基于IGS连续跟踪站的地壳垂直形变时间序列分析
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摘要
上一世纪90年代初IGS的建立标志着GPS应用于地球物理研究工作的开始。世界各国地学研究机构在不同的国家建立了GPS连续跟踪站，到2001年为止全球共有1800多个GPS连续跟踪站在工作。本论文利用IGS连续跟踪站多年的观测数据进行研究。
本论文的前半部分介绍了ITRF参考框架，论述了地球参考框架与板块运动之间的关系，以及参考框架板块运动模型与地质模型(NNR-NUVEL1A)有较好的一致性，表明ITRF板块模型适合于研究现今几年到几十年尺度的地壳形变。介绍了对GPS高程时间序列分析所需要的方法，如ARMA模型、线性拟合、功率谱以及小波等。
论文的后半部分对全球均匀分布的GPS连续跟踪站高程时间序列进行插值，获得了均匀采样的时间序列。然后利用ARMA模型改进了时间序列。计算了跟踪站高程方向的线性速度。对时间序列进行自相关函数、谱分析和小波多分辨分析。通过分析，发现大多数跟踪站存在以半年和周年为周期的运动，表明全球范围高程变化具有明显的季节性变化项。论文对GPS高程时间序列存在的季节性变化从极潮、海洋潮汐、大气压、基岩热膨胀、冰期后回弹等多个地球物理因素进行了定性和部分定量分析。分析表明，全球地壳存在整体性扩张或收缩的振荡，同时南北半球的变化规律存在差异。计算了不同纬度的闭合环纬线变化率，认为南半球存在整体膨胀趋势，北半球整体变化不明显。
The establishment of the IGS, which was set up in the end of last century, was a symbol for the beginning of geodynamics research by using GPS data. From that time , many GPS fiducial stations were carried out by various organization. At the end of the 2001, 1800 GPS fiducial stations had being operated routinely. In this thesis, we study the time series collected by IGS fiducial stations for many years.
At the first part of this thesis, we introduced the international terrestrial reference frame (ITRF), discussed the relation between ITRF and plate motion, and the global plate motion model is consistent with the geological model (NNR-NUVEL1A) basically, which is suitable for year-scale crustal deformation research. We also introduced some methods for analysis time series, such as ARMA, linear smoothing, power spectrum, wavelet.
At the second part of the thesis, we have obtained even sampling by interpolating to study GPS time series in height component generated form fiducial stations, which are globally distributed. Then we improved the time series by ARMA model, computed linear velocity of various stations. We use ACF, spectral analysis and multi-resolution wavelet analysis to study time series. After analysis, both annual and biannual moves of the most stations are detected, which show there are clear seasonal variations in world-wide. We qualitative and part of quantitative analysis of many geophysical, from pole tide, ocean tide, atmospheric pressure, bedrock thermal expansion and postglacial rebound, for the seasonal variations in GPS time series. After analysis, contracting movement in the earth was detected, and movements follow different laws in the Northern and Southern Hemisphere. We computed change rate of latitude closed circuit and the results show that the Southern Hemisphere is expanding compared with the Northern.
本论文的前半部分介绍了ITRF参考框架，论述了地球参考框架与板块运动之间的关系，以及参考框架板块运动模型与地质模型(NNR-NUVEL1A)有较好的一致性，表明ITRF板块模型适合于研究现今几年到几十年尺度的地壳形变。介绍了对GPS高程时间序列分析所需要的方法，如ARMA模型、线性拟合、功率谱以及小波等。
论文的后半部分对全球均匀分布的GPS连续跟踪站高程时间序列进行插值，获得了均匀采样的时间序列。然后利用ARMA模型改进了时间序列。计算了跟踪站高程方向的线性速度。对时间序列进行自相关函数、谱分析和小波多分辨分析。通过分析，发现大多数跟踪站存在以半年和周年为周期的运动，表明全球范围高程变化具有明显的季节性变化项。论文对GPS高程时间序列存在的季节性变化从极潮、海洋潮汐、大气压、基岩热膨胀、冰期后回弹等多个地球物理因素进行了定性和部分定量分析。分析表明，全球地壳存在整体性扩张或收缩的振荡，同时南北半球的变化规律存在差异。计算了不同纬度的闭合环纬线变化率，认为南半球存在整体膨胀趋势，北半球整体变化不明显。
The establishment of the IGS, which was set up in the end of last century, was a symbol for the beginning of geodynamics research by using GPS data. From that time , many GPS fiducial stations were carried out by various organization. At the end of the 2001, 1800 GPS fiducial stations had being operated routinely. In this thesis, we study the time series collected by IGS fiducial stations for many years.
