地壳结构对GRACE估算中国大陆地表垂直负荷形变的影响*
贾路路1,2, 相龙伟2,3, 汪汉胜2
1. 地壳运动监测工程研究中心, 北京 100036
2. 中国科学院测量与地球物理研究所大地测量与地球动力学国家重点实验室, 湖北武汉 430077
3. 中国科学院大学, 北京 100049

作者简介:贾路路(1984-),男,山东德州人,助理研究员,主要从事时变重力场信号处理和地球物理解释的研究.E-mail:lljia@neis.gov.cn

摘要

根据重力卫星GRACE(Gravity Recovery and Climate Experiment)估算固体地表垂直负荷形变时通常采用的PREM (Preliminary Reference Earth Model) 地球模型不能较好地反映中国大陆特别是青藏高原巨厚的地壳结构。基于考虑中国大陆区域地壳结构的地球模型计算了新的负荷勒夫数,探讨了地壳结构差异对GRACE卫星RL05观测数据估算中国大陆地表垂直负荷形变的影响。结果表明,区域地壳结构差异对GRACE估算中国大陆地表负荷形变的影响较为明显,90阶垂直位移负荷勒夫数的相对差异接近11%;前90阶垂直负荷形变差异的极值出现在青藏高原东南部,最大相对差异达到10%左右,均方根相对差异为4%。建议利用GRACE卫星RL05数据估算中国大陆地表垂直负荷形变时,应该使用更加趋于真实的区域地壳结构替代PREM模型的相应部分。

关键词: 卫星重力; 地表质量负荷; 垂直形变; 区域地壳结构; 中国大陆
中图分类号:P312.1 文献标志码:A 文章编号:1001-8166(2014)07-0828-07
Effects of Crustal Structure for Estimation of Vertical Load Deformation on the Solid Earth Using GRACE in China Mainland
Jia Lulu1,2, Xiang Longwei2,3, Wang Hansheng2
1. National Earthquake Infrastructure Service, Beijing 100036, China
2. State Key Laboratory of Geodesy and Earth’s Dynamics, Institute of Geodesy and Geophysics, Chinese Academy of Sciences, Wuhan 430077, China
3. University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China
Abstract

When the inversion of vertical load deformation on Earth’s surface using GRACE (Gravity Recovery and Climate Experiment) data, the load Love numbers based on PREM (Preliminary Reference Earth Model) are commonly used. But the crustal structure under China mainland especially under Tibet Plateau is quite different from that given by PREM Earth model. New load Love numbers were calculated based on a modified Earth model which accounted for regional crustal structure in China mainland. And the effect of regional crustal structure in China mainland for estimation of vertical load deformation on Earth’s surface using GRACE RL05 data was investigated in this paper. It is found that the effect of crustal difference is very prominent. The relative difference of load Love numbers for vertical deformation can reach about 11% at degree 90. The extreme value of difference in vertical load deformation below 90 degree of spherical harmonic coefficients located at the southeastern Tibet Plateau and the maximum relative difference reaches 10%. The relative difference of the root mean square is about 4%. It is suggesting that an Earth model with a more realistic crustal structue instead of PREM should be used for the estimation of vertical load deformation in China mainland espacially in Tibet Plateau.

Keyword: Satellite gravity; Solid Earth mass loading; Vertical deformation; Regional crustal structure; China mainland.
1 引 言

研究地表质量变化驱动的垂直形变及其变化可了解大气、海洋和陆地水等地表质量运动和相互作用等信息,对全球气候变化和地球动力学研究具有重要的意义。地表质量负荷变化不仅会引起地球重力场的变化,还会引起固体地球的垂直形变。这种弹性形变特别是陆地水储量的变化(含冰雪)所引起的周年地表垂直形变可达数厘米[ 1],能够被地面观测(GPS等技术)相应地监测到[ 2, 3]

重力卫星GRACE(Gravity Recovery and Climate Experiment)[ 4, 5]自发射以来已对全球重力场变化进行了十余年的连续观测。由于其数据的高精度和高时空分辨率全球覆盖,GRACE时变重力数据被广泛的应用于陆地水变化[ 6, 7]、极地冰盖质量变化[ 8, 9, 10]等方面的研究。而根据弹性负荷理论[ 11],由GRACE时变重力数据不仅能够得到地表质量负荷变化引起的重力场变化,也能够估算地表负荷变化所引起的地表垂直形变[ 12]

在目前利用重力卫星GRACE估算地表垂直负荷形变的计算中[ 13, 14, 15],一般采用基于PREM(Preliminary Reference Earth Model)地球模型[ 16]得到的负荷勒夫数[ 11, 17], 但该模型使用的是全球平均的弹性结构参数(密度、P波速度、S波速度等),不能很好地反映中国大陆特别是青藏高原巨厚的地壳结构。而根据Wang等[ 18]利用水文模拟数据的研究,区域地壳结构对GPS估算地表质量负荷的影响不容忽视。

