基于CryoSat-2卫星测高数据的北极海冰厚度变化研究

北极海冰是地球气候系统的重要因子,获取精确的海冰厚度及其变化信息对于开展北极和全球变化研究等有着重要的意义.卫星测高是获取连续、大范围海冰厚度的主要方法之一.冰间水道识别是卫星测高方法估算海冰厚度的关键之一.基于CryoSat-2数据,利用遥感影像对两种主要的冰间水道识别方法进行了对比,发现波形特征法能够更好地识别冰间水道.考虑到雷达信号对海冰表面积雪的不完全穿透,对海冰干舷-厚度转化模型进行了优化,通过选取合适的输入参数,获取了2010年11月至2019年12月北极海冰厚度,并利用IceBridge海冰厚度产品和仰视声呐数据对计算结果进行了验证,结果表明本文海冰厚度解算精度优于0.2m.最后,结合PIOMAS海冰模式数据、北极气温和海表面温度数据对北极海冰厚度变化特征进行了分析,发现2014年北极海冰厚度出现剧烈增长的现象.     

浅海区域Topex/Poseidon测高卫星数据波形重构方法

根据测高卫星返回波形的特征,给出了由Topex/Poseidon卫星波形数据进行波形重构的方法,并采用函数逼近算法确定波形重构改正量,进而改善测高卫星近海岸海面高观测值的精度.在中国南海区域计算了四圈T/P测高卫星经过波形重构后的海面高数据.近海岸海面高数据与相近时刻验潮站数据相比,精度比波形重构前有了很大提高,证明该方法的有效性.     

近岸海域EnviSat卫星测高波形重定的Threshold优化算法

波形重定是改善近岸海域卫星测高数据精度的一种有效方法.分析了EnviSat雷达测高波形重定算法,并对Threshold算法进行了优化,开发了波形重定程序;以地中海为实验区,利用几种波形重定方法,对近岸海域的EnviSat测高波形进行重定,认为优化的Threshold算法是几种波形重定算法中最稳健的重定算法,适合于地中海近岸海域EnviSat测高波形的重定,对其他近岸海域的应用也有一定的参考意义.     

基于CryoSat-2测高数据的全南极冰盖DEM的建立与精度评估

数字高程模型(DEM)是南极冰盖变化研究的基础,由于现场实测数据的稀缺,卫星测高数据是南极地区构建DEM的'主要数据来源.CryoSat-2是新一代用于极地冰盖、海冰监测的测高卫星,本文利用2012-12-2015-01两个完整周期的CryoSat-2测高数据建立一个新的南极冰盖DEM.坡度是影响卫星测高精度的重要因素之一,利用改进的重定位方法对CryoSat-2数据进行坡度改正.插值方法是影响DEM精度的重要因素,通过对几种常用插值方法的比较,最后选用克里金插值方法对测高数据进行插值,建立了1km分辨率的南极DEM.在88°S以南的CryoSat-2数据空白区,利用南极数字数据库(ADD)的等高线数据对DEM进行填补,建立了全南极冰盖DEM.利用ICESat卫星测高数据、IceBridge航空测高数据以及GPS地面实测数据对新建立的CryoSat-2 DEM进行精度验证,并与Bamber 1 km DEM、ICESat DEM、RAMPv2 DEM以及JLB97 DEM等四种国际上常用的南极DEM进行比较.结果表明:新建立的CryoSat-2 DEM的整体精度约为0.730±8.398 m;在冰弯顶部区域,DEM精度优于1 m;在冰架上,DEM精度约为4 m;在内陆冰盖大部分地区,DEM精度优于10 m;在地形复杂的山区和沿海边缘地区,DEM误差超过150 m.     

基于波形分类和子波形提取的雷达高度计近海波形重构算法

雷达高度计是测量海洋动力参数的重要传感器,为解决雷达高度计在近海测量数据不可用的问题,基于大量波形的分析及已有波形重构算法的比较,本文提出了一种基于波形分类和子波形提取的近海波形重构算法（OceanCS）.采用了验潮站的实测水位以及浮标的实测有效波高数据对算法的结果进行了验证.结果表明,本文提出的算法在近海的回波波形处理方面要优于其他五种算法（海洋算法、OCOG算法、Ice-2算法、Beta5算法和阈值算法）,并且不仅可反演海面高度、还可反演有效波高.通过对高度计的近海回波波形进行重构处理,可以提高近海测高数据的数量和质量.     