At the first part of this thesis, we introduced the international terrestrial reference frame (ITRF), discussed the relation between ITRF and plate motion, and the global plate motion model is consistent with the geological model (NNR-NUVEL1A) basically, which is suitable for year-scale crustal deformation research. We also introduced some methods for analysis time series, such as ARMA, linear smoothing, power spectrum, wavelet.
At the second part of the thesis, we have obtained even sampling by interpolating to study GPS time series in height component generated form fiducial stations, which are globally distributed. Then we improved the time series by ARMA model, computed linear velocity of various stations. We use ACF, spectral analysis and multi-resolution wavelet analysis to study time series. After analysis, both annual and biannual moves of the most stations are detected, which show there are clear seasonal variations in world-wide. We qualitative and part of quantitative analysis of many geophysical, from pole tide, ocean tide, atmospheric pressure, bedrock thermal expansion and postglacial rebound, for the seasonal variations in GPS time series. After analysis, contracting movement in the earth was detected, and movements follow different laws in the Northern and Southern Hemisphere. We computed change rate of latitude closed circuit and the results show that the Southern Hemisphere is expanding compared with the Northern.
引文
1．程正兴．小波分析算法与应用[M]，西安交通大学出版社，1997，57-71
2．陈鑫连．GPS卫星定位在地震监测与地壳运动中的应用[M]，地震分析预报高级培训教材，1998
3．胡明诚．现代大地测量学的理论及其应用[M]，测绘出版社，2003
4．飞思科技产品研发中心．小波分析理论与MATLAB7实现[M]，电子工业出版社，2005
5．罗少聪．大气负荷效应问题研究[D]，湖北武汉：中国科学院测量与地球物理研究所，2003
6．孟国杰．基于全球定位系统的现今地壳运动与形变研究[D]，北京：中国地震局地球物理研究所，2001
7．刘根友．高精度GPS定位及地壳形变分析若干问题的研究[D]，湖北武汉：中国科学院测量与地球物理研究所，2004
8．符养．中国大陆现今地壳形变与GPS坐标时间序列分析[D]，上海：中科院上海天文台，2002
9．李英冰．固体地球的环境变化相应[D]，湖北武汉：武汉大学，2003
10．王琪，张培震，牛之俊，等．中国大陆现今地壳变动与构造变形[J]，中国科学，2001，31(7)：529-536
11．王琪，牛之俊，石俊成．中国地壳运动观测网络基本网观测精度研究速度场[J]，大地测量与地球动力学，2003，23(3)：9-13
12．王琪，游新兆，王文颖，等．跨喜马拉雅GPS观测与地壳形变[J]，地震形变与地震，1998．18(3)：43-50
13．杨少敏，王琪，游新兆．中国现今地壳运动GPS速度场的连续变形分析[J]，地震学报，2005，27(2)：128-138
14．金双根，朱文耀．全球构造非对称运动的定量分析[J]，天文学报，2003，44(2)：180-188
15．金双根，朱文耀．南半球减速膨胀的定量分析[J]，地球物理学报，2003，46(6)：761-766
16．金双根，朱文耀．确定板块运动学模型的台站选取[J]，大地测量与地球动力学，2003， 23(3)：56-60
17．朱文耀，符养，李彦．GPS高程导出的全球高程振荡运动及季节变化[J]，中国科学，2003，33(5)：470-481
18．朱文耀，程宗颐，熊永清，等．利用GPS技术监测青藏高原地壳运动的初步结果[J]．中国科学，1997，1-2
19．王小亚，朱文耀，符养，等．GPS监测的中国及其周边现时地壳形变[J]，地球物理学报，2002，45(2)：198-208
20．党亚民，陈俊勇．利用GPS资料分析南天山地区的地壳形变特征[J]．测绘科学，2002，
21．党亚民，陈俊勇，刘经南，等．利用国家A级网资料对中国大陆现今水平形变场的初步分析[J]．测绘学报．1998
22．党亚民，李毓麟，R．W．King．川滇GPS地壳形变监测网的观测与数据处理[J]，地壳形变与地震，1996，16(4)：31-35
23．张飞鹏，董大南，程宗颐，等．GPS高程导出的全球高程振荡运动季节变化[J]，科学通报，2002，47(18)：1370-1377
24．孙付平，宁津生，晁定波．冰期后地壳回弹运动的空间大地测量检测[J]，测绘学报，1997，26(4)：284-288
25．马宗晋，宋晓东，杜品仁，傅容珊，等．地球南北半球的非对称性[J]，地球物理学报，2002，45(1)：26-32
26．刘经南，姚宜斌，施闯，等．中国大陆现今垂直形变特征的初步探讨[J]，大地测量与地球动力学，2002，22(3)：1-5
27．顾国华．基准站GPS连续观测得到的垂直位移时间序列[J]，地震地质，2005，27(2)：231-239
28．顾国华．GPS观测得到的中国大陆地壳垂直运动[J]，地震，2005，25(3)：1-7
29．王敏，沈正康，牛之俊，等．现今中国大陆地壳运动与活动块体模型[J]，中国科学，2003，33(增刊)：21-25
30．黄立人，王敏．中国大陆现今地壳水平运动[J]，地震学报，2000，22(3)：257-262
31．刘经南，许才军，宋成骅，等．青藏高原1993年和1995年地壳运动与形变的GPS监测结果分析[J]，科学通报，2000，1-2
