ENVISAT测高卫星沿轨大地水准面梯度的海洋垂线偏差法研究

研究了利用沿轨大地水准面梯度数据计算海洋垂线偏差的最小二乘法,首先对ENVISAT测高数据进行各项地球物理改正得到近似测高大地水准面,然后计算沿轨大地水准面的梯度,接着用最小二乘法计算格网垂线偏差东西分量和南北分量的平均值。最后,用该方法计算了南中国海区域及其邻近海域(4°N～25°N,104°E～120°E)的5′×5′垂线偏差南北分量和东西分量,其精度优于7″,并与EGM96模型计算的垂线偏差值进行了比较,证明了该方法的有效性。     

利用GEOSAT／ERM卫星测高数据计算中国近海海平面

本文利用一年（１９８６年１１月８日～１９８７年１１月１７日）２２个ＥＲＭ周期的ＧＥＯＳＡＴ卫星测高数据计算出中国近海海域（１０５°～１３５°Ｅ，０°～４０°Ｎ）相对于ＧＲＳ８０参考椭球面的１°×１°年平均海平面。该海平面我们称之为ＩＧＧＭＳＳ９５平均海平面。在数据处理过程中，由于采用了混合轨道误差模型及交叠平差技术，极大地消除了在误差中占主要成分的径向轨道误差影响，使得ＩＧＧＭＳＳ９５平均海平面的总体精度达到±２０～３０ｃｍ（ＲＭＳ）水平。与ＯＳＵ９１Ａ重力大地水准面模型相比较可以发现两者具有惊人的一致性。     

基于多源测高卫星的日本海域平均海面高模型建立

平均海面模型是研究海图基准及海平面化的重要参考.经过数据预处理、重复周期观测数据共线平差、非重复周期观测数据海面时变校正、多种卫星测高数据联合交叉点平差、海面高格网化等几个环节,利用1993—2012年近20年的测高数据,建立日本海域(30° ～45°N、130° ～145°E)2′ ×2′网格分辨率的平均海平面模型(Japan Mean Sea Surface,JPMSS),与WHU2013、CLS15、DTU18三种全球平均海面高模型以及TP(Topex/Poseidon)/J1(Jason-1)/J2(Jason-2)平均参考框架,进行比较分析,结果显示,在研究区域内,JPMSS相比于其他模型误差最小,精度较为可靠.     

利用卫星重力梯度数据确定地球重力场的单层位模型

本文提出了处理卫星重力梯度数据以确定高分辩力重力场模型的单层位法并对其中的独立估计法进行了误差分析，数字结果显示：当卫星高度为200km，卫星数据网格宽度为15′，卫星重力梯度数据的精度为2×10~(-3)E时，利用独立估计法可得到分辩力为1°×1°（100km）的全球重力场模型，其重力异常精度小于1（mgal）；若卫星高度降至160km，卫星重力梯度数据的精度达到3×10~(-4)E，则获得的重力场模型的分辩力可提高到0.5°×0.5°（50km），其重力异常精度仍小于1（mgal）。     

卫星测高数据的沿轨迹重力异常反演法及其应用

本文给出了一套基于直角坐标系下的垂线偏差求解重力异常公式 ,并将之发展成为一套新的沿轨迹重力异常求解公式。与其他方法相比 ,本方法无须求解交叠点处沿轨迹和跨轨迹方向的海面高斜率 ,仅需计算沿轨迹方向的海面高斜率 ,因而更为简洁、有效 ,而且分辨率可以更高并可与真正的沿航迹实际船测重力相比较、验证。据此 ,利用 Geosat/GM、ERS-1 /35天及TOPEX/Poseidon三种测高数据 ,反演了南中国海域 (0°～ 2 5°N,1 0 5°～ 1 2 2°E)的 2′× 2′重力异常—— IGG-S。通过与实际船测资料和国际同行提供的重力模型相比 ,IGG-S总体精度达到1 0× 1 0 - 5ms- 2。     

利用多代卫星测高资料监测1993～2011年全球海平面变化

联合多代测高卫星T/P、Jason-1/2海面高数据和验潮站数据,确定了各卫星高度计的长期低频漂移,建立了统一的卫星测高海面高观测值,研究了1993～2011年间全球平均海平面的变化。结果表明,近18a全球平均海平面以3.12±0.4mm·a-1的速率上升,其中,海平面年际信号与ENSO事件表现出较强的相关性。     

测高-重力边值问题的局部剪裁解

给出了基于最小方差原理的测高-重力超定边值问题解的局部建模剪裁解法,并采用由卫星测高资料计算的6′×6′海洋重力异常和30′×30′大地水准面数据,计算了展开到1 800阶次的中国南海及邻近海域的测高-重力试验模型.与其他模型比较表明,这种由超定剪裁法解得到的局部模型能够较好地改善重力场模型中波长部分的精度.     

