中國近海及臨海穩(wěn)態(tài)海面地形研究*

彭利峰 張勝軍 李大煒 趙 倩

1)武漢大學衛(wèi)星導航定位技術(shù)研究中心，武漢 430079

2)武漢大學測繪學院，武漢 430079

中國近海及臨海穩(wěn)態(tài)海面地形研究*

彭利峰1)張勝軍2)李大煒2)趙 倩1)

1)武漢大學衛(wèi)星導航定位技術(shù)研究中心，武漢 430079

2)武漢大學測繪學院，武漢 430079

利用Jason-1、Jason-2和Envisat三顆測高衛(wèi)星3年的GDR測高數(shù)據(jù)，與基于GOCE與GRACE聯(lián)合重力場模型GOCO02S計算的大地水準面，采用幾何法計算中國近海及臨海海域穩(wěn)態(tài)海面地形，計算結(jié)果表明，平均海平面與穩(wěn)態(tài)海面地形體現(xiàn)了不同的趨勢，且與已知研究結(jié)果一致。

衛(wèi)星測高;平均海平面;GOCO02S;穩(wěn)態(tài)海面地形;幾何法

1 引言

穩(wěn)態(tài)海面地形(MDT，Mean Dynamic Topography)對于研究地球形狀、確定全球統(tǒng)一的高程基準、求定大地水準面、精化地球重力場模型、確定海洋環(huán)流以及海洋環(huán)境監(jiān)測都具有重要的意義和作用［1］。作為本文研究區(qū)域的中國近海及臨海海域位于太平洋西部，是黑潮流經(jīng)的主要區(qū)域，對該區(qū)域的穩(wěn)態(tài)海面地形研究具有重要意義，許多學者對中國近海及臨海的海面地形進行了研究，并得到了一些有益的結(jié)論［2－4］。但此前研究中所采用的參考重力場多為GRACE或GRACE之前的重力場模型，受GRACE重力場中短波精度的限制，難以反映海面地形的細部信息。而隨著GOCE計劃的成功實施，中短波重力場精度得到了有效改善，有望在100 km分辨率水平上提供厘米級大地水準面，穩(wěn)態(tài)海面地形的分離實現(xiàn)重大突破。

新的純衛(wèi)星250階次重力場模型GOCO02S采用了7年的GRACE數(shù)據(jù)重力場、1年的GOCE SST數(shù)據(jù)、8個月的 GOCE SGG數(shù)據(jù)以及 SLR等數(shù)據(jù)［5］，該模型集合了 GOCE重力場中短波優(yōu)勢和GRACE重力場的長波優(yōu)勢，從而可提高對應海面地形和海洋環(huán)流確定的高階貢獻。本文聯(lián)合多代GDR衛(wèi)星測高數(shù)據(jù)(Jason-1、Jason-2、Envisat)計算了中國近海及臨海(0°－45°N，100°－140°E)平均海面高模型，然后基于GOCO02S重力場模型計算的大地水準面，采用幾何法建立了中國近海及臨海穩(wěn)態(tài)海面地形模型。

2 平均海面高模型

2.1 測高數(shù)據(jù)選取及預處理

研究數(shù)據(jù)來源于Jason-2 GDR與Jason-1 GDR以及Envisat RA-2 GDR(表1)。

表1 衛(wèi)星測高數(shù)據(jù)Tab.1 The altimeter data

由于原始的測高數(shù)據(jù)中包含被污染的測高數(shù)據(jù)，因此需要按相應的編輯準則進行數(shù)據(jù)篩選、剔除和改正。其中選用 GOT00.2海潮模型進行潮汐改正。

為驗證數(shù)據(jù)的可靠性與正確性，對所選數(shù)據(jù)逐周進行了交叉點不符值統(tǒng)計，Jason-2數(shù)據(jù)還使用相同軌跡的Jason-1數(shù)據(jù)進行互檢校。Jason-1和Jason-2的單星自交叉點以及雙星互交叉點處的不符值均方根大都在7～12 cm，Envisat單周期交叉點不符值的均方根約為12 cm。