为了研究区域地壳弹性结构的差异对GRACE观测数据估算中国大陆地表垂直负荷形变的影响,本文首先基于考虑中国大陆地壳结构的M-PREM模型计算得到了新的负荷勒夫数,然后将该负荷勒夫数用于GRACE卫星RL05数据估算中国大陆地表垂直负荷形变,用来与PREM模型相应的结果做对比分析。

2 地球模型和负荷勒夫数

在计算负荷勒夫数时所使用的地球模型通常为PREM模型,其弹性结构参数是全球平均的结果。然而,中国大陆尤其是青藏高原地区具有世界上最厚的地壳结构,PREM模型及由此模型计算的负荷勒夫数不能较好的反应该地区的特性。

Laske等[ 19]发展的Crust2.0地壳模型给出的地壳弹性结构在深度方向有更高的分辨率、更加接近于真实,该模型与PREM的全球平均地壳结构有着明显的差异。为了探讨地壳结构差异对GRACE估算中国大陆地壳垂直负荷形变的影响,我们基于PREM模型和Crust2.0地壳模型构造了改进的地球模型:M-PREM,该模型在地壳以下使用了PREM给出的物理参数,而地壳弹性结构则使用了Crust2.0在中国大陆的参数平均值替代PREM模型的相应部分,具体参数差异如图1所示。这样我们就在PREM模型的基础上对中国大陆地壳结构进行了精化,特别是对浅层地壳部分做了细分,所得改进的地球模型M-PREM能够更好的反映中国大陆区域地壳结构,而不是全球范围内的平均;进而根据M-PERM模型研究中国大陆地壳垂直负荷形变也更为合理,所得结果更能反映中国区域的实际值。然后分别基于M-PREM和PREM 2个地壳结构不同的地球模型,我们计算了负荷勒夫数 h l k l,具体方法可参见相关文献[ 20],其中 h l是与垂直位移有关的负荷勒夫数,而 k l是和重力变化有关的负荷勒夫数。

图1 M-PREM和PREM地球模型参数差异Fig.1 The difference of parameters from M-PREM and PREM

由于现阶段GRACE重力卫星RL05数据的最高阶数为90,所以本文关注的是地壳结构差异对前90阶垂直负荷勒夫数的影响。图2显示了基于上述不同地球模型所得到的垂直负荷勒夫数 h l及其相对差异。图2a中,实线表示的是基于M-PREM模型的垂直负荷勒夫数,而虚线表示基于PREM模型的相应结果。可以看到基于M-PREM的 h l值在前90阶都要比PREM的结果大。这是由于M-PREM模型中地壳结构的密度、P波速度以及S波速度都要比PREM模型的小一些,进而M-PREM模型相应的弹性Lame常数也比PREM模型的要小[ 18]

图2 (a)基于M-PREM和PREM地球模型的负荷勒夫数及(b)相对差异Fig.2 (a) Values of load Love numbers based on M-PREM and PREM earth model and (b) the relative difference

图2b显示了基于上述两个不同地球模型所得的垂直负荷勒夫数 h l的相对差异。由图2b可知,垂直负荷勒夫数的相对差异在前90阶呈现上升趋势,阶数越高相对差异越大;60阶的相对差异约为8%,而90阶的差异则非常接近11%。这可能会对GRACE估算中国大陆地表垂直负荷形变产生较大的影响。

3 GRACE数据及估算地表垂直负荷形变

本文使用德国地学中心(German Research Centre for Geosciences,GFZ)发布的GRACE卫星2003年1月至2012年12月时段10年共115个月(缺失5个月)的RL05数据,其球谐截断阶数为90阶,该数据主要反映了陆地水变化的信号。虽然RL05数据较之前的RL04数据在空间分辨率和精度上都有所提高,“条带”误差明显减小[ 21],但还需要数据后处理来提高信噪比以满足研究需要。首先将每月重力场系数扣除观测时段的均值,然后采用Chambers提出的P3M10方法[ 22]对扣除均值的GRACE重力场系数进行去相关处理,最后利用对真实信号影响较小[ 23]的高斯滤波[ 24]对去相关后的系数进行空间平滑,用以压制重力卫星观测数据的高阶误差。

根据GRACE观测的时变重力场球谐系数,可由以下公式计算地表质量驱动的垂直负荷形变[ 1],具体推导过程可参见相关文献[ 25]

(1)

式中: a为地球平均半径; 为余纬和经度; l,m为球谐系数的阶次,最高阶数 lmax=90; W l为高斯滤波系数,鉴于RL05数据质量的提高,本文采用了较小的滤波半径150km; 为扣除均值之后的月重力场系数; 为正则化勒让德函数; h l k l为负荷勒夫数。