利用CryoSat-2卫星测高资料确定北极海冰干舷高

卫星测高技术的发展使得大空间尺度探测海冰成为可能，海冰干舷高是反演海冰厚度的关键参量，获取精确的海冰干舷高对海冰探测及了解全球气候变化均具有重要的作用。本文基于近3年获取的CryoSat-2卫星SAR模式测高资料，在60°N—88°N纬度带内的北极海域通过设定阈值筛选可用的观测数据，并在此基础上计算2015—2017年间月平均海冰干舷高，最后通过IceBridge航飞数据的时空匹配验证了本文获取的干舷高计算结果是可靠的。     

中国新一代高精度、高分辨率大地水准面的研究和实施

采用移去恢复技术，利用我国高分辨率DTM和重力资料推算我国大陆重力大地水准面;然后再和我国GPS水准所构成的高程异常控制网拟合,推算了具有dm级精度、15′×15′分辨率的我国大陆大地水准面。利用全国地壳运动监测网络的80余个高精度GPS水准点进行外部检核，检核结果证实和原设计精度完全一致，即该大陆大地水准面的绝对精度,在东经102°以东高于±0.3m，在东经102°以西、北纬36°以北为±0.4m，36°以南为±(0.4～0.6)m。利用卫星测高数据计算垂线偏差，反解我国海域大地水准面。为了检核，由测高垂线偏差反演为重力异常，与海上万余点船测重力值进行了外部检核；同时用上述反演的重力异常推算大地水准面，与直接解得的相应结果进行比较作为内部检核。由重力和GPS水准数据推算的上述大陆大地水准面，和主要由卫星测高数据确定的海洋大地水准面，二者之间一般都存在以系统误差为主的拼接差。顾及这一现象并结合我国在陆海大地水准面拼接区重力资料稀疏的实际，研究提出了扩展拼接技术，即在沿海选取部分陆海毗邻的局部地区，在这局部地区内，陆地用实测平均重力格网数据，海洋用测高平均重力格网数据，统一推算这陆海局部重力大地水准面。然后利用这一局部大地水准面的陆地部分和已经用GPS水准校正的陆地大地水准面进行拟合。最后用拟合参数校正中国全部海域的测高重力大地水准面，从而保持陆地部分大地水准面不变，最大限度地削弱拼接点和测高海洋大地水准面的系统误差。     

联合TOPEX/Poseidon与Geosat／ERM建立区域潮汐模型的研究测高资料

利用近十年的T/P测高数据来反演南海(8°~23°N,109°~120°E)九个主要分潮的潮汐参数,并计算了Geosat/ERM卫星对应的各主分潮的混叠周期及Rayleigh周期。根据潮汐参数提取的要求,选取了7个主分潮,为了克服混叠影响,将T/P沿迹点处的主要分潮间的5组差比关系引入到Geosat沿迹点处,并利用T/P提供的Sa模型去除Sa对M2的扰动影响。精度估计的结果表明,Geosat/ERM反演的潮汐参数的精度与传统的月分析结果的精度相近;因差比关系的捆绑,整个全日和半日潮族迟角偏差相近,这主要和Geosat/ERM的轨道设计有关。本文的方法可以应用于利用轨道调整后的T/P卫星的测高数据提取潮汐参数。     

黄、东海海面地形在1993-2001年间的变化探讨

长期以来海面地形变化是海面变化研究领域里一个具有显著意义却相对冷寂的研究方向,卫星海面测高技术的发展为此方向的研究提供了新的思路、手段和数据。本文利用TOPEX/POSEIDON卫星的SSHA数据对黄、东海1993-2001年期间的平均海面地形的空间形态特征、变化速率的空间分布特征及年内变化特征等3个方面进行分析。研究结果表明,该海区9年平均海面地形的基本特征为:东南高、西北低,由东南向西北倾斜,最大高差超过90 CM;1993-2001年期间全海区均呈现海面上升趋势,上升速率值在5~8.6 MM/A之间,海面上升的空间分异表现为南快北慢,东快西慢。海面地形的年内变化在时间上呈正弦波动,空间上中、北部区域变化速度快,年较差大;南部区域变化速度慢,年较差小;变化空间特征复杂。     

用强制改正法建立中国近海平均海平面高模型

联合Geosat GM数据、ERS-1数据、T/P数据、T/P新轨道数据、ERS-2数据和GFO数据,采用强制改正法确定了中国近海(0°~41°N,105°~132°N)2′×2′格网分辨率的平均海面高模型,并将其与CLS01、GF-SC00.1和KMS04平均海面高模型进行了比较。统计结果显示,这些模型格网差值的RMS分别是10.17cm1、2.70 cm和16.13 cm,在剔除差值大于50 cm(分别剔除0.5%、0.89%和1.6%)的误差点后,RMS分别为7.98 cm1、0.29 cm和12.59 cm;与三年的Jason-1数据(Cycle 22~127)的平均框架相比,其RMS为7.40cm。     

中国南海及东海近海测高海平面变化监测与预测

卫星测高在开阔海域的回波信号符合Brown模型,其测距和求得的海面高精度较高。由于受多种因素的影响,在非开阔海域(如中国近海、南极海域等)求得的海面高精度偏低,限制了测高在这些区域的应用。本研究从波形理论出发,在系统分析不同类型反射面的波形重构算法基础上提出了基于波形分类的波形重构数据处理流程,探讨了适合不同反射面的波形重构算法;分别对南极Amery冰架近海、中国近海Envisat测高波形数据进行了重构处理;利用重构后的测高海平面变化数据,分析了中国近海海平面变化上升速率与周期特性;构建了神经网络模型对中国近海海域未来10~15年的海平面变化非线性趋势进行了预测。     

