利用衛(wèi)星測高監(jiān)測高郵湖水位變化

梁子亮，岳建平

（河海大學(xué)地球科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇南京 210098）

一、引 言

衛(wèi)星測高以衛(wèi)星為載體，以海面作為遙測靶，由衛(wèi)星上裝載的雷達測高儀向海面發(fā)射微波信號，該雷達脈沖信號傳播到達海面后，經(jīng)過海面反射，再返回到雷達測高儀［1］。通過計算信號往返的時間可以得到衛(wèi)星高度的測量值［2］。

相較于常規(guī)方法，衛(wèi)星測高具有實時、全天候的特點，尤其在偏遠的內(nèi)陸湖地區(qū)，利用衛(wèi)星測高可以近實時監(jiān)測水域的水位變化，建立水域水位的多年時間序列［3］。近年來利用衛(wèi)星測高技術(shù)監(jiān)測內(nèi)陸湖泊水域變化，國內(nèi)已經(jīng)做了很多研究。褚永海等利用Jason-1數(shù)據(jù)分析了呼倫湖水位變化［3］；李建成等利用ENVISAT的數(shù)據(jù)分析了長江中下游湖泊水位的變化［4］；高永剛等利用波形重定后的T/P和Jason-1衛(wèi)星測高數(shù)據(jù)對呼倫湖水位再次進行了分析［5］；姜衛(wèi)平等利用ENVISAT數(shù)據(jù)分析了青海湖水位變化［6］；李景剛等利用Jason-2衛(wèi)星測高數(shù)據(jù)分析了南洞庭湖的水位變化［7］。本文利用 Jason-1、Jason-2衛(wèi)星測高數(shù)據(jù)分析了高郵湖2003—2012年的水位變化情況。

二、研究區(qū)與數(shù)據(jù)

1.高郵湖概況

高郵湖是江蘇省第三大淡水湖、中國第六大淡水湖，總面積約780 km2。它的湖盆高出東部里下河平原1.0～2.5 m。湖水較淺，最大水深2.40 m，平均水深僅1.44 m［8］。高郵湖位于淮河下游地區(qū)，為淺水湖泊，處于淮河入江水道的中段，是淮水入江的主要通道。高郵湖主要承泄淮河70%以上的來水，是典型的過水型湖泊，行洪期間河湖連為一片［9］。圖1為 Google Earth環(huán)境下顯示的Jason-1、Jason-2衛(wèi)星通過洞庭湖的地面軌跡。在每個Cycle內(nèi)，Jason-1、Jason-2總共有254個 Pass文件，只有Pass153弧段經(jīng)過高郵湖。

圖1 Jason-1、Jason-2衛(wèi)星通過高郵湖的軌跡

2.測高數(shù)據(jù)

本文采用 OSTST發(fā)布的 Jason-1、Jason-2的GDR數(shù)據(jù)，兩類數(shù)據(jù)均從AVISO網(wǎng)站下載。GDR數(shù)據(jù)中，每個 Cycle包含154個 Pass文件。每個Pass文件中所包含的數(shù)據(jù)記錄個數(shù)與衛(wèi)星通過的地面狀況有關(guān)。每個記錄中包含了時間、位置、高度、姿態(tài)、測高、環(huán)境改正、有效波高、海況改正、后向散射系數(shù)等數(shù)據(jù)項，每個數(shù)據(jù)項的定義、單位、缺省值和取值范圍可以參考衛(wèi)星測高產(chǎn)品手冊。Jason-1、Jason-2衛(wèi)星只有Pass153弧段經(jīng)過高郵湖。Jason-1測高數(shù)據(jù)為從2003年1月3日至2009年1月22日（Cycle036～Cycle259）的GDR-C數(shù)據(jù)。Jason-2測高數(shù)據(jù)為從2009年2月1日至2012年12月29日（Cycle000～Cycle128）的 GDR-T數(shù)據(jù)。Jason-2為Jason-1的后續(xù)衛(wèi)星，基本特征與Jason-1相同，一個軌道周期為10 d，地面軌跡在赤道上間距約為315 km。

