联合Argo浮标、卫星测高和GRACE数据研究海平面变化

卫星测高、GRACE、Argo等数据为监测海平面变化提供了丰富的观测数据,利用Argo数据计算的比容海平面变化,可以更加深入地理解卫星测高以及卫星重力获得的海平面变化。利用2004年1月至2010年12月间Argo浮标采集的温度和盐度数据,通过数值积分方法计算了65°S~65°N间的比容海平面异常,并通过最小二乘拟合得到比容海平面变化的长期趋势为0.63±0.45 mm/a,与Llovel得到的结果吻合较好。利用卫星测高数据得到该时间段内海平面变化趋势为2.52±0.71 mm/a,GRACE反演得到的海水质量变化引起的海平面趋势为1.84±0.13mm/a,结果表明海水质量变化成为引起海平面变化的主要因素。最后对联合卫星测高、GRACE得到比容海平面变化与相应Argo浮标数据计算结果的空间分布特征进行了比较。     

联合Jason-1与GRACE卫星数据研究全球海平面变化

海平面变化主要由海水质量变化和比容海平面变化组成。联合GRACE时变重力场与Jason-1卫星测高数据分别研究了全球平均海平面及其质量分量与比容分量的季节性变化(2002-09—2008-04),联合两种卫星数据所得平均海平面变化在周年振幅和相位上与WOA05海洋模型结果具有一致性。估算出研究时间段内全球平均海平面变化及其两个主要分量的长期性趋势,在超过6.5a的时间尺度上,全球平均海平面以+2.0±0.4mm/a的速率上升,其中海水质量变化分量的贡献为+1.4±0.4mm/a,比容变化分量的贡献为+0.5±0.3mm/a。     

联合卫星重力、卫星测高和海洋资料研究全球海平面变化

利用GRACE、卫星测高和海洋实测温盐数据,探讨了2003~2012年间全球海平面、比容海平面和海水质量等的变化特征,并讨论了南极冰盖和格陵兰冰盖消融对全球海平面变化的影响。全球海平面整体呈上升趋势,上升速度为2.72±0.07 mm/a,且存在显著的空间分布特征。全球海平面、比容海平面和海水质量等的变化还具有显著的季节性特征,其中全球海平面变化的年周期振幅为4.6±0.3 mm。使用经验正交函数分析(EOF)得到全球海平面和比容海平面的季节性变化在南北半球存在显著的差异,但海水质量季节性变化不存在这种差异。南极冰盖和格陵兰冰盖的消融速率分别为-75.7±12.3 Gt/a和-124.1±2.9 Gt/a,对海平面的长期趋势项贡献分别为0.21±0.03 mm/a和0.34±0.01 mm/a,仅占全球海水质量增加速度1.80±0.10 mm/a的12%和19%,总计占31%,因此,两极冰盖质量消融并不是2003-2012年间海水质量增加的最主要因素。     

卫星重力与卫星测高的研究进展

该文介绍了GRACE和GOCE重力卫星在地球重力场模型以及局部变化等方面的研究成果,介绍了卫星测高的检核与校验、全球和局部海平面变化监测、内陆湖和水库水位变化监测等方面的研究进展,对综合利用卫星重力、卫星测高以及合成孔径雷达差分干涉测量(DInSAR)等技术方法监测冰川和冰盖变化的成果进行了介绍,重点介绍了南极冰盖变化监测的研究成果。对综合卫星重力、卫星测高、DInSAR、GNSS/水准、GNSS等多种技术在冰川冰盖、局部形变监测等方面的应用进行了展望。     

基于多源数据的全球比容海平面变化研究

利用2005—2009年共60个月的卫星测高、GRACE数据计算全球66°S~66°N比容海平面变化,同时利用Argo数据计算得到该区域的比容海平面变化,结果可知比容海平面具有明显的周年变化。比较不同方法得到的比容海平面变化发现二者在整体趋势上较为一致,但局部也存在着差异。联合卫星测高、GRACE和利用Argo数据得到2005—2009年比容海平面变化振幅分别为10.5 mm和4.3 mm,长期变化趋势分别为1.63 mm/a和0.32mm/a。     

近海海平面变化成因分析

近海海平面上升直接威胁人类生存,分析其成因不仅具有重要科学意义,而且能够为应对海平面上升提供相应策略。使用卫星测高、时变重力以及浮标观测研究2002—2020年近海300 km内海平面变化成因。由于时变重力在近海受到较为严重的泄漏误差影响,使用时变重力约束解模拟陆地质量变化对海洋质量的泄漏,其线性趋势约为0.68 mm/a。在季节和非季节尺度上,时变重力和浮标观测解释了卫星测高的结果,证明近海海平面平衡方程在季节和非季节时间尺度上能够被闭合。在长期变化趋势方面,卫星测高显示近海海平面上升速率为3.32±0.45 mm/a,而时变重力与浮标观测之和的速率为2.25±0.51 mm/a,两者之间存在约1 mm/a的速率差。鉴于该速率差高于估计的不确定度,认为当前在闭合近海海平面平衡方程长期趋势方面仍存在不小挑战,一方面近海比容实测数据较为稀少,很可能低估了长期趋势变化;另一方面,不完善的泄漏误差改正和陆地垂直运动改正也会影响近海海平面长期趋势变化。     

