基于T/P衛(wèi)星測高數(shù)據(jù)的海平面變化研究

張毅勝

(廣東省國土資源測繪院, 廣東 廣州 510500)

0 引言

近年來全球氣候變暖,兩極冰蓋減少,海平面也隨之升高,海平面的升高會帶來海岸侵蝕,嚴重還會造成鹽水入侵、洪澇等災(zāi)害,給人類的生存環(huán)境和生命財產(chǎn)安全帶來嚴重威脅[1]。中國作為一個擁有1.8×104km大陸海岸線的國家,發(fā)達地區(qū)主要位于沿海區(qū)域。近年來,越來越多的研究表明,在全球平均海平面上升的背景下,中國海洋沿岸的海平面也正在上升[2-3],因此,深化中國近海海平面變化的研究迫在眉睫。

利用驗潮數(shù)據(jù)得到的海面高數(shù)據(jù)結(jié)果精度較高、時間序列長[4],但由于沿海驗潮站、船測等傳統(tǒng)的海洋觀測手段存在測量成本高、分布不均勻、測量周期長重復(fù)性差等缺點,而利用衛(wèi)星測高技術(shù)可以在較短時間內(nèi)獲取大空間尺度的海洋觀測信息[5-6],使其成為研究海平面變化的重要手段之一。

Jason-3于2016年發(fā)射升空,在發(fā)射升空的前幾個月與Jason-2沿相同的軌道運行,時間相隔約80 s。Jason-3與T/P、Jason-1、Jason-2一起為研究海平面變化提供了25年的數(shù)據(jù),從而保證了數(shù)據(jù)的連續(xù)性[7]。Jason-3是Jason-2衛(wèi)星的后繼衛(wèi)星,雖然這兩顆衛(wèi)星在幾乎完全相同的軌道上相隔一定距離飛行,但是觀測值存在一定的差異。在全球范圍內(nèi)Lauret等計算得到Jason-2和Jason-3之間的差值為2.99 cm[8],但是對于同一組衛(wèi)星在不同海域偏差值不同。本文將對T/P(Topex/ Poseidon)和Jason-1,Jason-1和Jason-2,Jason-2和Jason-3之間的偏差值進行分析,并基于T/P、Jason-1、Jason-2及Jason-3衛(wèi)星提供的1992年10月至2017年7月測高數(shù)據(jù)，利用海平面模型,建立中國各海域的海平面異常序列,研究我國25年各海域的海平面變化情況。

1 數(shù)據(jù)選取與處理

1.1 數(shù)據(jù)選取

本文研究區(qū)域為105°～135°E,0°～45°N的中國近海海域,主要包括黃海和東海海域。所采用的衛(wèi)星測高數(shù)據(jù)為法國空間中心(CNES)發(fā)布的T/P,Jason-1,Jason-2及Jason-3的變軌前地球物理數(shù)據(jù)集(GDR),時間跨度從1992年10月至2017年7月,如表1所示。所用的平均海平面模型為CNES提供的海平面模型,是世界上公認的精度較高的全球海平面模型。

表1 建立海面高異常序列中所使用的測高數(shù)據(jù)

1.2 基本數(shù)據(jù)處理

獲取到的T/P、Jason-1、Jason-2及Jason-3變軌前的GDR數(shù)據(jù)中包含有陸地、海冰以及其他因素導(dǎo)致的質(zhì)量較低的數(shù)據(jù),因此需要對原始數(shù)據(jù)進行篩選和剔除。本文根據(jù)法國空間中心提供的數(shù)據(jù)手冊上的編輯準則進行數(shù)據(jù)編輯處理[9],首先去除陸地、海冰標以及被污染的數(shù)據(jù),并需要對海況偏差、大氣逆壓、大氣折射、潮汐、儀器誤差和徑向軌道誤差等進行改正,得到較高質(zhì)量的測高數(shù)據(jù),之后將篩選過的數(shù)據(jù)以月份為單位進行處理。

通過共線處理和自交叉點平差后會得到削弱了重復(fù)周期觀測數(shù)據(jù)的長波海面高變化和徑向軌道誤差以及系統(tǒng)誤差[10],還需將平均海平面模型內(nèi)插到沿軌正常點平均海平面高,利用沿軌海面高減去沿軌模型內(nèi)插海面高得到所有正常點的海面高異常值。根據(jù)反距離加權(quán)法得到各正常點的海面高異常值,由于觀測點空間緯度分布不均勻,需要對海面高異常值依據(jù)不同緯度分布進行緯度加權(quán)求得每個月份的海面高異常值,得到各月的海面高異常值如圖1所示。

