影响计算

功能:按输入时序文件中地点和时刻,计算地面各种大地测量参数的固体潮影响。

  可供选择的大地测量参数类型包括:高程异常/大地水准面(mm)、扰动重力(μGal)、地倾斜北南分量(ms)、地倾斜东西分量(ms),地面重力(μGal)、地面东方向(mm)、地面北方向(mm)、地面径向(大地高,mm)或地面正常高(mm)。

输入:待计算的时间序列文件。

输出:计算结果时间序列文件(如图2),在原时间序列文件记录的基础上增加一列或若干列固体潮影响时间序列值,保留两位有效数字。

  图2~3为重庆万州某地面站点3天的固体潮影响曲线。图中显示,正常高固体潮影响(最大幅值约300mm)与大地高固体潮影响、大地水准面固体潮影响(最大幅值约600mm)异相(即符号相反)。

时序球谐系数海潮负荷影响计算

 功能:由全球海潮负荷球谐系数模型(cm),按输入时序文件中地点和时刻,计算地面大地测量参数海潮负荷影响。

输入:待计算的时间序列文件。程序要求头文件中计算点的高程为正(常)高。

参数设置:输入球谐系数最大计算阶数。程序自动选择海潮负荷球谐系数模型最大阶数和输入最大阶数中的最小值作为计算阶数。

(1)计算速度取决于海潮球谐系数模型阶数、分潮数量和时序长度。

(2)图2为重庆万州某地5天海潮负荷影响。与固体潮影响不同,正常高与大地高负荷影响同相,正常高海潮负荷影响的幅值约为大地高的1.75倍。

(3)图3、4为浙江温州沿海某站点5天的海潮负荷影响曲线。比较图2、图3可以看出,浙江温州沿海地区海潮负荷影响是重庆万州内陆的5倍以上。

等效水高球谐综合负荷形变场计算

 功能:由全球负荷等效水高规格化球谐系数,计算地面或地球外部任意点的高程异常/大地水准面变化(mm),扰动重力/地面重力变化(μGal),地倾斜变化(ms),水平位置变化(mm),径向/正常高变化(mm),或地面等效水高值(mm)。

输入:(1)待计算的点值文件,计算点的高程为计算点相对于地面或海面的高度。

(2)全球负荷等效水高规格化球谐系数文件(m)。

参数设置:如图1。

(1)选择计算负荷影响的大地测量参数类型和影响方式。当选择“全部参数一起计算”时,程序计算所有参数的负荷影响和负荷等效水高值。

(2)指定文件记录起始行号n(即第1至n-1行是头文件)。

(3)当选择“计算点在固体地球外部空间”时,意味著大地测量参数的点位不与地球固连。

说明:(1)利用欧洲中期气候预报中心ECMWF全球0.25˚×0.25˚地面大气压格网模型月平均时间序列,经“4.1全球等效水高格网规格化球谐分析”,生成球谐系数模型时间序列,计算各种参数的非潮汐大气负荷影响。

(2)由GLDAS水文模式中全球0.25˚×0.25˚土壤水含量格网模型月平均时间序列,经“4.1全球等效水高格网规格化球谐分析”,生成月平均土壤水含量球谐系数模型时间序列,计算各种参数的土壤水负荷影响。

(3)由10余种卫星测高综合确定的0.25˚×0.25˚月平均海平面距平(异常)格网时序,经“4.1全球等效水高格网规格化球谐分析”,生成海平面变化球谐系数模型时序,计算中国沿海CORS站各种参数的非潮汐海平面变化负荷影响。

基于监测量的控制网拟稳平差

 功能:由CORS网(GNSS监测网)基线一维分量、水准网测段高差或重力网段差变化量,以用户给定的一组地面站点为拟稳基准,采用附有拟稳基准约束的间接最小二乘平差法,计算站点坐标分量变化、正(常)高变化或重力变化平差值。