三、數(shù)據(jù)分析

1.湖水位計算

精確測定高度及發(fā)射的脈沖往返于衛(wèi)星與湖面的雙程傳播時間，便可以確定衛(wèi)星到水面的距離。該觀測值與衛(wèi)星相對于參考橢球面的高度均可以從GDR數(shù)據(jù)文件中獲取。將這兩個觀測值相減，可以得到湖水面相對于參考橢球的高度，即

式中，H表示湖面橢球高；Halt表示衛(wèi)星相對于參考橢球的距離；Hran表示衛(wèi)星到湖面的距離；δcor表示誤差改正。

在開闊海域，GDR數(shù)據(jù)中提供了包括固體潮、電離層、對流層（干、濕）、海潮、極潮、逆氣壓和海況偏差等在內(nèi)的多項改正。對于內(nèi)陸湖泊，測高數(shù)據(jù)內(nèi)的最優(yōu)改正模型并不完全有效和適用，濕對流層和電離層改正經(jīng)常缺損，這是將測高數(shù)據(jù)用于監(jiān)測湖泊精度受到限制的主要因素［3］。本文改正包括對流層（干、濕）、電離層、海況、固體潮、極潮5項改正。式（1）中誤差改正為

式中，δwet為濕對流層改正；δdry為干對流層改正；δlono為電離層改正；δset為固體潮改正；δpol為極潮改正；δssb為海況改正。

2.數(shù)據(jù)編輯

在內(nèi)陸水域，由于其面積較小，并且相對于開闊海面，衛(wèi)星測高的數(shù)據(jù)量相對較少。介于此，海洋上的數(shù)據(jù)編輯標準并不能完全適用。在本文研究中，采用BRAT軟件對讀取的GDR數(shù)據(jù)進行編輯，標準為:① 數(shù)據(jù)位于湖泊水面范圍內(nèi)，根據(jù)surface_type==1進行判斷；② 測高儀所觀測的高度有效，根據(jù)qual_alt_1hz_range_ku==0進行判斷；③各項改正的數(shù)值在有效的范圍內(nèi)；④同一Cycle中的GDR數(shù)據(jù)與同一Cycle平均值的差值在3倍中誤差的限差范圍內(nèi)；⑤剔除經(jīng)上述判斷后所得數(shù)據(jù)中的粗差［5］。

由于Jason-2衛(wèi)星發(fā)射升空后，Jason-1衛(wèi)星仍在軌。從2008年7月8日至2009年1月22日兩衛(wèi)星存在重疊數(shù)據(jù)，為了選擇質(zhì)量較好的數(shù)據(jù)，本文對兩衛(wèi)星在此期間的數(shù)據(jù)進行了分析，結(jié)果見表1。分析得出Jason-1的數(shù)據(jù)質(zhì)量優(yōu)于Jason-2數(shù)據(jù)，其原因可能為Jason-2衛(wèi)星此時仍處于驗證階段，數(shù)據(jù)質(zhì)量相對較低。選擇Jason-1數(shù)據(jù)作為2008年7月8日至2009年1月22日的湖面高計算數(shù)據(jù)。

表1 2008年7月8日至2009年1月22日間Jason-1、Jason-2湖面高數(shù)據(jù)統(tǒng)計 m

根據(jù)前文數(shù)據(jù)編輯標準，對測高數(shù)據(jù)進行編輯，得到時間跨度為2003年3月1日至2012年12月29日共310個湖面高數(shù)據(jù)。分析發(fā)現(xiàn)，每年的1月、2月及3月存在部分數(shù)據(jù)為負數(shù)，與實際不符，原因可能為冬季湖面結(jié)冰，衛(wèi)星高度計跟蹤模式不同所造成的，應(yīng) 剔 除 該 異 常 數(shù) 據(jù)。在 （32°58＇42″N，119°23＇55″E）附近的數(shù)據(jù)同樣存在部分不符值，原因可能為該地區(qū)有部分陸地延伸進湖泊內(nèi)，衛(wèi)星高度計在測量的過程中產(chǎn)生了誤差，以也應(yīng)將其剔除。表2是將所有數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計的結(jié)果，可以看出，如果剔除粗差，計算湖面平均橢球高度的標準差約0.799 4 m，精度明顯優(yōu)于剔除前。