2.2 海面高模型的建立

首先對預處理后的數(shù)據(jù)進行共線處理以消除時變海面高影響［6］。即在對應參考軌跡點前后各選取五個點，根據(jù)距參考軌跡點的距離確定權(quán)重，進而計算出待求點的海面高及中誤差;然后計算出參與加權(quán)計算的測高點殘差并剔除殘差大于兩倍中誤差的點，循環(huán)計算至無數(shù)據(jù)點刪除;最后將不同周期距離加權(quán)計算得到的海面高累加求平均，并剔除大于兩倍中誤差的點，最終得到不同周期測高數(shù)據(jù)共線處理后的正常點海面高。

本文采用條件平差法對三顆測高衛(wèi)星的數(shù)據(jù)進行聯(lián)合交叉點平差。將經(jīng)過交叉點平差后的離散海面高統(tǒng)一到Jason-1(T/P)參考橢球，并采用Shepard格網(wǎng)化方法［7］構(gòu)建中國近海及臨海海域(0°－45°N，100°－140°E)30'×30'平均海面高模型(圖 1)。

圖1 中國近海及臨海海面高模型Fig.1 The mean sea surface height(MSSH)model over China sea and neighbour

2.3 模型檢驗

為保證海面高模型結(jié)果的可靠性，將計算得到的平均海面高模型與國內(nèi)外具有代表性的海面高模型 WHU2009［8］和 DTU10［9］相同區(qū)域的結(jié)果進行比較，比較結(jié)果見表2。

表2 與WHU2009、DTU10海面高模型比較統(tǒng)計結(jié)果(單位:m)Tab.2 Comparision between WHU2009and DTU10 MSSH models(unit:m)

從表2可見，本文計算的平均海面高模型與兩個模型的均方根差分別為0.134 m和0.117 m，存在差異的主要原因是模型所采用的測高衛(wèi)星以及數(shù)據(jù)的時間跨度不同，與WHU2009差異較大的原因是其采用了GOT4.7海潮模型進行潮汐改正，而本文計算的模型和DTU10均采用了GOT00.2海潮模型。結(jié)果表明，本文計算的中國近海及臨海平均海面高模型具有較高的精度和可用性。

3 穩(wěn)態(tài)海面地形

3.1 穩(wěn)態(tài)海面地形計算

穩(wěn)態(tài)海面地形定義為平均海平面與大地水準面之差［10，11］，即:

其中，ξ(θ，φ)表示穩(wěn)態(tài)海面地形，H(θ，φ)為平均海面高，N(θ，φ)為大地水準面高。

根據(jù)式(1)將相同格網(wǎng)點的格網(wǎng)海面高與格網(wǎng)大地水準面高做差，即可得到中國近海及臨海海域的格網(wǎng)穩(wěn)態(tài)海面地形。如圖2(a)所示，其結(jié)果含有較多的噪聲，難以分析海面地形的主要特征，引起噪聲的主要原因是代表誤差(Commission Eror)和截斷誤差(Omission Eror)，前者與重力場球諧系數(shù)階次成正比，與后者成反比［12］。為更清晰地揭示穩(wěn)態(tài)海面地形的特征，需進行濾波以削弱噪聲的影響。本文選擇600 m半徑的高斯濾波進行降噪處理，濾波時不考慮陸地上的點，濾波結(jié)果見圖2(b)。

圖2 濾波前后的中國近海及臨海穩(wěn)態(tài)海面地形Fig.2 The MDT models before and after Gaussian filter over China sea and neighbour

3.2 模型檢核

為驗證本文計算的穩(wěn)態(tài)海面地形結(jié)果的可靠性，將結(jié)果與國際模型 CLS09 MDT［13］和 DTU10 MDT中國近海及臨海區(qū)域的結(jié)果進行比較，結(jié)果見表3。在比較前首先利用雙線性插值方法將CLS09和DTU10模型插值為30'×30'，刪除陸地與島嶼上的點，并剔除差值大于3倍中誤差的野值，統(tǒng)計結(jié)果顯示，本文計算的穩(wěn)態(tài)海面地形模型與CLS09和DTU10結(jié)果均方根差均在11 cm左右，產(chǎn)生差異的主要原因是模型所采用的數(shù)據(jù)源不同以及計算方法的差異，CLS09 MDT同樣采用了幾何法處理了平均海面和大地水準面，但其聯(lián)合了水文、浮標等物理海洋數(shù)據(jù)，而DTU10 DMT則采用了球諧系數(shù)法進行計算。結(jié)果表明，本文計算的中國近海及臨海穩(wěn)態(tài)海面地形與CLS09 MDT、DTU10 MDT均符合較好，具有較高的精度和實用性。

