近日，中国科学院上海天文台研究员金双根研究员带领的卫星导航遥感研究团队，结合全球导航卫星系统（GNSS）观测位移，开展地表载荷季节信号空间大地测量研究重力场恢复与气候 重力恢复和气候实验（GRACE）利用时变重力提取典型的表面载荷信号，例如陆地水文和积雪，并探索地球物理应用。 研究结果表明，空间大地测量为研究地表载荷及其引起的地壳运动提供了有效方法，对监测洪涝、干旱等灾害具有重要意义。 相关研究成果于7月24日发表在《卫星导航》上。

此前，大多数大地测量科学家认为，地表载荷引起的位移是干扰构造运动信号的噪声。 20世纪90年代，大地测量学家开始利用密集的连续GNSS网络观测并获取高精度、高空间分辨率的地壳运动数据，发现长期构造运动存在明显的季节信号。 这一季节性信号逐渐引起关注。 例如，通过分析日本东北部的GNSS数据，研究人员发现本州东北部主要山脉的东侧和西侧在冬季分别表现出东西向的地壳缩短和伸展，并进一步认为这种现象源于雪荷载位于山脉西侧[1]。 2002年，GRACE卫星发射升空，使人们能够从太空直接观测到地球上的质量异常现象。 GRACE和GNSS观测数据的综合分析为研究人员开展表面载荷研究提供了有力支持。

为了探索GNSS时间序列的有用信号和新应用，中国科学院上海天文台金双根研究员领导的研究小组通过分析GNSS观测到的地表位移和质量，研究了季节（周期）和季节内地壳运动。结合GRACE得到的异常，得到地球的动态扁率变化[2]、全球时变重力场[3]、美国西南部的极端干旱[4]和暴雨的水负荷[5] 。 通过综合分析GNSS和GRACE观测数据，研究团队发现了南美洲北部GNSS观测站的位移以及GRACE获得的质量异常（图1）。 这些结果显示了赤道附近陆地水文水负荷的季节性变化，其特点是雨季和旱季交替。 更值得注意的是，水平和垂直位移的空间分布存在显着差异——最大垂直位移位于荷载中心，而水平位移最大位于荷载边缘。 该结果表明，水平运动反映了观测点对周围载荷响应的方位不对称性，而不是由该点的载荷引起的。 这项研究的另一组结果表明，日本北部北海道的雪荷载导致了地表位移。 积雪具有显着的年际变化（图2a、b），季节性地壳运动幅度（图2c、d）清晰。 反映这一变化。

研究团队认为，GNSS和GRACE观测到的位移和质量异常可以提供互补的季节变化信息（陆地水文负荷信号结果如图1所示）。 这篇研究论文的作者之一、中国科学院上海天文台客座教授和日本北海道大学Kosuke Heki教授表示，由于两种技术的空间分辨率不同，当表面载荷为由复杂的小尺度异常组成，其位移和质量异常往往会不一致，这将是未来地表载荷大地测量研究的重要方向之一。 论文另一作者、中国科学院上海天文台研究员金双根表示，研究团队已掌握利用全球GNSS等数据估算月全球时变重力场和高时空分辨率位移场的方法。观察。 这些空间大地测量技术对于监测洪水、干旱等灾害具有重要意义。

该研究得到了中科院“国际人才计划”和中科院战略科技先导工程的支持。

图 1. 南美洲北部的 (a) 水平和 (b) 垂直平均位移 (GNSS) 和质量异常 (GRACE)。 亚马逊盆地中部NAUS站的水平和垂直位移时间序列变化表现出明显的年周期和半年周期(d)。 2015-2016年厄尔尼诺(c)期间，由于降雨量较小，垂直位移较其他年份较大。

图 2. 日本北部北海道积雪引起的季节性地壳运动。 （a）2020年、2021年和2022年冬季北海道垂直位移（向下为正），（b）4个自动气象数据采集系统采集的积雪深度曲线，（c）西北沿海站（0008）相对于水平位移参考站（0015）时间序列曲线，（d）深雪区测量站（0110）垂直位移（向下为正）时间序列曲线。

论文链接：

参考：

[1] Heki, K. (2001)。 由雪荷载驱动的日本东北部震间应变累积的季节性调制。 科学，293, 89-92。

[2]金SG和张XG（2012）。 根据 GPS、OBP 和 GRACE 估计的地球动态扁率的变化和地球物理激励。 下巴。 科学。 公报，57(36)，3484-3492，doi：10.1360/972011-1934。

[3] 张X.，金SG，&卢，。

[4]金SG和张TY（2016）。 根据 GPS 观测得出与美国西南部干旱相关的陆地储水异常。 幸存者。 地球物理学，37(6)，1139-1156，doi：10.1007/s10712-016-9385-z。

[5] Heki, K. 和 Arief, S. (2022)。 2017-2020 年日本西南部暴雨的地壳响应。 地球行星。 科学。 快报，578, 117325，doi: 10.1016/j.epsl.2021.117325 。

科学联系人：金双根，中国科学院上海天文台，sgjin@shao.ac.cn