1.1研究的目的及意义
近年来，在IGS的支持和推动下，GNSS连续运行参考站在南北半球的布设逐渐增加，随着全球 IGS基准站观测数据的不断累积和GNSS定位精度的不断提高，为研究经典大地测量学、地球动力学以及地学新领域（如板块构造运动、全球海平面变化、冰后回弹、地表流体质量变迁以及地心监测等）提供了充足的基础数据 准确而真实的站点速度及其不确定度估计是上述领域研究和分析的必要前提。受观测环境变化、地球物理效应以及观测技术系统误差等因素的影响，除线性变化之外 GNSS 坐标时间序列还呈现出的非线性变化，特别是垂直方向尤为明显。
GNSS 坐标非线性变化的存在不仅会干扰测站速度的精确解算，还会导致参考框架转换参数的扭曲，继而将误差传递给测站造成测站坐标的失真。因此，在利用 GNSS 坐标时间序列进行地球参考框架的构建以及相关的地学研究时，不可忽略其非线性变化的影响。 造成测站非线性运动的诱因大致可分为以下三类：第一类为地球自转和日、月引潮力，主要包括极潮、固体潮以及海潮等，根据国际地球自转服务（IERS）规范提供的模型，全球 IGS 分析中心已对极潮、固体潮和海潮进行了改正。第二类为地表流体质量再分布，主要包括大气负载、非潮汐海洋负载以及水文负载等，但其尚未被正式纳入全球 IGS 分析中心的数据结算策略中，因此这部分地球物理信号仍保留在 GNSS 坐标时间序列中。第三类为 GNSS观测技术系统误差（简称GNSS系统误差），主要包括卫星轨道误差、高阶电离层延迟以及多路径效应等。由此可见，地球物理效应和 GNSS 系统误差是引起测站坐标非线性变化的主要来源。
随着全球质量负载模型的不断完善和时空分辨率的不断提高，在此基础上采用格林函数或球谐函数模拟地表质量负载形变并用于修正站点坐标受到广泛关注，已成为当前地学研究的一个新领域。然而，受气象和水文参数精度以及地球物理模型缺陷的限制，地表质量负载形变模拟的可行性和可靠性有待进一步证实，如何精确模拟地表质量负载形变，尤其是水文负载引起的地壳形变仍是地学领域的一个热点和难点。
1.2国内外研究综述
GRACE时变重力场在区域水负荷形变监测方面取得重要进展，特别是典型的华北地区，大量的研究结果揭示了不同深度含水层的地下水减少对地面产生的形变影响，此问题已引发国内学者高度关注。此外，对于区域GIA效应、气候变化引起的固体地球负荷形变等方面，GRACE均可实现有效监测。比如南格陵兰岛冰盖消融引起的地面回弹、云南地区大幅降水导致的地表位移、以及LaNina事件与水循环引起澳大利亚大陆的弹性形变等。
在验证GRACE反演结果可靠性方面，多数研究采用GNSS形变位移进行验证分析，通过分析发现，GRACE监测的陆地水负荷形变主要表现为垂直方向的形变特征。Davis早在2004年发现亚马逊流域水负荷变化引起的地表垂直形变与GNSS径向负荷形变时间序列之间具有很好的一致性。 但这种一致性在水质量变化幅度较小的区域效果较差。分析其原因，Van Dam等发现二者的不一致性主要源于GNSS数据处理模型的不准确，导致了虚假周期信号包含其中。在此基础上，Tregoning 等利用改进的数据处理模型和相应方法对GNSS数据进行了优化处理，发现二者相关性得到明显的改善。除了陆地水质量分布之外，地表温度变化是影响地表周年变化的另一重要因素，地表温度变化可以引起GNSS台站上安装GNSS天线的地表水泥墩内部温度变化，还可以通过热传导的方式引起GNSS台站基岩温度变化，从而引起GNSS台站垂直位移变化。闫昊明等基于我国地壳运动观测网络中23个GNSS基准站分析了温度变化对GNSS台站垂直位移的影响，揭示其影响的周年振幅最大值为2.8 mm。谭伟杰等利用全球温度变化数据，基于三维全空间热弹性形变模型，计算温度变化在中国大陆引起的地表热弹性形变，结果表明，温度变化引起的地表周年变化振幅在毫米量级。贾路路等探讨了热膨胀效应对GNSS垂直位移的影响，揭示了中国大陆50%以上的GNSS台站热膨胀垂直形变周年振幅不小于1mm，其结果表明了热膨胀效应可以解释6.2%的GNSS与GRACE垂直形变的差异，热膨胀效应改正可使GNSS和GRACE垂直形变的一致性相对增加11.2%。
然而，GRACE监测的地表负荷形变中并不含有温度影响，其空间分辨率还不足以精细反映水质量迁移引起的地壳负荷形变中的局部高频信号，这都增加了与GNSS监测之间的差异性。但随着数据处理方法的不断精化，二者之间的差异在不断缩小。Pan等使用经验正交函数方法表征了青藏高原五个地区GNSS站点地表形变的空间变化和不同的季节性振荡，并发现这些地表变化与GRACE监测到的相应质量负荷变化高度相关；Liu等利用GNSS和GRACE技术探讨了2009-2013年华北地区地下水位变化引起地表高程方向的季节性和线性趋势；Wang分析了 29 个连续GNSS时间序列和GRACE数据监测的华北地区地表负荷季节性位移，结果显示GNSS和GRACE垂直位移分量之间具有强相关特性；Zhang利用35个CGNSS台站2.5~19年时间序列估算了位于喜马拉雅南部尼泊尔的地表垂直变形速率，并将GNSS与GRACE监测结果进行了一致性比较；Wang基于尺度因子法约束GRACE监测的格陵兰南部地表垂直负荷形变，与GNSS观测时序吻合较好；贾璐璐等联合了GRACE、GNSS和绝对重力数据在顾及GIA冰川均衡调整影响下，监测了纳维亚半岛陆地水储量变化，研究结果与WGHM水文模型的结果有较好的一致性；丁一航等利用四川地区59个CORS站高程方向观测序列与GRACE结果对比分析，发现虽然二者存在明显相位差，但振幅大小整体相符；李伟伟等利用南极大陆12个累积观测数据超过3年的GNSS跟踪站监测序列，与GRACE估计的径向位移结果进行相关性分析，结果显示两者的相关系数在0.241-0.663之间；陈超等利用青藏高原南部地区GNSS站点近10年的观测资料结合GRACE数据反演该地区地表高程方向负荷位移，发现二者序列存在一定相关性，多数站点的相关系数在0.7左右。
GRACE卫星重力技术被认为是中长波空间尺度上地球流体质量分布及变化探测研究中，最为高效、经济和最具发展潜力的方法之一。随着资料的累积和数据后处理方法的改进，国内外学者开始关注GRACE卫星重力反演结果的意义与解释。2017年GRACE重力卫星结束在轨运行，在运行期间GRACE卫星通过跟踪液态水、冰和固体地球的连续运动，充分揭示了地球重要的物理信息。作为GRACE的后继卫星GRACE-FO于2018年5月发射成功，将延续GRACE的科学计划，有望在水文大地测量学等领域发挥巨大作用。关于GRACE-FO已有的研究成果主要集中在对GRACE-FO时变重力场模型的前期模拟、研制以及测试分析，而未见国内利用最新的GRACE-FO官方时变重力场模型研究地表质量变化的相关文章发表，这可能将成为未来几年学者们研究的热点和重要内容。
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