利用GPS、GRACE数据及降雨观测结果检测埃塞俄比亚地区由水文因素引起的季节性胁迫变化

《Journal of African Earth Sciences》：Detecting Hydrologically Induced Seasonal Stress Variations in Ethiopia from GPS, GRACE, and Rainfall Observations

本研究利用GPS和GRACE数据集（2012-2021），分析埃塞俄比亚水文季节性变形。发现GPS与GRACE在高原地区吻合良好（相关系数>0.8），但在湖泊附近及迪吉布卢特出现差异，可能与局部水文变化及地质活动有关。研究强调了多源数据融合在 rift 环境中评估水文应力的必要性，并指出GERD水库的人为影响需进一步区分。

　　在埃塞俄比亚，水的季节性重新分布对垂直地壳变形（Vertical Crustal Deformation, VCD）产生了显著影响。这一地区以明显的降雨梯度、活跃的裂谷活动以及日益加剧的水资源压力为特征。本研究通过两个独立的数据集，对2012年至2021年间由水文因素引起的地壳变形进行了量化分析：（i）从35个GPS站点获取的每日毫米级位置数据，采用GAMIT/GLOBK全球卡尔曼滤波方法进行处理；（ii）来自GRACE和GRACE-Follow On（GRACE-FO）任务的每月陆地水储量（Terrestrial Water Storage, TWS）异常数据，使用Green函数卷积转换为垂直位移。这些数据的整合为研究水文负载对地壳的影响提供了重要的观测依据。

为了验证水文应力信号，我们首先将GPS和GRACE得出的垂直位移与ADIS站点的本地降雨量记录进行了对比（2012–2020）。GPS位移与降雨量之间的相关性非常强（r = 0.72，无滞后），GRACE-TWS异常数据也显示出与降雨量之间的强烈相关性（r = 0.80），这表明两种大地测量技术都能有效地捕捉到季节性的水文循环。GPS、GRACE和降雨数据在时间上和幅度上的高度一致进一步增强了使用这些互补数据集监测水文引起的地壳变形的信心。

另一方面，GPS和GRACE得出的垂直位移之间的比较揭示了埃塞俄比亚地区显著的空间变化。在北部和西部高地（如Shimsheha、Debark和Asosa）等地，两种数据集显示出高度的一致性，相关性超过0.80，相位滞后低于3周，表明大规模的季节性水文负载是弹性地壳变形的主要驱动因素。相反，在Arba Minch这样的地区，靠近Lake Abaya和Lake Chamo，GPS的幅度是GRACE估计值的五倍，反映出局部湖泊水位变化，这些变化低于GRACE的空间分辨率。在Djibouti，还观察到额外的不匹配现象，这可能是由构造活动和海岸热效应造成的，这些因素掩盖了水文信号。这些空间模式表明，尽管GPS对局部负载效应非常敏感，但GRACE在盆地到区域尺度上的水重新分布方面提供了有力的约束。

在东非裂谷（East African Rift, EAR）中，地壳变形主要由构造扩张控制，但叠加的水文循环可能掩盖或调节构造信号。区分这些重叠的贡献需要综合的大地测量-水文方法。例如，Ahmed等人（2011）结合GRACE数据与传统的水文和遥感数据集，揭示了非洲流域中水分配的空间和时间动态。他们的研究强调了多源数据整合的必要性，以解析盆地尺度的水储量变化，这一框架直接适用于埃塞俄比亚，该地区强烈的季节性水文条件与活跃的构造活动相互交织。

在区域尺度上，Birhanu和Bendick（2015）提供了关于埃塞俄比亚和厄立特里亚由季风驱动的地壳变形的大地测量证据。他们使用连续GPS时间序列（2007–2012），表明强烈的夏季降雨导致高地出现2–5毫米的季节性下沉，随后在旱季部分回弹。他们的分析显示，岩石圈对地表水应力具有弹性响应，其空间变化受地形和降水梯度控制。这项研究为该地区的水文应力研究奠定了基础，但局限于相对较短的五年时间段，并且在GRACE-FO数据和更密集的GPS网络可用之前进行。

在此基础上，本研究将观测时间基准延长至十年（2012–2021），以捕捉季节性和年际的地壳变形。通过将GPS位移与GRACE/GRACE-FO的质量异常数据相结合，我们量化了季节性和年际的变形信号，应用Green函数推断垂直位移，并评估模型与观测之间的一致性。这种方法有助于更好地分离水文、构造和火山因素在埃塞俄比亚地壳动力活跃环境中的影响。

此外，埃塞俄比亚的水文系统中还存在一个日益重要的因素，即位于Asosa附近的格兰德埃塞俄比亚复兴大坝（Grand Ethiopian Renaissance Dam, GERD）。该大坝的蓄水能力超过700亿立方米，代表了对自然水循环的巨大人为干扰。大坝蓄水和调节释放的水沿蓝尼罗河流动，预计将产生局部的水文应力信号，引入季节性和长期的变形成分，这些成分可以通过附近的GPS站点检测到。与自然降雨驱动的循环不同，由GERD引起的水重新分布受大坝运行策略控制，可能放大或抵消季风相关的变形。这突显了在大地测量数据集中区分自然和人为水文贡献的重要性。