圖1 中國近海海域平均SLA序列

2 結(jié)果與分析

2.1 同步伴飛階段數(shù)據(jù)分析

Jason-1是T/P衛(wèi)星的后繼衛(wèi)星,雖然這2顆衛(wèi)星在幾乎完全相同的軌道上相隔一定距離飛行,但是由于儀器精度等因素的影響,觀測值存在著一定的差異。從圖1可以看出兩顆衛(wèi)星的測高數(shù)據(jù)并不完全吻合,尤其是T/P與Jason-1以及Jason-1和Jason-2之間的差距較大,Jason-2和Jason-3之間的偏差相對小,也需要進行系統(tǒng)偏差的改正,可以利用T/P、Jason-1、Jason-2和Jason-3衛(wèi)星同步伴飛階段數(shù)據(jù)(T/P cycle344～363對應(yīng)Jason-1 cycle001～020,Jason-1 cycle240～259對應(yīng)Jason-2 cycle001～020,Jason-2 cycle281～300對應(yīng)Jason-3 cycle001～020)確定各衛(wèi)星海面高異常值之間的偏差。

對各相鄰衛(wèi)星之間同步伴飛階段的數(shù)據(jù)分別做下列處理:首先,通過計算交叉點平差等步驟求得各周期的海面高異常值,然后對其進行空間平均,再對各對應(yīng)周期的平均海面高異常值作差,得到其對應(yīng)的偏差值,就可求出各衛(wèi)星之間的偏差值。圖2給出了在研究海域各衛(wèi)星同步伴飛期間對應(yīng)周期的海面高異常值及改正后的海面高異常值。

圖2 T/P和Jason-1星同步階段海面高異常值

從圖2～4偏差修正前圖像可看出T/P與Jason-1、Jason-1與Jason-2、Jason-2與Jason-3在同步伴飛期間的海面高異常值存在著明顯的規(guī)律性,相鄰的衛(wèi)星在同一時間段內(nèi)獲得的數(shù)據(jù)趨勢是完全相同的,并且兩顆衛(wèi)星之間的海面高異常值相差一個固定的數(shù)值,T/P與Jason-1以及Jason-1與Jason-2之間的系統(tǒng)偏差較大,Jason-2和Jason-3之間的系統(tǒng)偏差相對小。以T/P衛(wèi)星為基準,分別對Jason-1、Jason-2和Jason-3衛(wèi)星施加一個系統(tǒng)偏差改正數(shù)之后,可以極大地減小系統(tǒng)誤差,增強數(shù)據(jù)的連續(xù)性。

從圖2～4偏差修正后圖像可看出,相鄰衛(wèi)星的偏差值都是圍繞著一定的數(shù)值上下波動,變化平穩(wěn)。T/P與Jason-1的偏差值的最大值與最小值之差為2.6 cm,Jason-1與Jason-2的偏差值的最大值與最小值之差為3.0 cm,Jason-2與Jason-3的偏差值的最大值與最小值之差為1.4 cm,可見Jason-1與Jason-2的觀測值波動最大,Jason-2與Jason-3的觀測值波動最小。

對得到的三組20個周期的偏差值分別求平均,結(jié)果如表2所示,可以看出經(jīng)過偏差改正后平均差值大幅度降低,使數(shù)據(jù)有更高的連續(xù)性。本文將所有衛(wèi)星的海面高異常值都統(tǒng)一到T/P衛(wèi)星上,Jason-1數(shù)據(jù)需要加上-11.76 cm,Jason-2數(shù)據(jù)需加上-2.16 cm,Jason-3數(shù)據(jù)需要加上0.26 cm。

表2 研究海域改正前后相鄰衛(wèi)星偏差統(tǒng)計結(jié)果 單位：cm

由于地理位置的不同,偏差值也存在著一定的差異。所以需要對黃海和東海兩個海域分別計算偏差值以提高精度,各海域的概略范圍分別為黃海119°～126°E,33°～37°N,東海120°～127°E,23°～33°N,表3給出了各海域的系統(tǒng)偏差值。

從表3可看出在不同海域各組衛(wèi)星之間的偏差值有很大差異,在黃海區(qū)域Jason-1和Jason-2衛(wèi)星的偏差值與研究區(qū)域的差異較大,T/P和Jason-1衛(wèi)星、Jason-2和Jason-3的偏差值與研究區(qū)域相差較小。在東海區(qū)域T/P和Jason-1衛(wèi)星較研究區(qū)域相差1 cm左右,Jason-1和Jason-2衛(wèi)星、Jason-2和Jason-3的偏差值與研究海域非常接近。T/P和Jason-1衛(wèi)星的偏差值在各海域存在較大的差異,分別計算兩個海域各衛(wèi)星之間的偏差值可以減小系統(tǒng)誤差,使得到的結(jié)果有更高的連續(xù)性和精度。