利用CryoSat-2波形数据建立南极Lambert冰川流域DEM

Lambert冰川-Amery冰架系统是南极冰盖最大的冰流系统之一,对南极冰盖物质平衡研究有着重要的作用.数字高程模型(DEM)是进行南极冰盖研究的基础.本文基于CryoSat-2 L1b波形数据,研究建立了Lambert冰川流域高分辨率DEM.测高卫星返回波形在冰盖区域存在变形,需进行波形重跟踪处理.利用交叉点分析方法对重心偏移法(OCOG)、阈值法和β参数法等常用的波形重跟踪方法对不同类型的CryoSat-2波形的适用性进行了研究.最后,利用克里金插值方法建立了500 m分辨率的Lambert冰川流域DEM——LAS DEM (Lambert Glacier-Amery Ice Shelf system DEM).利用ICESat卫星测高数据和GPS地面实测数据对LAS DEM进行精度验证,并与另外两种基于CryoSat-2数据的南极DEM进行了对比.结果表明:LAS DEM的整体精度约为0.295±2.7 m,优于另外两种CryoSat-2 DEM;在冰盖内陆地区,LAS DEM的高程误差在2 m之内;在Amery冰架上,LAS DEM的精度优于1 m.     

由ERS-1波形重构确定我国近海平均海平面

近海岸区域平均海面高在大地测量学、物理海洋学以及地球物理学研究中具有非常重要的意义.受各种条件的制约和限制，目前卫星测高技术主要应用于深海区域，在近海区域尤其是海岸线附近区域的应用几乎为空白.本文根据ERS-1测高卫星回波波形特征，采用五参数线性模型，由最小二乘拟合方法，对近海区域尤其是靠近海岸线附近的ERS-1测高波形数据进行波形重构.比较波形重构前、后解算平均海面高，表明波形重构技术不仅明显改善了解算近海海面高的精度，而且增加了近海测高海平面的分辨率，并使卫星测高有效观测延伸至海岸线附近.随后，本文利用波形重构后海面高数据构造了近海多年平均海平面，并对我国近海海平面特征进行了初步分析.     

张衡一号卫星记录的空间电磁波传播特征分析方法及算法实现

本研究主要利用张衡一号电磁卫星(CSES)记录的电磁场波形数据,研发了电磁波波矢量分析工具,该工具包提供电磁波形频谱变换、奇异值分解(SVD)方法以及坡印廷能流计算功能.选取了张衡一号卫星在ULF/ELF/VLF频段观测到的哨声波、准周期辐射、电离层嘶声波等典型波动事件,开展了频谱分析和波矢量分析.通过与DEMETER卫星的对比观测研究,验证了算法的正确性,并且初步探讨了这些波动的传播特征,其结果也验证了张衡一号卫星在电磁场观测方面具有良好的性能.本研究研发的波矢量分析工具包可直接运用到张衡一号卫星的常规数据处理和科学分析应用中.     

中国南极科学考察探地雷达海冰探测

环绕着南极大陆陆缘海冰隐伏冰裂缝发育,严重威胁我国南极科考海冰运输的安全.探地雷达可以精确、快速、有效探测海冰层序空间结构、隐伏冰裂缝两翼形态、冰裂缝的分布范围等关键要素.探冰队对拟选东部线路约22 km进行雷达探冰作业,新发现规模较大隐伏冰裂缝5条.评估了中国第30次南极科考队海冰卸货运输路线,为科考船"雪龙"号上大量物资、科考设备和重型装备安全运抵中山站保驾护航.     

南极冰盖物质平衡最新研究进展

探明南极冰盖物质平衡状况,对研究全球变暖背景下海平面变化具有重要意义,也是南极冰川学的重要基础工作.在ITASE计划(International Trans Antarctic Scientific Expedition)和ISMASS计划(Ice Sheet MassBalance and Sea Level)的指导下,各国科学家对南极几个主要流域进行了大范围的实地观测,获取了一些重要成果.此外,由于极地测高卫星和重力卫星的应用,南极冰盖整体物质平衡状况评估在近期得到长足发展.无论是实地研究还是卫星遥感,都有其局限性,两者结合可以弥补各自的缺陷,是未来研究的主要发展方向,但目前仍未引起足够的重视.因此,本文综述了南极冰盖物质平衡研究的最新研究进展,将有关研究分局域和洲际尺度进行了介绍,并对国内的研究提出建议.     