通过整合埃塞俄比亚九个GPS站点以及邻近Djibouti一个GPS站点的十年数据，以及GRACE/GRACE-FO的观测数据，本研究提供了迄今为止对埃塞俄比亚高地和裂谷地区水文应力及其对地壳变形影响的最全面评估。除了量化季节性和年际变化外，我们还评估了自然水文循环（降雨、地下水补给和干旱）和人为干预（GERD蓄水）如何共同影响地壳应力的重新分布。这种综合框架有助于加深对裂谷环境中瞬时地壳力学的理解，并为地物理模型、水资源管理和基础设施规划提供有价值的约束。

埃塞俄比亚高地和裂谷地区的地形和地质条件极为复杂，这些区域的地壳变形受到多种因素的影响。高地地区以高海拔（超过2000米）的高原地貌为特征，同时伴随着扩展性裂谷活动和广泛的新生代火山作用。这些地质条件导致了地壳对水文负载的敏感响应，尤其是在季节性降雨变化显著的地区。在这些区域，水的重新分布可能引发地壳的弹性变形，而这种变形在不同的地质结构和地形条件下可能表现出不同的空间特征。

为了更全面地理解这些复杂的地壳变形机制，本研究采用了多种数据集和处理方法。GPS数据提供了高精度的垂直位移信息，而GRACE/GRACE-FO数据则揭示了大尺度的水储量变化。这些数据的结合不仅有助于识别季节性水文负载对地壳的影响，还能够揭示人为活动对水文循环的干扰，从而进一步区分自然和人为因素对地壳变形的贡献。此外，研究还考虑了地形和地质结构对水文负载响应的影响，这为解释不同地区之间地壳变形的空间差异提供了理论依据。

在数据处理方面，本研究采用了一种系统的方法，以确保数据的准确性和可靠性。GPS数据经过卡尔曼滤波处理，以消除噪声并提高定位精度。GRACE/GRACE-FO数据则通过Green函数卷积转换为垂直位移，这种方法能够有效地将质量异常与地壳变形联系起来。通过将这些数据进行对比和分析，我们能够验证其在不同区域和不同时间尺度上的适用性，并评估其在监测水文引起的地壳变形方面的有效性。

研究结果表明，GPS和GRACE数据在捕捉水文引起的地壳变形方面各有优势和局限。GPS数据在局部区域表现出较高的灵敏度，能够检测到微小的垂直位移变化，而GRACE数据则在大尺度范围内提供了更稳定的水储量变化信息。这两种数据集的结合为研究水文负载对地壳的影响提供了有力的支持，同时也揭示了不同区域之间地壳变形的空间差异。例如，在高地地区，GPS和GRACE数据之间的高度一致性表明大规模的水文负载是弹性地壳变形的主要驱动因素，而在湖泊附近的区域，GPS数据的显著幅度则反映了局部水文变化的影响。

此外，研究还考虑了构造活动和海岸热效应对地壳变形的潜在影响。在Djibouti地区，GPS和GRACE数据之间的不匹配可能与这些因素有关，这表明在某些区域，水文信号可能被其他地质过程所掩盖。因此，区分水文、构造和火山因素对地壳变形的贡献对于准确理解地壳动力学至关重要。通过综合分析这些因素，本研究不仅揭示了水文负载对地壳的影响，还为地物理模型和水资源管理提供了重要的参考。

在实际应用中，这些研究结果对于埃塞俄比亚及类似地壳动力活跃、水资源压力较大的地区的水资源管理和基础设施规划具有重要意义。了解季节性水文负载对地壳的影响有助于预测和应对可能的地壳变形，从而为水资源管理提供科学依据。此外，这些研究结果还能够帮助规划者在建设基础设施时考虑地壳变形的潜在影响，以确保工程的安全性和稳定性。

研究还强调了多源数据整合在解析地壳变形机制中的重要性。通过将GPS、GRACE和降雨数据相结合，我们能够更全面地理解水文负载对地壳的影响，并揭示其与构造活动之间的相互作用。这种综合方法不仅提高了研究的准确性，还为未来的研究提供了新的思路和方向。例如，未来的研究可以进一步探索水文负载对地壳变形的长期影响，以及不同地区之间水文负载的差异如何影响地壳变形的模式。

总之，本研究通过整合多种数据集和处理方法，揭示了水文负载对埃塞俄比亚地壳变形的影响。研究结果表明，季节性水文负载是弹性地壳变形的主要驱动因素，而人为活动如GERD蓄水则引入了额外的变形成分。这些发现不仅加深了对地壳动力学的理解，还为水资源管理和基础设施规划提供了重要的参考。通过这些研究，我们能够更好地预测和应对可能的地壳变形，从而为可持续发展和地质灾害预防提供科学支持。