32．蒋志浩，张鹏，秘金钟．中国新疆及其天山地区地壳运动特征分析[J]．武汉大学学报信息科学版，2003，28(特刊)：142-145
33. Jianxin Li1, Kaoru Miyashital, Teruyuki Kato2, and Shinichi Miyazaki3. GPS time series modeling by autoregressive moving average method: Application to the crustal deformation in central Japan[J], Earth Planets Space, 2000, 52:155-162
34. H. Schuh, G. Estermann. Investigation of Hydrological and Atmospheric Loading by Space Geodetic Techniques[J], International Association of Geodesy Symposia, 2003, 126: 123-131
35. Yosuke Aoki, Christopher H. Scholz. Vertical deformation of the Japanese islands,1996-1999[J], Journal of Geophysical research, 2003, 108(B5): ETG10-1—ETG10-12
36. Dong D, Fang P, Bock Y, et al. Anatomy of apparent seasonal variations from GPS derived site position time series[J], 2002, 107 (B4) : ETG9-1--ETG9-16
37. Geoffrey Blewitt, David Lavallee. Effect of annual signals on geodetic velocity[J], Journal of Geophysical research, 2002, 107(B7): ETG9-1--ETG9-10
38. Onur Lenk, Ali Turkezer, Semih Erginatav. Monitoring the Kinematics of Anatolia using Permanent GPS Network Stations[J], Turkish Journal of Earth Science, 2003, 12:55-65
39. Hans-Georg Scherneck, Jan M. Johansson, Martin Vermeer. 3-D crustal deformation rates derived from GPS confirm postglacial rebound in Fennoscandia[J], Earth Planets Space, 2001, 53:703-708
40. Markku Poutanen, Hannu Koivula, Matti Ollikainen. On the periodicity of GPS time series[J], IAG 2001 Scientific Assembly, 2-7 September 2001, Budapest, Hungary
41. Shfaqat Abbas Khan. Surface deformations analyzed using GPS time series[M], Danish National Space Center, 2005
42. Richard Bingley, Alan Dodson, Nigel Penna. Monitoring the vertical land movement component of changes in mean sea level using GPS [J], Jourmal of Geospatial Engineering, 3(1): 9-20
43. M. Benavent, J. Arnoso, F.G. Montesinos. Computation of surface displacements, tilt and gravity variations due to ocean tide loading [J], Fisica de la Tierra, 2005, 17:97-112
44. Saeed V. Vaseghi. Advanced digital signal processing and Noise Reduction[M], John Wiley & Sons Ltd, 2000
45. Paul Tregoning. Plate kinematics in the westem Pacific derived from geodetic observations [J], Journal of Geophysical Research, 2002, 107(B1): ECV7-1--ECV7-8
2．陈鑫连．GPS卫星定位在地震监测与地壳运动中的应用[M]，地震分析预报高级培训教材，1998
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37. Geoffrey Blewitt, David Lavallee. Effect of annual signals on geodetic velocity[J], Journal of Geophysical research, 2002, 107(B7): ETG9-1--ETG9-10
38. Onur Lenk, Ali Turkezer, Semih Erginatav. Monitoring the Kinematics of Anatolia using Permanent GPS Network Stations[J], Turkish Journal of Earth Science, 2003, 12:55-65
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41. Shfaqat Abbas Khan. Surface deformations analyzed using GPS time series[M], Danish National Space Center, 2005
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43. M. Benavent, J. Arnoso, F.G. Montesinos. Computation of surface displacements, tilt and gravity variations due to ocean tide loading [J], Fisica de la Tierra, 2005, 17:97-112
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