基于ICESat块域分析法探测2003～2008年南极冰盖质量变化

利用2003～2008年间的ICESat卫星激光测高数据,通过块域交叉点分析提取南极大陆冰盖表面高程变化信息,同时探讨了卫星激光测高不同任务间的系统偏差,结合冰盖地表粒雪密度模型探测南极大陆冰盖质量变化,并对其原因做了初步分析.结果显示南极大陆冰盖高度变化具有明显的年周期信号,平均周年振幅为2.21 cm.在南极大陆的...     

南极普里兹湾海冰厚度的电磁感应探测方法研究

本文介绍一种由EM31-ICE型电磁感应仪和激光测距仪组合而成的船载电磁感应海冰厚度探测系统. 针对海冰和海水的电学特征,运用电磁感应技术提取探测系统至海冰下底面的距离,运用激光测距仪测量冰面粗糙度和探测系统至海冰上表面的距离,两组数据结合,实现了海冰厚度的探测. 通过南极现场探测数据分析,并与钻孔实测冰厚数据对比研究,定量分析了探测系统距离冰面的高度效应,建立了该系统冰厚测定值随高度变化的修正关系式,并对船载航行数据进行了系统校正. 与SCAR ASPeCt的冰厚数据对比分析,表明该系统能够获得可靠的海冰厚度并具有较高的精度,且能满足对极区大范围海冰厚度观测的需求.     

沿海雷达卫星测高波形重定多子波参数方法和重力异常恢复

雷达卫星测高数据质量是测高在大地测量学、地球物理学和海洋学等领域应用研究的关键。在沿海海域,测高波形受到地形和地球物理环境等污染,测高数据精度低于开阔海域的测高数据。提出了一种新的测高波形重定方法,即多子波参数重定方法（MSPR）,用于改善沿海海域的测高数据质量。由测高数据,利用最小二乘配置法解算沿海重力异常,给出了对应的方差-协方差矩阵。利用MSPR对台湾岛周边海域的Geosat／GM波形数据进行重定,与台湾岛大地水准面进行比较,MSPR重定结果精度要优于常用的β-5参数方法重定结果和GDR数据。利用重定后的测高数据,由最小二乘法计算了台湾岛近海海域的重力异常。与船测重力数据进行比较,由重定数据得到的结果精度优于GDR结果。     

基于ICESat轨道交叉点分析的东南极Lambert-Amery系统当前高程变化特征分析

南极冰盖物质平衡仍然是全球海平面变化估计的最大不确定因素.本文使用2003～2007年ICESat/GLAS获取的高精度冰盖测高数据,利用我们开发的高精度高程变化提取程序,首次获取了东南极最大冰流系统-Lambert-Amery地区在ICESat卫星轨道交叉点处的高程变化序列.依据冰川动力学原理,对该流域进行详细划分,...     

联合卫星重力、卫星测高和海洋资料研究中国南海海平面变化

利用卫星测高、GRACE(Gravity Recovery and Climate Experiment)卫星重力和海洋实测与模式资料,在季节和年际尺度上,探讨了海水比容变化和海水质量变化对中国南海海平面变化的影响.在季节尺度上,利用测高和ECCO(Estimation of the Circulation and Climate of the Ocean)模式得到的南海海水质量引起的海平面变化的周年振幅和GRACE卫星独立观测的结果在地理分布上有很好的一致性.GRACE卫星观测到海水质量引起的南海平均海平面变化具有明显的季节性变化,其周年振幅为(2.7±0.4)cm;利用另一种独立的方法(测高减比容)得到的平均海平面周年振幅为(2.7±0.3)cm,两者符合得很好.在年际尺度上,南海平均海平面变化表现出明显的年际变化特征,且主要为比容海平面变化的贡献.卫星测高结果表明,1993～2009年的南海平均海平面变化为(5.5±0.7)mm/a,明显高于同期全球平均海平面变化趋势(3.3±0.4)mm/a.GRACE卫星观测到的海水质量变化没有表现出明显的趋势信号,这说明南海整体上与周边海域或陆地水的水循环是平衡的.     