表2 高郵湖2003—2012年湖面高數(shù)據(jù)統(tǒng)計表 m

四、計算結(jié)果

瞬時湖面高由兩個分量之和構(gòu)成:①相對于參考橢球面的大地水準面高；②相對于大地水準面的湖面高。由于內(nèi)陸湖泊地區(qū)的大地水準面通常很難確定，本文將每一個瞬時湖面高減去平均湖面高，從而得到時間序列，并以此來分析水位變化，該過程同樣可以消除部分誤差的影響［3］。本文使用的平均湖面高是將9年（2003—2012年）的瞬時湖面高求取平均值而獲得的。

1.年水位異常

高郵湖位于淮河下游地區(qū)，其水位受淮河影響嚴重。將每一年內(nèi)所有瞬時湖面高取平均值，減去10年平均湖面高，得到年水位異常（如圖2所示）。年水位較高處出現(xiàn)在2003年、2005年和2007年，這與2003年、2005年和2007年淮河發(fā)生的洪澇災(zāi)害相符［10］。其中2003年水位明顯高于其余各年，這也與當年在高郵湖發(fā)生的特大洪澇災(zāi)害相符，該年淮河水位達到了歷史第二高［11］。從圖2中可以看出，10年內(nèi)高郵湖水位呈下降趨勢，自2009年之后下降趨勢尤為明顯，這也與近年來降水量呈減少趨勢相符［12］。

圖2 高郵湖2003—2012年年水位時間序列

2.月水位異常

高郵湖位于淮河下游地區(qū)，處于淮河入江水道的中段，其水位受淮河影響嚴重，每當洪水季節(jié)，水位升高；枯水季節(jié)，水位下降。從圖3可以看出，高郵湖水位具有明顯的季節(jié)性變化特征，每年的最高水位出現(xiàn)在7月。從5月開始，由于梅雨季節(jié)來臨，水位逐漸上升；7、8月達到最高峰，這個時期也是淮河流域洪峰時期。9月以后水位逐漸降低，進入平水期，11月至翌年的4月水位為年內(nèi)最低值。每年的冬季和春季水位較低且穩(wěn)定，變幅不大，這與淮河流域水位變化有明顯的相關(guān)性。

2003年6 月29 日至2003年7月4日和2005年7月4日至2005年7月11日淮河流域（31°～36°N、112°～36°E）出現(xiàn)了連續(xù)性的強降水［13］。2007年江淮流域從6月19日開始入梅，降雨增加，特別是2007年6月29日至2007年7月10日，淮河流域出現(xiàn)了集中強降水［11］，受淮河及降水影響，高郵湖水位連續(xù)超警戒水位。上述實際情況與圖中反映出的水位起伏相符。

圖3 高郵湖2003—2012年月水位時間序列

3.水位異常序列的Fourier分析

首先取各個半年的水位異常數(shù)據(jù)作為輸入數(shù)據(jù)，利用 Fourier變換對高郵湖湖泊水位（2003—2012年）的時間序列進行分析。在分析中由頻率和幅度構(gòu)成頻率-幅度圖，用于確定水位變化，從中發(fā)現(xiàn)湖泊水位變化周期項。圖4給出了高郵湖水位變化序列的頻譜分析，振幅圖中有一個較大的峰值，由此推斷高郵湖水位具有較強的周期性，且周期為1.5年。

圖4 高郵湖水位變化的頻譜分析圖

五、結(jié)束語

本文利用Jason-1測高衛(wèi)星6年（2003—2009年）和 Jason-2測高衛(wèi)星3年（2009—2012年）的GDR數(shù)據(jù)，經(jīng)數(shù)據(jù)編輯，得到了高郵湖年水位異常和月水位異常的時間序列，并利用Fourier變換分析了水位變化的周期。從兩個時間序列來看，高郵湖水位呈現(xiàn)下降趨勢，且自2009年之后尤為嚴重。每年的7、8月高郵湖水位達到峰值，且在9月以后水位逐漸降低。分析發(fā)現(xiàn):高郵湖水位呈現(xiàn)出顯著的周期變化，周期為1.5年。高郵湖位于淮河下游地區(qū)，其水位受淮河影響嚴重。本文利用衛(wèi)星測高資料所得出的高郵湖水位變化序列，與近幾年高郵湖及淮河水位實際情況相符。

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