上海天文臺揭示溫度變化對GPS臺站周期性位移的影響

 溫度變化,會造成物質熱脹冷縮,地面也不例外。實際上,地面溫度變化是影響地殼形變的重要因素,其中最為顯著的是地表的周年變化。GPS臺站需實時向用戶自動提供經檢驗的不同類型的GPS觀測值等,它的位置精確度至關重要。近年來,溫度變化對GPS臺站三維位移的影響越來越被關注,但已有的研究多關注對垂直方向上位移的影響。近日,中國科學院上海天文臺研究人員許雪晴等人首次應用三維熱膨脹模型,根據地表溫度數據,計算出全球三維地表周年位移形變,并與GPS臺站觀測的周年位移數據進行對比,表明溫度變化引起的地表形變是GPS臺站周年位移的影響因素之一,特別是在水平方向。目前,該工作已被國際學術期刊GPS Solution 雜志接收。

 
  許雪晴表示,已有的研究多近似假定不論溫度如何變化,地表水平方向的位移為零,但這顯然是對實際地球過于簡化的假定結果,畢竟地球是球形的,如果在球面水平方向上存在溫度變化,要想得到更精確的結果,就有必要計算來自各方面的溫度梯度造成的熱彈性形變。
 
  “我們的工作采用了三維熱膨脹模型,結合美國國家海洋大氣局實測的地表溫度數據,計算出由地表溫度變化引起的全球地表三維周年形變位移。”許雪晴介紹,“結果顯示,由溫度變化引起的全球地表三維周年形變在垂向上的振幅最大約為3毫米,在水平方向上的最大周年振幅約為1.5 毫米。且垂向周年位移的分布與溫度周年變化表現一致,而水平方向的周年位移則與溫度周年變化表現完全不同。”
 
  除此之外,該工作還將模型計算的結果與最能全面反映地表形變的觀測值——GPS臺站位移數據進行比較。許雪晴解釋道,“已有研究表明,地表質量重新分布是GPS臺站位移周年變化的最顯著影響因素,對垂向和水平向周年位移的貢獻大約在50%和15%。我們的工作顯示,考慮了溫度變化帶來的熱膨脹效應之后,對垂向和水平向周年位移的貢獻分別增加了約7%和8~9%”。
 
  “這一結論說明溫度變化引起的地表位移是GPS周年位移形變的影響因素之一,特別是在水平方向。且由溫度變化引起的地表位移已經足夠顯著,在高精度的地球參考框架維持中必須予以考慮。”她展望說,“未來,我們還將繼續探究更細微的影響因素,比如地表水的孔隙彈性效應,并建立相應的模型。”
 
 
藍色箭頭:地表質量重新分布對GPS臺站水平南北向位移的影響;黑色箭頭:地表質量重新分布與熱膨脹形變對GPS臺站水平南北向位移的影響;紅色箭頭:GPS臺站水平南北向位移的周年形變。不難看出,黑色箭頭與紅色箭頭的吻合程度比藍色箭頭與紅色箭頭的吻合程度更高,即考慮由溫度變化引起的熱膨脹形變之后,更能重構觀測上GPS臺站水平向位移。
 

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