雷达卫星SAR与防卫气象卫星SSM/I对渤海海冰的观测研究

用雷达卫星(RADARSAT)合成孔径雷达(SAR)和防卫气象卫星(DMSP)特别微波成像辐射计(SSM/I)在1999年1月23日同一天对中国渤海区域海冰的观测数据，进行了主动SAR与被动SSM/I的组合研究.用一层海冰电磁散射辐射的建模与数值模拟，分析了中纬度渤海沿岸海冰的特征性变化，提出用SSM/I辐射亮度温度的散射指数、极化指数、极化比率来识别渤海海冰；用RADARSAT高分辨率SAR数据(水平极化后向散射系数)对渤海海冰物理特征进行识别与分类.这些特征指数在时间与空间尺度上的相关变化可有效地应用于渤海海冰的监察.     

利用ICESat数据解算南极冰盖冰雪质量变化

南极冰盖冰雪质量变化反映了全球气候变化,并且直接影响着全球海平面变化.ICESat测高卫星的主要任务之一就是要确定南北两极冰盖的质量变化情况并评估其对全球海平面变化的影响.本文利用2003年10月至2008年12月的ICESat测高数据,针对南极DEM分辨率有限的特殊性,通过求解坡度改正值,解决重复轨道地面脚点不重合的问题,计算了南极大陆(86°S以北区域,后文所述南极冰盖均不包括86°S以南区域)在这5年里的冰雪质量变化情况,得到东南极冰盖的质量变化为-18±20Gt/a,西南极-26±6Gt/a,南极冰盖的冰雪质量变化为-44±21Gt/a,对全球海平面上升的影响约为0.12mm·a~(-1).解算结果表明,南极冰盖质量亏损主要集中在西南极阿蒙森海岸附近冰川以及东南极波因塞特角区域.     

近四年全球海水质量变化及其时空特征分析

本文利用卫星重力、卫星测高和海洋温盐数据反演计算全球海水质量变化,并分析其时空变化特征.卫星重力数据利用2003年1月~2006年12月的GRACE月时变重力场球谐系数,同时考虑替换一阶项和C₂₀项,并进行了相关误差滤波、高斯滤波和陆地水文信号泄漏改正,计算得到海洋等效水高变化;利用相同时间跨度的卫星测高数据和海洋温度、盐度水文观测数据,计算全球海平面变化和比容海平面变化,反演得到海水质量变化.反演的两种海水质量变化的年际变化特征一致性较好.三种数据得到的长期趋势变化,与1993~2003年的结果相比,可以看出,海水质量变化加速,并已成为全球海平面上升的主要因素.     

昆明全天空流星雷达观测中高层大气温度

利用昆明电波观测站（25.6°N,103.8°E）两台不同工作频率的全天空流星雷达在2011年特殊联合观测试验期间的数据,基于Hocking的方法利用不同的温度梯度,在确定了昆明地区中层顶位于流星峰值高度之上的情况下,反演了昆明地区上空88 km和85 km高度的大气温度,并与Aura卫星观测的温度进行比较.对比研究发现,两台流星雷达可以分别正确获得88 km和85 km高度的大气温度,但其中由全球温度梯度模式反演得到的大气温度与卫星观测温度相关性不是很好,而利用卫星观测的温度梯度,两台雷达反演出的大气温度与卫星观测温度存在很好的相关性.结果表明了准确的温度梯度在流星雷达观测大气温度过程中是至关重要的.     

一种多前缘多阈值的波形重构算法

为了改善近海测高精度,本文对近海测高波形的特征进行了研究,并在现有算法的基础上提出基于波前缘识别算法的多前缘多阈值波形重构方法.然后将该方法用于中国近海的卫星测高波形数据的处理,得到精度与分辨率更好的海面高数据.作为验证,将此海面高数据换算为重力异常并与船测重力进行比较,结果显示该方法可以明显提高卫星测高精度.