圖3 Jason-1和Jason-2星同步階段海面高異常值

圖4 Jason-2和Jason-3星同步階段海面高異常值

表3 各海域平均偏差統(tǒng)計結(jié)果 單位:cm

2.2 海平面異常分析

對整體研究海域海面高異常值進行偏差改正并進行線性擬合,如圖5所示,可以明顯看到在研究海域海面高整體呈上升趨勢,而且具有明顯的周期變化規(guī)律,在夏秋季海平面高之后海平面呈下降趨勢,在冬春海平面較低。從1992年10月開始海平面呈周期規(guī)律性上升趨勢;1997年9月海平面下降較快,在1998年2月海平面最低,這與1997—1998年的厄爾尼諾現(xiàn)象有很大的關(guān)系,在這之后海平面又呈快速上升趨勢;1999—2001年海平面逐步上升,2002—2004年整體是上升趨勢,但是相對1999—2001年呈下降趨勢;從2005年海平面開始恢復(fù)上升狀態(tài),2010年有一個下降再上升的變化;2014—2016年海平面有所下降,2017年海平面又開始上升。海平面的波動除了受潮汐、引力等因素的影響外,受氣候變化影響較大,如在全球發(fā)生厄爾尼諾現(xiàn)象的1997—1998年、2002—2003年、2004—2005年、2006—2007年、2009—2010年、2014—2015年海平面都受到了不同程度的影響,尤其在1997—1998年的大型厄爾尼諾現(xiàn)象發(fā)生時海平面變化巨大。

將得到的研究區(qū)域的海面高異常值分別計算中國各海域海面高異常序列,并利用表3的偏差值對得到的海面高異常值進行改正,最終得到中國各海域的海面高異常序列,并進行最小二乘線性擬合,并與南方濤動指數(shù)(Southern Oscillation Index,SOI)進行對比?？梢钥闯鲈诟骱Ｓ虻暮Ｃ娓弋惓Ｖ导白兓俾矢饔胁煌?這可能不同的地理位置、氣候環(huán)境等因所造成的,黃海、東海的海平面異常值年上升速率依次為2.68、2.88 mm/a。

從圖5(a)可以看出黃海區(qū)域具有比較明顯的季節(jié)性變化,從圖5(b)可以看出在黃海區(qū)域T/P衛(wèi)星階段的數(shù)據(jù)的周期性規(guī)律也不是很明顯,1995年的海平面變化平緩,在1996年2月出現(xiàn)了最低的海面高值,1997—1999年的海面高也沒有明顯的變化,2001年有一個上升下降較明顯的階段,2006年的年內(nèi)變化差最大為0.441 3 m。東海區(qū)域年際變化規(guī)律較明顯,呈穩(wěn)步上升趨勢,1992—1995年的月波動很大,2002年出現(xiàn)一個下降上升較明顯的階段。利用SOI指數(shù)對各海域進行相關(guān)性計算得到,渤海、黃海、東海和南海分別與SOI指數(shù)的相關(guān)系數(shù)為-0.14、-0.03?？梢姸驙柲嶂Z現(xiàn)象與海面高有一定的相關(guān)性,會對海面高變化造成一定的影響。

圖5 海面高異常序列

3 結(jié)束語

本文利用T/P、Jason-1、Jason-2及Jason-3四顆連續(xù)觀測衛(wèi)星的1992年10月至2017年7月共25年測高數(shù)據(jù),對中國近海及鄰域進行分析研究得到如下結(jié)論:TP系列衛(wèi)星之間存在一定偏差值,需要利用同步伴飛階段數(shù)據(jù)進行改正。利用各衛(wèi)星在同步伴飛階段的數(shù)據(jù),得到相鄰衛(wèi)星之間的偏差值,在研究海域,T/P與Jason-1的差值為-11.76 cm,Jason-1與Jason-2的差值為9.60 cm,Jason-2與Jason-3的差值為2.42 cm;中國近海及鄰域海面高整體呈上升趨勢,不同的海域上升的速率不同。對得到的25年的海面高異常值進行線性擬合,得到黃海、東海的海平面上升速率分別為2.68、2.88 mm/a。