输入:(1)GNSS基线分量、水准测段高差或重力段差变化量文件。

(2)监测网拟稳基准点经纬度坐标文件和站点经纬度坐标文件。

参数设置:如图1。

(1)输入监测网站点经纬度坐标文件中记录的起始行号。

(2)输入拟稳基准点文件中拟稳点参考值和权值所在的列序号。

(3)输入GNSS基线分量、水准测段高差或重力段差变化量所在的列序号。

(4)输入站点(基线或测段起点、终点)名称的字符个数。程序自动从基线或测段名称中按字符数提取站点名称。

(5)选择基准约束方式:拟稳基准零约束,或加权平均约束。

(6)程序自动按基线/线路长度反比对监测网变化量配权。

输出:GNSS站点的坐标分量变化、水准网点正(常)高变化或重力控制网点的重力变化平差值文件。

说明:(1)从某区CORS网(38座,构成630条基线)2015年1月1日至2017年12月31日,基线大地高差天解时序中,提取630条基线大地高差年变化率。

(2)由CORS网基线大地高差年变化率,按拟稳平差方法确定38座CORS站的地面大地高年变化率(地面沉降速率),平差值格网化结果如图2。

(3)按同样的作业流程,由CORS网基线水平坐标差线性变化,采用拟稳平差基准,得38座CORS站水平速度场,格网化结果如图3。

(4)利用拟稳平差结果,还可以进一步优化选择拟稳基准站点和权值。

站点大地测量参数负荷形变场精化

 功能:由区域内系列地面站点的大地高、重力或地倾斜等大地测量参数变化,确定区域负荷等效水高变化格网,精化区域地面负荷形变场和时变重力场。

程序可用于联合CORS站、重力或地倾斜固体潮站网,按移去恢复法,移去由已知负荷模型计算的模型变化量,由系列剩余大地测量参数变化,精化区域地面负荷形变场和时变重力场。

输入:精化区域(大于CORS网作用范围)的数字高程模型,系列地面站点大地测量(剩余)参数时序文件。

参数设置:如图1。

(1)输入基准历元和计算历元(剩余)参数所在的列序号。

(2)输入积分半径(球面角距0.5~2.0˚)。积分半径为剩余参数的负荷格林函数积分半径。

(3)输入迭代计算次数N(1≤N≤30)。

输出:与数字高程模型格网规格相同的地面等效水高格网模型(如图2、3),生成系列残差大地测量参数文件。

高程变化格网地面稳定性变化检测

 功能:由地面高程变化率格网(mm/月),地面高程变化率水平梯度(mm/m/月)格网,以及地形坡度格网模型,确定地面稳定性降低的位置和空间影响范围。

地面稳定性降低的定量辨识准则(客观规律,确定性、无疑义):①地面高程变化率较大(大于零)。地面向上抬升;②地面高程变化率水平梯度(模)较大。地面局部不均匀扭曲;③地形坡度值较大。20200611

输入:

(1)地面高程变化率格网,单位mm/月,如图2。

(2)地面高程变化率水平梯度格网模型,单位mm/m/月,如图3。极坐标形式的水平梯度向量格网,或向量模数字格网。

(3)地形坡度格网模型,如图4。极坐标形式的地形水平梯度向量格网,或地形水平梯度向量模(即地形坡度)数字格网。

参数设置:如图1。

(1)设置地面高程变化率、地面高程变化率水平梯度和地形坡度的权值。程序对输入的三个权值自动进行归一化处理,保持权比关系不变。

(3)输入地面高程变化率格网时序的平均值和标准差,以及地面高程变化率水平梯度格网时序的平均值和标准差。

输出:基于高程变化的地面稳定性变化格网模型,如图5、6。

地面稳定性变化格值越大,所在格网处的地面稳定性越差。

潮汐调和常数格网规格化球谐分析

 功能:由指定海洋分潮潮高(或大气压分潮)的同相/异相幅值规格化球谐系数(cm),生成规格化球谐系数格式的海潮模型(cm)

输入:某一分潮同相幅值(余弦分量)、异相幅值(正弦分量)规格化球谐系数

参数设置:输入分潮符号及其对应的Doodson常数(整数表示)。

输出:(1)分潮规格化球谐系数模型文件。

(2)格式同IERS2010协议标准中的FES2004海潮模型(cm),球谐系数阶数与同相/异相幅值球谐系数阶数相同。

说明:系统中360阶大气压潮负荷球谐系数模型ECMWF2006.dat,就是采用欧洲中期气候预报中心ECMWF-DCDA2006的大气压周日S1、半日S2、半年Ssa和年周期Sa分潮的0.5˚×0.5˚全球调和常数格网,采用球谐分析方法生成。