南极中山站的海潮负荷位移改正

杨 崴，王泽民

（1．广州市城市规划勘测设计研究院,广东 广州510060；2.武汉大学 中国南极测绘研究中心,湖北 武汉 430079）

南极中山站的海潮负荷位移改正

杨 崴1，王泽民2

（1．广州市城市规划勘测设计研究院,广东 广州510060；2.武汉大学 中国南极测绘研究中心,湖北 武汉 430079）

利用5种全球海潮模型，采用积分格林函数的方法计算了海洋潮汐负荷对中山站GPS测站的影响；并利用GAMIT软件对中山站2006年060～090的GPS数据进行了处理，分析了海潮负荷对GPS基线向量的影响。结果显示，海潮负荷对中山站GPS观测的影响是不可忽视的，联合利用中山站附近的海潮资料和全球海潮资料对于中山站GPS测量的海潮负荷位移改正意义重大。

全球定位系统；海潮模型；GAMIT；格林函数

1 海潮负荷改正

要对地面点的精密测定进行有效的地潮改正, 必须计算海洋负荷潮汐所引起的测站在垂线和水平方向的位移。一般来说, 全球海潮对近海测站的影响能达到80%以上，且近海海潮对全球海潮模型的偏离是不可忽视的,海潮负荷现象是固体地球对海潮运动特征的响应[1]。海潮负荷的研究不同于海潮或固体潮，由于海潮负荷是海潮对固体地球的影响，而固体潮和海潮都是日月引力作用的结果，因此海潮负荷和固体潮具有相同的频率特征，不能通过滤波方法直接从固体潮观测资料中将海潮负荷的影响分离出来。Farrell提出用海潮和负荷格林函数的褶积积分求得负荷效应[2]。

潮汐模型中最复杂的是海潮部分，其模型改正直接在GPS数据处理软件中完成非常困难。GAMIT采用的方法是直接从文件station．oct中读取或通过全球范围的栅格表grid．oct内插得到测站分潮波的振幅和相位即海潮系数。随GAMIT软件包发布的station．oct文件包含了全球465个跟踪站（GPS/SLR/VLBI）的海潮系数，主要是通过CRS4．0全球海潮模型得到，个别站也辅以CRS3．0或其他模型。但一些实际的数据处理结果表明，直接利用随GAMIT软件包发布的station．oct对沿海的测站进行海潮改正的效果并不理想，这可能是由海潮模型及 station．oct文件中跟踪站分布的局限性造成的[3]。本文利用5个海潮模型计算了海洋潮汐负荷对中山站GPS测站的影响，然后利用GAMIT软件对中山站一个月的GPS数据进行了处理，分析了海潮对基线向量测定的影响[4]。

2 计算方法

海洋负荷潮对GPS测站的位移改正，在垂直和水平分量的影响可用海潮潮高与格林函数的褶积积分来表示：

式中，ρ是海水密度；（φ，λ）和（φ′，λ′）分别为测站和负荷点的球坐标；A、θ为测站到负荷点的方位角和极距；ds′为负荷面元；H为瞬时潮高；G为格林函数。其中，

式中，Δγ、Δφ、Δλ分别为海潮负荷引起的测站垂直方向、南北方向和东西方向的改正。垂直和水平方向的格林函数G可改写为：

式中，k为引力常数；R为地球半径；g为重力常数。测站和负荷点的球坐标有下列关系：

一般可将瞬时潮高展开为若干调和分潮潮高的总和，即式中，ζP、δP、ωP、χP分别为负荷点（φ′，λ′）P波的振幅、初相、辐角和角频率；t为世界时；N为分潮总数。

海洋负荷潮改正L（φ, λ, t）可表示为：

这里，

各分潮参数具有如下关系：

海洋负荷潮位移改正实质上就是对式（8）作褶积积分。通过积分求出每个分潮潮波在测站（φ, λ）处的振幅LP（φ, λ）和相位δP，就可方便地计算该测站处的海潮位移改正[5]。

3 计算结果

根据上述关系，本文计算了不同海潮模型下中山站的海潮负荷对位移场观测的影响。采用了5个全球海潮模型和标准地球模型的格林函数，计算的程序NLOADF由Agnew[6]提供，其结果见表1。