用T／P测高数据确定中国海域及其邻海的海面高及海面地形

描述了利用Ｔ／Ｐ卫星测高数据确定中国海域及其邻海的海面地形。处理了Ｔ／Ｐ５９～８２周（Ｃｙｃｌｅ）１９９４年第８３ｄ～３１１ｄ的数据，将５９～８２周数据分成两部分分别估计海面高，并分析了海面高变化。结果与Ｂａｓｉｃ和Ｒａｐｐ１９９２年确定的海面高作了比较。利用Ｓｈｅｐａｒｄ曲面拟合方法给出了３０′×３０′平均海面高结果，分别以ＯＳＵ９１和ＷＤＭ９４地球重力场模型作为参考重力场，计算了相应的３０′×３０′平均海面地形。     

我国南海海面高异常时间序列分析

利用小波多分辨分析方法对1992年10月至2002年8月南海区域海面高异常时间序列进行了分析处理,提取了该区域海面高线性升高信息.结果表明,南海区域在9.86 a的时间里海面高平均升高了94.1 mm;并获取了从2 a至45 d的5种波动传播的振幅和相位,分析了波动传播的概貌.     

南海海表盐度异常分布特征分析

利用最小二乘法线性拟合和EOF分析等方法对1980~2011年共32 a的SODA月平均海洋同化数据进行处理与分析,探讨了南海海表盐度的时空分布特征。分析结果显示,从1980~2011年,南海海表盐度有不断下降的趋势,并且存在周期性波动特征,以及明显的季节变化和年际变化。在不同海域异常变化不同,南部和北部异常变化较高且呈反相关;靠近大洋和陆地一侧的异常变化高,中部异常变化较低。     

Determination of Geoid over South China Sea and Philippine Sea from Multi-satellite Altimetry Data

A new computational procedure for derivation of marine geoid on a 2.5′×2.5′grid in a non-tidal system over the South China Sea and the Philippine Sea from multi-satellite altimeter sea surface heights is discussed. Single-and dual-satellite crossovers were performed, and components of deflections of the vertical were determined at the crossover positions using Sand-well's computational theory, and gridded onto a 2.5′×2.5′resolution grid by employing the Shepard's interpolation procedure. 2.5′×2.5′grid of EGM96-derived components of deflections of the vertical and geoid heights were then used as reference global geopotential model quantities in a remove-restore procedure to implement the Molodensky-like formula via 1D-FFT technique to predict the geoid heights over the South China Sea and the Philippine Sea from the gridded altimeter-derived components of deflec-tions of the vertical. Statistical comparisons between the altimeter-and the EGM96- derived geoid heights showed that there was a root-mean-square agreement of ±0.35 m between them in a region of less tectonically active geological structures. However, over areas of tectonically active structures such as the Philippine trench, differences of about -19.9 m were obtained.     

利用多源遥感数据识别波弗特海冰间水道

采用MODIS可见光反射率、热红外亮温和RadarSat-2双极化后向散射等多源数据，通过建立决策树综合判断来识别波弗特海域冬季的冰间水道及其内部冰型，并进行精度评价。研究发现，MODIS热红外只能粗略提取冰间水道轮廓；而高分辨率的RadarSat-2影像可以提供更多海冰类型信息，但是不同冰型的后向散射信号有重叠，影响水道提取的精度。研究结合多源数据建立决策树，综合极化后向散射和表面温度等参数来判断海冰类型，从而识别不同发育阶段的冰间水道。该方法的识别精度优于单变量方法。高分辨率Sentinel-2光学影像验证了不同阶段冰间水道的顺序分布。多源数据的应用有助于更准确地计算水道区域的海-气热通量和产冰量，同时为船只导航提供更详细的冰情信息。     

联合多代卫星测高数据确定中国近海稳态海面地形模型

联合多代测高卫星(Geosat GM和ERS-1/168,TOPEX/Poseidon(简称T/P)、变轨T/P,ERS-2,GFO)数据,基于强制改正法得到中国近海2'×2'格网分辨率的平均海面高模型;然后以EIGEN-GL04C重力场模型为参考模型,基于测高垂线偏差法精化得到中国近海2'×2'格网分辨率的测高大地水准面模型;最后联合移去一恢复技术和Gauss滤波技术,采用几何域法得到中国近海2'×2'格网分辨率的测高海面地形.利用中国沿岸长期验潮站平均海面高程信息,由直接推算法与平差法得出1985国家高程基准相对于所建测高大地水准面的垂直偏差分别为23.62±5.38 cm与22.33±1.07cm,与海洋学方法和GPS/水准方法得到的近期结果相近[1～2];扣除各自垂直偏差后的比较表明,由上述两种方法得到的海面地形模型的精度分别为±5.38cm与±5.23 cm.