中国沿海区域海潮负荷位移和重力对比分析

摘要

随着科学技术的进步，GPS、VLBI和超导重力仪等测量仪器的精度有了很大的提高，科研和应用也对观测结果的精度提出了更高的要求，又因为在大地测量中海潮负荷效应(oceantideloading，简称OTL)是仅次于固体潮的讯号。在中国沿海地区，海潮负荷引起的位移和重力变化分别达到了数厘米和数微伽，所以海潮负荷效应是大地测量观测数据处理中必须给予考虑的一个重要影响因素。例如，在GPS高精度测量时必须考虑海潮负荷对测站位移的影响，以及在高精度的超导重力测量中也需要考虑重力负荷的影响。此外，由于地球内部的密度和弹性结构特性控制着负荷响应的时空特征，因此可通过高精度大地测量方法观测海潮负荷的响应对地壳和上地幔结构提供约束。在海潮负荷效应中，重力和位移相对于倾斜和应变对地球内部结构更敏感，本文选择位移和重力分析其对地球模型的敏感性，为反演地球内部结构提供参考。由于重力负荷包括弹性效应和引力效应两部分，且只有弹性效应是由地球内部结构控制，因此用重力反演地球内部结构的前提是把两部分进行分离。海潮负荷位移全部由弹性效应贡献，因此不需要此步骤。　　本文在SPOTL海潮负荷计算程序的基础上分离重力负荷的弹性效应和引力效应。并选择HAMTIDE11a全球海潮模型和Gutenberg-BullenA地球模型，利用积分格林函数法，分析了M2、S2、K1和O1四个主要潮波的弹性效应、引力效应以及海潮负荷位移对中国东部沿海地区的影响(格网分辨率为1'?1')。进而分析海潮模型、地球模型、近海海潮模型和测站高程对海潮负荷计算的影响。最后对比分析了海潮负荷位移和重力对地球模型的敏感性，为中国周边区域的海潮负荷位移和重力研究提供有益参考。结果表明：　　1、M2、S2、K1、O1四个主要潮波的重力负荷的引力效应和弹性效应在中国东部及周边沿海地区皆达到微伽量级，水平位移和垂直位移可达数毫米，其中M2垂直位移最大值大于20mm。空间分布规律呈现由沿海至内陆递减的趋势，周日潮波(O1、K1)此趋势更加明显。M2和S2，K1和O1负荷效应的空间分布规律两两一致，在东南沿海区域周日潮波(K1、O1)相对于半日潮波(M2、S2)对内陆辐射影响更深入。此外，同一潮波的垂直位移和重力负荷的弹性效应的分布规律较为一致。　　2、不同海潮模型对计算结果的影响较大且不同模型之间的矢量差的空间分布规律高度一致，差异主要出现在东部近海区域。四个潮波的最大差异皆出现在NAO99b和FES04模型之间。对K1潮波而言，FES04和NAO99b模型的水平、垂直位移和弹性效应的差异最大值分别约为0.4mm、2.3mm和0.51μGal。对M2潮波，最大差异出现在FES04和NAO99b模型的江苏东南部沿海区域，位移的水平分量和垂直分量以及重力的弹性效应分别约为1.3mm、7.5mm和1.75μGal。表明海潮模型仍然是制约计算精度的主要因素。　　3、近海潮汐效应对东部沿海地区影响较大。就M2潮波而言，重力负荷的引力效应和弹性效应的差异最大值皆出现在沿海站点，分别为1.87μGal(荣成站)和2.32μGal(厦门站);近海潮汐对山东荣成站(SDRC)的位移影响最大，东西、南北和垂直分别为3.16、3.90、8.28mm。这表明全球海潮模型在近海地区的精度相对开阔海域较差，因此在计算近海测站的海潮负荷效应时有必要考虑高精度的近海海潮模型。　　4、测站高程仅对引力效应部分产生影响。引力效应对沿海测站的高程较敏感，忽略高程对厦门站引力效应(M2潮波)的影响达1.4μGal。因此在高精度的数据处理中考虑重力负荷时需顾及高程对其的影响。　　5、不同地球模型引起的差异主要发生在沿海地区且小于海潮模型引起的差异。引力效应不受地球模型之间差异的影响;弹性效应和重力负荷的分布情况几乎完全一致，且差异皆主要分布在东部沿海区域。PREM地球模型和其它模型之间的差异较为突出，其中PREM和AK135模型之间的差异达到最大。M2潮波东西分量的最大差异出现在台湾西北部沿海区域，矢量差约为1.2mm;江苏、福建、浙江沿海区域等次之，矢量差约为1.0mm。南北分量的差异主要发生在辽宁南部及黄海北部海域、台湾西南部及附近海域，矢量差约0.9mm。垂直分量的矢量差最大值出现在辽宁南部沿海、台湾海峡西部沿海等区域，约为1.8mm;弹性效应在福建沿海及周边区域达到最大值，约为0.52μGal。　　6、部分地区重力负荷的弹性效应相对于海潮负荷位移的垂直分量对地球模型更敏感，表明弹性效应可能是更好的选择。但由于目前重力负荷的研究主要集中在固体潮等研究中对其进行修正和扣除，且无法有效的把仪器测量结果中的重力负荷的弹性效应和引力效应分开。此外，超导重力仪价格昂贵，对条件要求较高，且全球范围内分布较少。相对而言GPS具有价格低廉、全时段、全天候、全方位、全球分布较为密集、对观测条件要求不高且数据较容易获取等优势。所以就目前而言，海潮负荷位移在反演地球上地幔结构方面依然具有绝对的优势。

目录

声明

第一章 绪论

1.1 背景意义

1.2 研究现状

1.3 研究方法

1.4 研究内容

第二章 海潮负荷基本理论

2.1 海潮模型简介

2.1.1 全球海潮模型

2.1.2 近海海潮模型

2.2 海潮负荷的计算方法

2.2.1 负荷勒夫数

2.2.2 OTL位移和重力的负荷格林函数

2.2.3 海潮负荷的计算

2.3 本章小结

第三章 OTL位移和重力分布特征对比分析

3.1 中国沿海区域的潮汐分布

3.2 OTL位移对中国沿海区域位移场的影响

3.3 重力OTL对中国沿海区域重力场的影响

3.4 本章小结

第四章 OTL计算中的主要影响因素

4.1 不同海潮模型对OTL效应的影响

4.1.1 海潮模型对OTL位移的影响

4.1.2 海潮模型对重力OTL的影响

4.2 近海海潮模型对OTL效应的影响

4.2.1 近海海潮模型对OTL位移的影响

4.2.2 近海海潮模型对重力OTL的影响

4.3 不同地球模型对OTL效应的影响

4.3.1 地球模型对OTL位移的影响

4.3.2 地球模型对重力OTL的影响

4.4 测站高程对OTL效应的影响

4.5 本章小结

第五章 海潮负荷效应对地球模型的敏感性

5.1 OTL位移对地球模型的敏感性分析

5.2 重力OTL对地球模型的敏感性分析

5.3 本章小结

第六章 结论和建议

致谢

参考文献