表1 中山站的海潮位移改正表

表1给出了南极中山站由于海潮负荷而产生的位移效应，计算了5个全球海潮模型8个主波的影响[7]。位移负荷的量级为mm，M2、S2、K1、O1波的影响较大，N2、K2、P1、Q1波的影响较小。对于东西分量，除了TPXO70海潮模型的位移负荷K1波的影响最大（1．383 mm）外，其他的海潮模型（Schwiderski、Csr4．0、Fes952和NAO99）的位移负荷都是O1波的影响最大，分别是Schwiderski 1．207 mm，Csr4．0 1．171 mm，Fes952 1．399 mm，NAO99 1．333 mm；对于南北分量，M2波影响最大，K2波影响最小；垂直分量比东西和南北分量都要大，有的快要达到1 cm，一般至少是东西和南北分量的2倍，甚至更大，K1和O1波的影响差不多，是最大的，K2波的影响最小。

对南极中山站和戴维斯站2006年3月份30 d的GPS观测数据采用了3种处理方案，计算了基线ZHONGSHAN一DAVIS加入海潮改正基线分量的变化，其中图1和图2分别为加入CSR4． 0模型的海潮位移改正和加入TPXO7．0海潮模型的海潮位移改正与不加海潮位移改正所得到结果的差值，图3为加入2种不同海潮模型所得结果的差值。由于3种方案的区别仅在于海潮位移改正上，所以图1和图2反映了海潮位移改正对基线分量的影响，图3则反映了由于采用2种不同海潮模型的海潮位移改正对ZHONGSHAN一DAVIS基线分量影响的差异。

图1 加入CSR4. 0模型的海潮位移改正

图2 加入TPXO7.0海潮模型的海潮位移改正

前2种情况下海潮改正对基线ZHONGSHAN一DAVIS的N、E分量的影响大约为±1 mm，而对U分量的影响却达到近±6 mm，约为N、E分量的6倍，可见海潮对基线的影响同对测站的影响一样都主要体现在U方向上。图3表示了由于采用不同的海潮模型所引起的海潮改正的差异，在N、E方向上±0． 4 mm左右，在U方向上±2 mm左右。也就是说，由于采用不同的模型所引起的误差最大值可达±2 mm，约占海潮对基线分量最大影响的33%。而TPXO7．0海潮模型加入了南极部分地区的区域海潮数据，相比CSR4． 0海潮模型精确度要差一些，因此，有必要加入中山站附近的海潮资料。

由于海潮是有周期性的，海潮对基线的影响也有较强的周期性，在图1～图3中可很明显地看出这种周期性，特别是在U方向上，其周期约为0．5月。

通过以上分析可知，海潮对ZHONGSHAN一DAVIS基线分量具有一定的影响，在中山站高精度GPS定位中特别是用GPS监测陆海垂直运动和冰川运动时，海潮的这种影响不容忽视，应加入海潮改正并合理选择海潮模型，有条件的情况下还应顾及中山站附近的海潮资料。同时，由于海潮具有周期性，因此通过长时间的连续观测可削弱海潮的影响，但对于短时间的观测，这种影响还是不能很好地被削弱。

[1] 孙和平,周江存．中国地壳运动观测网络基准站倾重力场变化的海潮负荷信号改正问题[J]．地球科学进展,2002, 17(1):39-43

[2] 方俊．固体潮[M]．北京:科学出版社,1984

[3] 王志强．高精度GPS测量中的海潮问题[D]． 北京：中国科学院研究生院,2002

[4] 王志强．李军．GAMIT使用指南[J]．全球定位系统，2002(2):36-39

[5] 许厚泽，毛伟建．不同地球模型对负荷潮汐改正的影响[J]．地球物理学报，1985,28(3):282-290

[6] Agnew D C． A Program for Computing Ocean Tide Loading[J]．J Geophys Res, 1997,102(B3):5 109-5 110

[7] 顾震年，金文敬，王宝卫．海潮模型的比较及海潮对地球自转变化的影响[J]．天文学进展，1999,17(2):126-135

P223.0

B

1672-4623（2014）01-0131-03

10.11709/j.issn.1672-4623.2014.01.045

杨崴，硕士，工程师，研究方向为GPS数据处理。

2013-03-29。

项目来源：国家自然科学基金资助项目（41174029、41204028）；中国极地战略研究基金资助项目（20110205）；国家海洋局极地科学重点实验室开放研究基金资助项目（KP201201）。