基于衛(wèi)星測(cè)高技術(shù)的南極冰蓋變化及影響因素研究

楊全明

1.宿州學(xué)院環(huán)境與測(cè)繪工程學(xué)院,安徽 宿州 234000; 2.武漢大學(xué)中國(guó)南極測(cè)繪研究中心,湖北 武漢 430079

全球氣候與環(huán)境變化是影響南極冰蓋變化的重要因素之一。當(dāng)前全球氣候變暖不斷加劇,對(duì)南極冰蓋的穩(wěn)定造成了嚴(yán)重威脅,進(jìn)而影響到人類(lèi)未來(lái)的生存與發(fā)展。因此研究南極冰蓋的定量變化,對(duì)于加深全球氣候變化認(rèn)識(shí)和預(yù)測(cè)未來(lái)全球海平面變化具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。論文通過(guò)對(duì)前人的研究進(jìn)行總結(jié)和分析,針對(duì)在處理衛(wèi)星測(cè)高任務(wù)間偏差和升降軌道偏差方面存在的問(wèn)題和不足,提出了NPF(novel plain fitting)解算模型。論文聯(lián)合Envisat和CryoSat-2數(shù)據(jù),通過(guò)NPF模型研究了近20年的南極冰蓋高程變化;同時(shí),結(jié)合GRACE重力衛(wèi)星數(shù)據(jù)對(duì)南極冰蓋同期的質(zhì)量變化進(jìn)行了分析;最后,利用ICA方法對(duì)厄爾尼諾-南方濤動(dòng)(El Nio-southern oscillation,ENSO)、年代際太平洋濤動(dòng)(interdecadal Pacific oscillation,IPO)、南半球環(huán)狀模式(southern Annular mode,SAM)和印度洋偶極子(Indian ocean dipole,IOD)進(jìn)行獨(dú)立成分分析,獲取了互相獨(dú)立的各個(gè)氣候因子成分。首次實(shí)現(xiàn)了氣候因子影響與人類(lèi)活動(dòng)直接影響的分離,估算出人類(lèi)直接或間接活動(dòng)造成的南極冰蓋質(zhì)量變化。具體研究?jī)?nèi)容如下:

(1) 根據(jù)目前聯(lián)合多個(gè)衛(wèi)星測(cè)高任務(wù)研究長(zhǎng)時(shí)序的冰蓋表面高程變化時(shí),在處理衛(wèi)星測(cè)高任務(wù)間偏差和升降軌道偏差方面存在的問(wèn)題和不足,論文提出了一種基于傳統(tǒng)平面擬合法改進(jìn)的新平面擬合解算(novel plain fitting,NPF)模型,該模型通過(guò)同時(shí)引入任務(wù)間偏差和升降軌道偏差參數(shù)以有效地消除任務(wù)間偏差和升降軌道偏差。首次實(shí)現(xiàn)不同測(cè)高衛(wèi)星任務(wù)的觀測(cè)數(shù)據(jù)在統(tǒng)一的數(shù)學(xué)解算模型下進(jìn)行同步解算,并得到連續(xù)、自洽的冰蓋表面高程時(shí)間序列,以及不同測(cè)高衛(wèi)星任務(wù)間偏差和升降軌道偏差。

(2) 基于論文提出的NPF模型,聯(lián)合Envisat和CryoSat-2數(shù)據(jù),提取了2002年5月—2019年4月期間空間分辨率達(dá)到千米的月均南極冰蓋表面高程和冰蓋體積變化時(shí)間序列,該時(shí)間序列呈現(xiàn)出較好的連續(xù)、自洽特征,克服了當(dāng)前多測(cè)高衛(wèi)星估算的長(zhǎng)時(shí)間序列連續(xù)性、自洽性不好的問(wèn)題。

(3) 采用經(jīng)驗(yàn)正交函數(shù)(empirical orthogonal function,EOF)、經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解(empirical mode decomposition,EMD)等數(shù)據(jù)分析方法,對(duì)南極冰蓋表面高程、表面物質(zhì)平衡和質(zhì)量變化等時(shí)間序列進(jìn)行時(shí)空分析,最終發(fā)現(xiàn)氣候因子是造成南極冰蓋變化存在年際周期變化特征的主要因素。

(4) 針對(duì)當(dāng)前國(guó)內(nèi)外缺乏氣候因子對(duì)南極冰蓋變化影響研究的現(xiàn)狀,論文通過(guò)對(duì)氣候因子與南極冰蓋變化的相關(guān)性研究,使用獨(dú)立成分分析(independent component analysis,ICA)方法首次實(shí)現(xiàn)了南極冰蓋變化中氣候因子影響(人類(lèi)間接活動(dòng)的影響)與人類(lèi)活動(dòng)直接影響的分離,并發(fā)現(xiàn)在2002—2017年期間,氣候因子是造成南極冰蓋質(zhì)量損失加速的主要原因,而人類(lèi)活動(dòng)的直接影響對(duì)南極冰蓋質(zhì)量損失加速貢獻(xiàn)較小。