基于T/P卫星测高数据的海平面变化研究

本文以T/P系列卫星测高数据为研究基础,对各月份数据进行共线处理,对各交叉点进行平差,从而得到海面高,然后对海面高程异常值进行计算,通过对T/P卫星同时在轨阶段测高数据进行综合分析分析,得到中国近海及邻域的平均偏差数据,分别是T/P与Jason-1的差值为-11.76 cm,Jason-1与Jason-2的差值为9.60 cm,Jason-2与Jason-3的差值为2.42 cm,并进行海面高异常改正,建立了研究海域25年的海面高异常序列.对得到海面高异常序列进行分析,得到黄海、东海的海平面上升速率分别为2.68、2.88 mm/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。     

利用卫星测高与验潮站数据监测越南近海海平面变化

利用卫星测高和验潮站资料计算分析了越南近海海平面变化。结果表明,两种数据得到的海平面变化过程具有很好的同步性,其中,由测高数据计算得到的1993-2015年越南近海整体上升速率为3.18 mm/a,沿岸验潮站海平面上升速率为4.1 mm/a。在整个验潮站观测时段,越南沿海海平面呈上升趋势,平均上升速率为3.02 mm/a。越南近海海平面表现为较强的季节性特征,在红河和湄公河三角洲沿岸地区,极易受到风暴潮和洪水等季节性气候的影响。     

潮汐模型对利用卫星测高数据研究海平面变化的影响

利用T/P测高数据反演了中国近海及西北太平洋海域的潮汐参数,构造了CSR3.0、FES95.2和T/P反演的海潮模型改正下的海面高时间序列,通过海面高变化曲线及功率谱的比较确定了利用测高数据发现的海平面季节内变化主要是潮汐模型误差的贡献.     

卫星测高推求的中国近海与全球海平面变化的趋势及小波相关分析

基于多种卫星测高资料融合海面高数据对黄海、东海、南海和全球海平面异常在1993年至2005年期间的变化趋势进行分析,结果表明:黄海、东海、南海线性趋势分别为5.05mm/a,4.8mm/a,4.27mm/a,均大于全球平均趋势项2.66mm/a,各海域的周期振幅和相位变化也存在较大差异。近海各海域与全球的海平面异常的小波交叉谱和相关谱分析表明,近海各海域与全球海平面异常变化在年际周期上具有较高的谱能,但相位差异较大,短周期相关性不明显。     

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。     

我国近海1992-2006年海平面变化的小波分析

用14年多的多颗测高卫星同化海面异常数据,分析我国近海海平面信号变化特征,结果显示年周期信号在我国海域海平面变化中占有主导地位。其次,半年周期信号在南海也有较强显示,而黄海和东海则表示为高频信号,半年起伏及高频信号的周期和振幅均不稳定。首次在南海和东海海域发现存在一周期为准540 d的信号,其物理机制尚不明确。用标准Morlet小波变换方法对上述周期信号进行了提取。验潮站数据也证实了该信号的存在。海面异常分析结果显示在1993~2007年期间,我国海平面平均升高速率:黄海为(4.01±0.49)mm/a,东海为(4.61±0.35)mm/a,南海为(3.68±0.41)mm/a。海平面上升趋势地理分布结果显示海平面变化具有很大的空间差异性。     

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.     

中国近海1992～1998海平面变化监测与分析

利用Topex/Poseidon和ERS-1卫星测高资料采用“共线”法计算出1992-10～1998-06中国近海海域海平面及其变化。在扣除T/P卫星测高仪的零点漂移影响后,发现与全球海平面上升率(+2.1±1.3)mm/a相比,不同海域的海平面变化趋势大不相同,黄、东、南海的海平面年变化率分别为：(+3.44±0.61)mm/a,(+3.12±0.47)mm/a,(-1.41±0.48)mm/a。从海平面变化异常中可以看出1993,1994,1997～1998年3次El Nino异常对中国近海海域海平面的影响是南海海域最大,东海次之,黄海最小。除了对海平面进行传统的频谱分析外,还进行了多分辨率的小波分析,还发现在上述3个海域中除了年周期变化较为稳定外,半年及季节(100 d)周期项存在着时间漂移。此外,在上述3个海域还存在着明显的两个月(62 d)周期的变化,其激发原因在此做了初步探讨。     

