近期，中国科学院上海天文台研究员金双根带领的卫星导航与遥感研究团队，开展了地表负荷季节性信号的空间大地测量研究，综合全球卫星导航系统（Global Navigation Satellite System，GNSS）观测位移和重力场恢复与气候实验（Gravity Recovery and Climate Experiment，GRACE）时变重力，提取了陆地水文和积雪等典型地表负荷信号，并探索了地球物理应用。该研究表明空间大地测量为探讨地表负荷及其引起的地壳运动提供了有效方法，对监测洪涝和干旱等灾害具有重要意义。相关研究成果发表在《卫星导航》（Satellite Navigation）上。此前，多数大地测量科学家认为地表负荷产生的位移是一种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连续GNSS网，观测获取高精度和高空间分辨率的地壳运动数据，从中发现长期构造运动中存在明显的季节性信号。这种季节性信号逐渐引起关注。例如，研究通过分析日本东北部GNSS数据，发现本州东北部主干山脉东西两侧冬季分别表现为东西向的地壳缩短和伸展，并进一步认为该现象源于山脉西侧的雪负荷。2002年，GRACE卫星发射，使得地球上的质量异常可从太空直接观测，而综合分析GRACE和GNSS观测数据，为科学家开展地表负荷研究提供了有力支撑。为了挖掘GNSS时间序列有用信号和新的应用，金双根团队通过分析GNSS观测的地表位移和结合GRACE获得的质量异常，探究了季节性（周期性）和季内地壳运动，获得了地球的动力学扁率变化、全球时变重力场、美国西南地区极度干旱和特大暴雨的水荷载。该团队通过综合分析GNSS和GRACE观测数据发现了南美洲北部GNSS观测站的位移和GRACE得到的质量异常（图1）。这显示了赤道附近以雨季和旱季交替为特征的陆地水文水负荷的季节性变化，且水平位移和垂直位移的空间分布差异显著——最大垂直位移位于负荷中心，而水平位移在负荷边缘处最大。该研究揭示了水平运动反映出观测点对周边负荷响应的方位不对称性，而不是该点的负荷引起。该研究的另一组结果展示了日本北部北海道雪负荷引起的地表位移，积雪量具有显著的年际间变化（图2a、b），且季节性地壳运动的振幅（图2c、d）明确地反映了这一变化。研究表明，由GNSS和GRACE观测得到的位移和质量异常可提供相互补充的季节性变化信息（如图1展示的陆地水文负荷信号结果）。上海天文台访问教授、日本北海道大学教授Kosuke Heki表示，由于两种技术的空间分辨率不同，当地表负荷由复杂的小尺度异常组成时，位移和质量异常往往不一致，这将是未来大地测量学研究地表负荷的重要方向之一。金双根表示，研究团队已掌握了利用全球GNSS等观测估计每月全球时变重力场和高时空分辨率位移场方法。同时，这些空间大地测量技术将对监测洪涝和干旱等灾害具有重要意义。研究工作得到中国科学院国际人才计划和中国科学院战略性先导科技专项的支持。论文链接 
  
 图1. 南美洲北部（a）水平和（b）垂直平均位移（GNSS）与质量异常（GRACE）。亚马逊盆地中部的NAUS站水平和垂直位移时序变化呈现明显的年周期和半年周期（d），2015-2016年厄尔尼诺（c）期间，因降雨较小而使垂直位移大于其他年份。图2. 日本北部北海道积雪负荷引起的季节性地壳运动。（a）2020、2021和2022年冬季北海道垂向位移（向下为正），（b）4种自动气象资料收集系统采集的雪深曲线，（c）西北近海岸测站（0008）相对于参考站（0015）的水平位移时序曲线，（d）深雪区测站（0110）的垂向位移（向下为正）时序曲线。