联合卫星测高、GRACE与温盐数据分析红海海平面变化季节性特征

本文利用卫星测高、GRACE与温盐数据监测2003-2014年红海海平面变化，并分析了蒸发降水以及亚丁湾-红海质量交换对红海质量变化的影响。红海地区单一的温盐数据存在覆盖不全或质量不佳的问题，综合CORA、SODA与ORAS4温盐数据估算结果得到平均比容海平面变化，以改善比容信号的精度。针对GRACE数据处理过程中截断与空间平滑滤波引起的泄漏误差，提出改进尺度因子纠正泄漏误差，利用卫星测高数据进行模拟实验验证了改进尺度因子的有效性。利用传统尺度因子和改进尺度因子反演的红海质量变化周年振幅分别为16.1±1.3 cm和20.5±1.7 cm，利用卫星测高和温盐数据估算的质量变化周年振幅为20.2±1.0 cm，表明改进尺度因子可有效减小泄漏误差的影响，改善GRACE模型反演红海质量变化的精度。卫星测高、GRACE卫星重力数据以及平均温盐数据具有较好的一致性，联合GRACE和温盐数据估算的红海综合海平面变化周年振幅为16.6±1.7 cm，与卫星测高估算的总海平面变化周年振幅（16.2±0.9 cm）基本一致，表明多源数据可构成完整的红海海平面监测手段。相比于降水-蒸发作用，红海质量变化受红海与亚丁湾的海水质量交换的影响更为显著，其主导了红海质量的季节性变化。     

近海多种卫星测高联合数据处理技术

海域海况复杂多变 ,潮汐不但受外海能量输入的控制 ,而且在复杂的海岸线、浅海海底和内陆河流运输的作用下变得异常复杂。卫星测高由于受复杂的海洋动力环境和陆地反射的影响 ,数据质量普遍较深海差。将多种卫星测高数据联合处理 ,可以大大提高近海海域平均海面高的精度与分辨率 ,增强测高卫星监测近海复杂动力现象与反演近海复杂动力机制的能力。本文讨论近海多种卫星联合数据处理的技术与方法 ,分别从提取海平面稳态和时变信息的角度较系统地研究了多种卫星测高联合数据处理方法 ,通过提取不同测高卫星海平面观测数据中与时间无关的系统偏差 ,建立多种卫星测高数据的海平面时变基准 ,从而将多种测高卫星海面监测数据融合到一个动力系统中。大大提高测高卫星海平面监测的时空分辨率 ,为联合多种卫星测高数据在大地测量与近海海洋动力学研究中的应用创造基本条件。     

利用验潮站观测数据校正测高平均海平面变化线性漂移

针对卫星测高数据确定平均海平面变化速度中可能存在的线性漂移问题,利用全球快速验潮站观测数据,在进行精细数据预处理中,为保证两种数据观测含相同时变海平面信号,改进了同步校正方法,解决了每个验潮站参考基准不同导致验潮站上两种数据海平面变化差值无法进行全球平均的问题,并以T/P卫星观测数据为例,确定了其平均海平面变化线性漂移,为获取真实海平面变化速度提供了保证。     

利用测高卫星观测数据计算全球海平面季变化

利用了美国宇航局和法国空间局联合公布的Jason-1第1周期至第129周期卫星测高数据,采用共线平差的方法计算了2002年至2005年全球海平面的季变化。计算结果表明,全球海平面高第一、四季度上升,第二、三季度下降,且第三季度下降明显。     

ENSO影响下的西太平洋地区海陆水储量变化分析

利用2005-01-2016-12的GRACE卫星数据，结合测高、ARGO（array for real-time geostrophic oceanography）、TRMM（tropical rainfall measurement mission）降水数据和MEI（multivariate ENSO index），从海平面、海水质量、海水比容和陆地水储量的非季节性变化分析了厄尔尼诺-南方涛动（El Ni?o/Southern Oscillation，ENSO）对西太平洋及其沿岸地区的影响。在GRACE数据处理过程中考虑了地震构造信号的影响，并采用正演模型法来恢复时变信号。结果表明，西太平洋地区平均海平面（western Pacific mean sea level，WPMSL）变化对ENSO的响应表现为:厄尔尼诺期间海平面下降，拉尼娜期间海平面上升；尤其在2014-2016年厄尔尼诺期间，WPMSL下降了近26.2 mm。比容变化为影响WPMSL非季节性变化的主导因素。澳大利亚和中南半岛水储量异常在年际变化上也较好响应了ENSO，与MEI的相关系数分别为-0.61（滞后3个月）和-0.65（滞后8个月）。长江流域对ENSO的响应主要在中下游区域，2014-2016年厄尔尼诺造成了该时期长江流域水储量达到近几年的极大值。     