根据公式(1),分别采用基于考虑中国大陆地壳结构的M-PREM模型以及PREM模型所得不同的负荷勒夫数估算垂直负荷形变,其差异就反映了地壳结构差异对GRACE估算中国大陆地表垂直负荷形变的影响。这里定义 ,地壳结构差异对估算垂直负荷形变的影响通过该因子直接反映出来。图3显示了基于M-PREM模型和PREM模型所得因子 B l的值以及它们的相对差异。由图3a可知,基于M-PREM模型得到的 B l值在前90阶要比PREM模型所得的结果大,这说明考虑中国大陆地壳结构的M-PREM模型更易产生垂直负荷形变;与垂直负荷勒夫数的 h l差异相一致,2个模型所得 B l值的相对差异也随着阶数的增长而增大,90阶的相对差异已约达到11%。

图3 (a)基于M-PREM和PREM地球模型的因子 B l值及(b)相对差异Fig.3 (a) Values of B l based on M-PREM and PREM Earth model and (b) the relative difference

4 结果与分析

根据公式(1)计算了中国大陆1°×1°垂直负荷形变时间序列,扣除周年变化、半年变化以及161天变化等周期项后,就可得到GRACE估算的前90阶的垂直负荷形变线性速率分布。

图4显示了基于M-PREM模型GRACE估算的中国大陆垂直负荷形变线性速率。根据弹性负荷理论,图4中的垂直负荷形变速率正值表示在观测时段(2003—2012年)地表质量呈减少趋势,而负值则表示地表质量呈增加趋势。GRACE观测的中国大陆地表负荷形变的线性速率,主要反映了气候驱动和人为因素影响下的地表质量的分布状态。GRACE垂直负荷形变速率大小分布因地而异,总体来说,中国北方的垂直速率一般较小,而南方垂直速率较大,最大的正速率位于雅鲁藏布江-澜沧江流域,大约达到0.95mm/a,很大程度上反映了中国大陆南北方的气候差异。 除了降水等自然因素的影响[ 26],人为因素也会对地表质量分布产生很大的影响,从而造成地表垂直负荷形变速率的变化。例如华北地区地下水抽取、煤矿开采等因素都会造成该地区地表质量流失[ 27, 28],在图4中表现为明显的垂直形变正速率;而三峡水库的蓄水[ 6, 29]则造成该地区垂直负荷形变负异常。

图4 基于M-PREM模型的垂直负荷形变线性趋势Fig.4 Linear trend of vertical load deformation based on M-PREM

如前所述,为了探讨区域地壳结构对GRACE估算中国大陆地表垂直负荷形变的影响,本文也采用PREM模型的负荷勒夫数计算了研究区的垂直负荷形变速率;比较M-PREM模型结果和PREM模型结果的差异,就可以分析地壳结构差异对估算结果的影响。

对于基于PREM模型估算的垂直负荷形变速率,限于篇幅本文不再图示。我们直接给出了基于2种不同地壳结构模型估算垂直负荷形变的差异。通过图5可以看到,2种模型估算结果的差异较大,最大差异位于青藏高原东南部的雅鲁藏布江流域,幅值约达到0.09mm/a,这对于估算的结果(图4所示,幅值约为0.95mm/a)而言是非常明显的,最大相对差异接近10%;而根据Wahr等[ 30]的类似评估方法,我们估算了GRACE监测中国大陆地表垂直负荷形变速率的误差,其最大值约为0.06mm/a,该值要小于2个模型所得结果差异的最大值;地壳结构产生的差异和图4所示的估算结果有明显的相关性,M-PERM模型估算结果的幅值要比PREM模型的大,说明考虑中国大陆区域地壳结构的M-PREM模型较全球平均的PREM模型更易产生垂直负荷形变;为了定量描述差异的大小,本文统计了M-PREM模型和PREM模型估算结果的均方根,分别为0.52mm/a和0.50mm/a,可以得到两个模型前90阶的估算结果在中国大陆的相对差异达到4%。

图5 不同地壳结构估算垂直负荷形变的差异Fig.5 Difference of inversion of vertical load deformation based on different crustal structure

5 结论

本文利用GRACE卫星RL05的90阶数据探讨中国大陆区域地壳结构差异对估算地表垂直负荷形变的影响。通过比较不同地壳模型的负荷勒夫数可知, M-PREM模型的负荷勒夫数比PREM模型的要大,随着阶数的增大差异越来越大,90阶的相对差异达到11%左右;而对于GRACE估算的地表垂直负荷形变速率,2种模型前90阶结果差异的幅值达到约0.09mm/a,最大相对差异约为10%;2种模型估算结果的均方根的相对差异达到4%。研究表明,在使用GRACE重力卫星RL05的90阶数据估算中国大陆地表垂直负荷形变时,区域地壳结构的影响不容忽视,特别是对将来具有更高精度和分辨率的重力卫星,建议使用类似M-PREM等地壳结构更加趋于真实的地球模型进行估算。

The authors have declared that no competing interests exist.

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