表3 與CLS09、DTU10穩(wěn)態(tài)海面地形模型比較統(tǒng)計結(jié)果(單位:m)Tab.3 Comparision between CLS09 and DTU10 MDT models(Unit:m)

4 結(jié)論

GOCE重力衛(wèi)星計劃的成功實施，大大改善了地球重力場中短波精度，但目前GOCE長波部分重力場精度不盡如人意，而GRACE重力場具有長波優(yōu)勢，因此 GOCE與 GRACE聯(lián)合重力場集合了GOCE與GRACE的優(yōu)勢，能夠反映更為細致的海面地形信息。本文利用三顆在軌測高衛(wèi)星數(shù)據(jù)計算了中國近海及臨海海域(0°～45°N，100°～140°E)平均海面高模型，并聯(lián)合GOCE與GRACE聯(lián)合重力場模型GOCO02S建立了中國近海及臨海海域穩(wěn)態(tài)海面地形。

分析其計算的結(jié)果可以得到:

1)經(jīng)過與國內(nèi)外同類模型的比較，證明本文所建立的中國近海及臨海平均海面高模型及穩(wěn)態(tài)海面地形模型的精度是可靠的;

2)中國近海及臨海的平均海平面呈現(xiàn)出明顯的“西北低-東南高”趨勢，且具有明顯的梯度:在“珠江入海口-越南-馬來西亞”以西海域，海平面高為負值;從105°E～110°E赤道附近海域向東北延伸至日本海域的海平面高集中在10～40 m;中國近海及臨海東南角及菲律賓附近海域海平面較高，從50 m上升至77 m。

3)中國近海及臨海穩(wěn)態(tài)海面地形在整體上是高的(正的)，且表現(xiàn)出與平均海平面不同的趨勢:在“長江入?？?日本”以北海域海面地形較低，約為0.4 m，被黑潮和北赤道暖流所包圍的海域(即圖2(a)中的黃色區(qū)域)海面地形較高，集中在1.3～1.75 m，其中最高點出現(xiàn)在日本的東南海域，海面地形高度為1.75 m，其量級與位置均與已知研究結(jié)果一致;在菲律賓的呂宋島(Luzon)與棉蘭老島(Mindanao)附近出現(xiàn)兩個明顯的下凹，其中棉蘭老島的下凹趨勢更為強烈，最低點的海面地形高度為0.2 m。

4)根據(jù)地轉(zhuǎn)流原理，海面地形等值線密集的海域存在洋流，分析海面地形結(jié)果的等值線可以清晰看出黑潮的流向及流域:黑潮在臺灣島東部海域被分流，一部分以“蛇形”走勢折向日本海海域，另一部分則進入南海海域，與已知的黑潮研究結(jié)果一致。

1 李建成，等.地球重力場逼近理論與中國2000似大地水準面的確定［M］.武漢:武漢大學出版社，2003.(Li Jiancheng，et al.The theory of approaching earth gravity field and evaluation of Chinese 2000 Qusi-geoid［M］.Wuhan:Wuhan University Press，2003)

2 陳俊勇，李建成，晁定波.用T/P測高數(shù)據(jù)確定中國海域及其鄰海的海面高及海面地形［J］.武漢測繪科技大學學報，1995，20(4):321 －326.(Chen Junyong，Li Jiancheng and Chao Dingbo.Determination of the sea level height and sea surface topography in the China Sea and neighbour by T/P altimeter data［J］.Journal of Wuhan Technical University of Surveying and Mapping，1995，20(4):321 －326)