Seasonal global mean sea level change from satellite altimeter, GRACE, and geophysical models

We estimate seasonal global mean sea level changes using different data resources, including sea level anomalies from satellite radar altimetry, ocean temperature and salinity from the World Ocean Atlas 2001, time-variable gravity observations from the Gravity Recovery and Climate Experiment (GRACE) mission, and terrestrial water storage and atmospheric water vapor changes from the NASA global land data assimilation system and National Centers for Environmental Prediction reanalysis atmospheric model. The results from all estimates are consistent in amplitude and phase at the annual period, in some cases with remarkably good agreement. The results provide a good measure of average annual variation of water stored within atmospheric, land, and ocean reservoirs. We examine how varied treatments of degree-2 and degree-1 spherical harmonics from GRACE, laser ranging, and Earth rotation variations affect GRACE mean sea level change estimates. We also show that correcting the standard equilibrium ocean pole tide correction for mass conservation is needed when using satellite altimeter data in global mean sea level studies. These encouraging results indicate that is reasonable to consider estimating longer-term time series of water storage in these reservoirs, as a way of tracking climate change.     

海洋卫星测高及其反演全球海洋重力场和海底地形模型研究进展

海洋卫星测高在全球和区域大地水准面建模、全球海洋重力场反演、海底地形探测、海平面变化监测、构造板块运动研究等大地测量领域至关重要。本文概述了海洋微波测高卫星的简要发展历程,重点梳理了卫星测高在全球海洋重力场和全球海底地形建模方面取得的丰硕成果,对比分析了主流的海洋重力场和海底地形模型;介绍了合成孔径雷达高度计、Ka频段雷达高度计、合成孔径雷达干涉仪3种先进微波测高技术,并分析了其各自的优缺点,表明它们将在未来若干年呈并驱发展趋势;较为系统地阐述了海洋卫星测高的另一新型技术,即GNSS反射信号测量技术的研究动态,给出了GNSS-R(GNSS reflectometry)类(试验)卫星的发展脉络和发展前景。卫星测高的发展趋势之一是多颗测高卫星的组网观测,本文概括了曾经提出的和拟议中的若干组网测高计划,扼要介绍了由我国提出并正在实施的双星跟飞测高模式;最后指出了卫星测高发展的几个主要关注点,包括双星跟飞测高和SWOT(surface water ocean topography)任务的2维海面高(差)测量、卫星测高反演海底地形与高级地形激光高度计观测数据及遥感卫星图像的结合、星载GNSS-R厘米级海面高的载波相位测量、人工智能技术在卫星测高中的潜在应用等。     

An improved method of joint inversion using GPS and gravity observation data

On the basis of the dislocation theory and gravity observation, a joint inversion model is presented with a fitting factor A scaling amplitudes between the gravity and GPS observation data. The test results show that the new joint model is better than that taking the scale factor ）, as a constant from the inversion result of MSE （mean square error）. In addition, the random cost method used in the inversion algorithm is revised and improved, which shows that the improved random cost method can easily get the local minimum value and greatly decrease the iteration steps.     

基于卫星测高资料研究全球海平面变化趋势

利用全球平均海平面的高程数据,研究基于反距离权重内插方法来处理Jason测高数据资料得出全球平均海面的数学模型,并将所得结果与利用WHU2013 MSS模型得出的结果进行了对比。此外,还通过计算全球海平面的变化值,分析了全球海平面变化的季节性特征、长期性趋势以及年际变化与厄尔尼诺事件的相关性。     

Estimation of dynamic ocean topography in the Gulf Stream area using the Hotine formula and altimetry data

Two modifications of the Hotine formula using the truncation theory and marine gravity disturbances with altimetry data are developed and used to compute a marine gravimetric geoid in the Gulf Stream area. The purpose of the geoid computation from marine gravity information is to derive the absolute dynamic ocean topography based on the best estimate of the mean surface height from recent altimetry missions such as Geosat, ERS-1, and Topex. This paper also tries to overcome difficulties of using Fast Fourier Transformation (FFT) techniques to the geoid computation when the Hotine kernel is modified according to the truncation theory. The derived absolute dynamic ocean topography is compared with that from global circulation models such as POCM4B and POP96. The RMS difference between altimetry-derived and global circulation model dynamic ocean topography is at the level of 25cm. The corresponding mean difference for POCM4B and POP96 is only a few centimeters. This study also shows that the POP96 model is in slightly better agreement with the results derived from the Hotine formula and altimetry data than POCM4B in the Gulf Stream area. In addition, Hotine formula with modification (II) gives the better agreement with the results from the two global circulation models than the other techniques discussed in this paper. Received: 10 October 1996 / Accepted: 16 January 1998