四、海洋测量学

CH20002412 中国近海1992～1998海平面变化检测与分析/王海瑛(中国科学院测量与地球物理研究所)…∥测绘学报.—2000,29(增刊).—32～37利用 Topex/Poseidon 和 ERS-1卫星测高资料采用“共线”法计算出1992.10～1998.06中国近海海域海平面及其变化。在扣除 T/P 卫星测高仪的零点漂移影响后,发现与全球海平面上升率(+2.1±1.3)mm/a 相比,不同海域的海平面变化趋势大不相同,黄、东、南海的海平面年变化率分别为(+3.44±0.61)mm/a.(+3.12±0.47)mm/a,(-1.41±0.48)mm/a。从海平面变化异常中可以看出1993.1994,1997～1998年3次 EINino 异常对中国近海海域海平面的影响是南海海域最大,东海次之,黄海最小。除了对海平面进行传统的频谱分析外,还进行了多分辨率的小波分析,还发现在上述3个海域中除了年周期变化较为稳定外,半年及季节(100d)周期项存在着时间漂移。此外,在上述3个海域还存在着明显的两个月(62d)周期的变化,其激发原因在此做了初步探讨。图3表2参7     

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。     

中国近海卫星测高数据处理与应用研究

本文围绕卫星测高原理、数据处理与应用,着 重对大地水准面、重力异常和海平面进行了探讨 和研究,研究范围涵盖了整个中国近海及其邻近 海域,包括部分西北太平洋海域.主要工作和成果 包括以下5个方面: 1.卫星测高原始观测数据的预处理.①原 始观测数据(Geosat/ERM/GM,ERS-1和 TOPEX/Poseidon)的误差分析与环境改正; ②多颗卫星测高数据处理与径向轨道误差的改 正--单,双星交叠平差;③卫星测高数据的共 线轨道(stacking)处理.     

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。     

基于多源卫星测高数据的新一代全球平均海面高模型

高精度高分辨率平均海面高模型是研究海洋动力环境变化的重要基础。本文基于多源多代卫星测高数据,包括Geosat/GM、Geosat/ERM、ERS-1/168、ERS-2、Envisat-1、T/P和Jason-1数据,采用统一精密的模型或方法对各项地球物理改正和传播介质误差进行了改进或重新计算,然后以T/P和Jason-1两种数据的共线平差作为参考基准,通过发展的全组合交叉点整体平差方法大幅度削弱了径向轨道误差和时变海面高影响,经比较后优选了最小二乘配置格网化方法,以EGM2008高阶重力场模型由移去－恢复方法得到了全球纬度80°S～82°N范围内海域2′×2′平均海平面高模型WHU2009。与国际上较常用的CLS01平均海平面高模型及实测2年平均Jason-1比较表明WHU2009模型整体精度优于CLS01模型。     

采用极值法计算贝加尔湖水位变化

以贝加尔湖为例,利用Jason-1测高卫星7年(2002—2008)、Jason-2测高卫星8年(2009—2016)的波形数据,采用极值法对波形进行重定,计算贝加尔湖水位异常时间序列。通过重定前后提取的湖面水位时间序列与4个实地测量站数据进行对比,发现波形重定前后的卫星测高水位变化数据与测量站数据差值的平均值能提高2 cm左右,波形重定后标准差相较波形重定前能提高40%左右,表明采用极值波形重定算法能显著提高卫星测高数据精度,可以作为一种计算波形改正数的方法。     

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。     

联合卫星测高和GNSS观测的天津沿海近25年相对海平面变化分析

针对现有验潮公开数据因时间范围及潮位沉降修正等影响,难以真实反映天津沿海相对海平面变化的问题,基于全球导航卫星系统（global navigation satellite system,GNSS）与验潮并置观测,设计了联合卫星测高和GNSS观测的天津沿海相对海平面变化分析方法。分析结果显示,1993—2018年期间,塘沽验潮站点的相对海平面上升速率约为13.45±0.45 mm/a;联合4个虚拟并置观测站,得到天津沿海不同区域的相对海平面上升速率在11.15～19.17 mm/a,平均上升速率15.09±0.45 mm/a。沿海地面沉降是天津相对海平面上升速率偏高的主要因素（贡献率大于70%）,受地面沉降非均匀空间分布的影响,海平面上升速率存在区域差异,塘沽验潮站难以代表整个天津沿海的相对海平面变化。     

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。     

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。     

卫星测高逆气压改正及其对海平面变化的影响

研究了全球平均大气压的变化特征,分析了传统卫星测高逆气压改正存在的缺陷,并对以常数大气压为参考值、以全球海洋平均大气压为参考值和顾及高频信号的3种逆气压改正进行了对比。根据T/P卫星测高数据对3种改正方法得到的海面高和海平面变化进行了比较分析,相比于前两种逆气压改正,顾及高频信号的逆气压改正最接近海平面的真实响应,可减少卫星测高海面高交叉点不符值RMS约5.70mm,分别提高海平面变化估计精度约18%和12%。