3 張鶴.T/P衛(wèi)星測高數(shù)據(jù)確定海面地形的方法研究及應用［J］.測繪通報，2005，2:10 －13.(Zhang He.The method of determining sea surface topography by T/P altimeter data［J］.Bulletin of Surveying and Mapping，2005，2:10 －13)

4 張子占，馬海青，陸洋.多源數(shù)據(jù)推求的西太平洋區(qū)域海面動力地形比較分析［J］.海洋測繪，2007，27(5):4－7.(Zhang Zizhan，Ma Haiqing and Lu Yang.Comparative analysis of the dynamic ocean topography over the western Pacific derived from multi-source data［J］.Hydrographic Surveying and Charting，2007，27(5):4 －7)

5 Helmut Goiginger，et al.The combined satellite-only global gravity field model GOCO02S［R］.EGU General Assembly 2011.

6 趙小陽，等.ENVISAT-1衛(wèi)星測高數(shù)據(jù)編輯標準的研究［J］.海洋測繪，2006，26(6):65 －67.(Zhao Xiaoyang，et al.The research on data editing criteria of ENVISAT-1 satellite altimeter［J］.Hydrographic Surveying and Charting，2006，26(6):65－67)

7 方楊，蔣濤.衛(wèi)星測高數(shù)據(jù)格網(wǎng)化方法研究［J］.海洋測繪，2010，30(3):30 －33.(Fang Yang and Jiang Tao.Research on gridding of satellite altimetry data［J］.Hydrographic Surveying and Charting，2010，30(3):30－33)

8 金濤勇，等.基于多源衛(wèi)星測高數(shù)據(jù)的新一代全球平均海面高模型［J］.測繪學報，2011，40(6):723－729.(Jin Taoyong，et al.The new generation of global mean sea surface height model based on multi-altimetric data［J］.Acta Geodaetica et Cartographica Sinica，2011，40(6):723 －729)

9 Ole B，Andersen and Per Knudsen.The DTU10 mean sea surface and mean dynamic topography［R］.OSTST，Lissabon，Portugal，October 2010.

10 Ole B，Andersen and Per Knudsen.DNSC08 mean sea surface and mean dynamic topography models［J］.Journal of Geophysical Reserach，2009，114，C11001.

11 Rory J，et al.Calculating the ocean’s mean dynamic topography from a mean sea surface and a geoid［J］.Journal of Atmospheric and Oceanic Tecchnology，2008，25:1 808 －1 822.

12 Knudsen P，et al.A global mean dynamic topography and ocean circulation estimation using a preliminary GOCE gravity model［J］.J Geod.，2011，85:861 － 879.

13 Rio M H，et al.New CNES-CLS09 global mean dynamic topography computedfrom the combination of GRACE data，altimetry，and in situ measurements［J］.Journal of Geophysical Research，2011，116，C07018.

致謝 感謝NOAA、NASA以及ESA分別提供的Jason-2、Jason-1和Envisat數(shù)據(jù)，GFZ提供的GOCO02S重力場模型，AVISO提供的CLS09 MDT模型，DTU Space Center提供的DTU10模型。

MEAN DYNAMIC TOPOGRAPHY OVER CHINA SEA AND NEIGHBOUR

Peng Lifeng1)，Zhang Shengjun2)，Li Dawei2)and Zhao Qian1)
1)GNSS Research Center，Wuhan University，Wuhan430079
2)School of Geodesy and Geomatics，Wuhan University，Wuhan430079

Using the GDR data recorded by the Jason-1，Jason-2 and Envisat altimetry satellites for three years，and on the basis of the geoid calculated by the GOCO02S gravity field model which is combined with GOCE and GRACE，the mean dynamic topography is calculated over China sea and neighbour using Pointwise approuch.The results show that different trends are reflected from mean sea surface and mean dynamic topography，which are consistent with the known results respectively.

satellite altimetry;mean sea surface;GOCO02S;mean dynamic topography;Pointwise approuch

P312

A

1671-5942(2013)04-0065-04

2012-12-09

國家重點基礎研究發(fā)展計劃(2012CB957703)

彭利峰，男，1985年生，博士研究生，主要從事衛(wèi)星測高與衛(wèi)星重力在海洋學中的應用研究.E－mail:lfpeng@whu.edu.cn