南極恩德比地冰蓋高程變化研究*

吳云龍 楊元德 袁樂先 劉爭戰 伍 岳

1)中國地震局地震研究所(地震大地測量重點實驗室)，武漢 430071

2)中國地震局地殼應力研究所武漢科技創新基地，武漢 430071

3)武漢大學中國南極測繪研究中心，武漢 430079

4)天津測繪研究院，天津 300381

5)三峽大學，宜昌 443002

南極恩德比地冰蓋高程變化研究*

吳云龍1，2)楊元德3)袁樂先3)劉爭戰4)伍 岳5)

1)中國地震局地震研究所(地震大地測量重點實驗室)，武漢 430071

2)中國地震局地殼應力研究所武漢科技創新基地，武漢 430071

3)武漢大學中國南極測繪研究中心，武漢 430079

4)天津測繪研究院，天津 300381

5)三峽大學，宜昌 443002

利用2002-10—2007-09月Envisat數據的交叉點和不同期間交叉點的高差組成高程變化時間序列，通過交叉點動態分析算法，研究南極恩德比地近年來冰蓋的高程變化，結果表明該區域存在明顯的正增長，增速達6 cm/a。

Envisat數據;南極冰蓋;交叉點分析;恩德比地地區;高程變化

1 引言

南極冰蓋冰儲量約占全球冰川的90%，南極冰蓋物質平衡的微小變化都會對全球海平面變化等造成巨大影響。研究表明，南極冰蓋對海平面變化現狀存在很大不確定性，限制了對海平面未來變化的研究和預測。南極冰蓋高程變化趨勢及其機理已成為極地環境監測研究的熱點。在過去二十年中，利用衛星測高、衛星重力等空間對地觀測手段確定南北極地區的高程變化，進而定量監測極地冰蓋物質平衡，得到了廣泛的應用［1－5］。

目前利用衛星測高監測冰蓋高程變化的方法主要有交叉點分析和重復軌道分析兩種算法，而交叉點分析算法能夠消除一些系統誤差［6］，因此該算法獲得的精度優于重復軌道分析方法。交叉點分析是利用升降軌道形成的交叉點高程時間序列進行分析。該算法通常以固定時間間隔進行分析，這樣交叉點分析能獲得一個上三角的觀測矩陣，對于利用這個觀測矩陣，研究者們提出了不同的數據處理方法。根據文獻［6，7］的研究，動態法在交叉點個數、高程變化時間序列的精度等諸多方面均優于其他兩種算法，因此本文直接利用動態法進行分析。

研究表明，東南極冰蓋整體處于物質平衡狀態，而恩德比地是東南極較活躍的區域，GRACE、ICESat和地面實測數據均表明東南極恩德比地存在較為明顯的物質增長［8］。ICESat的工作時間為2003至2009年，因此利用在南極冰蓋已進行20余年觀測的ERS-1/2和Envisat衛星測高觀測數據顯得十分必要，目前國內外對Envisat利用較少。基于此，本文將利用Envisat數據，通過交叉點動態分析算法，研究南極恩德比地近年來冰蓋高程變化趨勢。

2 數據分析與算法介紹

研究采用2.1版SGDR Envisat數據產品，該數據修正了USO鐘周期項。計算時直接利用產品中自帶的對流層改正、電離層改正、固體潮改正等改正項，波形重定算法則選用適用于南極冰蓋的ICE-2算法。采用的Envisat數據從2002-10—2007-09月。

設dH表示|tA－tD|時段高程變化:

其中，tA、tD表示升降軌時刻，BA與BD表示與方向相關、與時間無關的衛星測高軌道誤差，ΔHS(t)表示由反射能量變化導致的虛假高程變化。

式中，nAD與SDAD為升降交叉點個數及誤差，nDA與SDDA為降升交叉點個數及誤差，ωAD=nAD/(nAD+nDA)表示權重。由于nAD、nDA較大，通常不考慮誤差項BA、BD［2］。

式中，R=1則動態參考算法為靜態參考算法。在此基礎上，對每列數據，利用加權平均計算得到高程變化的時間序列dHj:

采用三個標準剔除質量較差的格網:

3 結果分析

3.1 反射能量改正

研究表明，反射能量的變化會導致高程時變效應［7］。在數據處理時，我們首先計算反射能量和高程的時間序列，然后利用高程變化與反射能量的時間序列，計算得到其相關系數(圖1(a))。結果表明，大部分區域的相關系數均高于0.7，內陸甚至超過0.9;而近岸部分區域，未能滿足標準，數據出現了空白。

最后，對高程進行反射能量改正，改正后的高程變化時間序列dHcor(j)為:

式中，dσj為反射能量，CG為相關系數梯度。圖1(b)為CG的空間分布，近岸的CG較小，內陸CG較大，最大值約0.6 m/dB。圖1顯示CG與相關系數的空間分布類似，相關系數越大，CG越大。

圖2(a)為經過反射能量改正后的高程變化時間序列(中心點為 80.5°S，51E°);圖 2(b)為高程變化和反射能量變化的時間序列，從該圖可以看出高程變化與反射能量變化高相關，反射能量變化引起高程季節和年際變化。比較圖2(a)和2(b)，可以看出改正使得高程變化率的符號發生了變化。

圖1 反射能量與高程變化的空間分布Fig.1 Spatial distribution between elevation change and backscattered power change

圖2 80.5°S，51E°中心點的冰蓋高程與反射能量變化時間序列Fig.2 Time series of height change and backscattered powerbackscatter change in 80.5°S，51E°point

3.2 研究區的高程變化

冰蓋高程變化包括趨勢項與年周期變化，其中趨勢項與氣候變化有關。在任一格網中，對冰蓋高程變化的時間序列進行線性項與年周期變化項擬合，即可獲得

其中A+Bt表示趨勢項，B為變化率，C和D表示年周期變化，w=2π。

計算結果表明恩德比地的高程變化趨勢項呈空間分布不均勻的特點(圖3)。2002－10—2007－09月，恩德比地冰蓋表面高程變化存在明顯整體增加趨勢，平均變化率為6 cm/a。結合2002年至2007年的歷史資料分析，2003、2004年恩德比地出現了明顯的冰蓋消融，2005年之后，先后經歷了冰蓋顯著增高再微弱消融的過程。冰蓋表面高程的劇烈變化以及整體增高趨勢與厄爾尼諾現象可能存在關系。

圖3 高程變化趨勢項的空間分布Fig.3 Spatial distribution of height change trend

圖4給出了中心點70.5°S，51E°的冰蓋高程變化時間序列，由圖4可以看出，從2002年10月開始到2003年8月，恩德比地發生冰蓋消融現象，2003年9月到2005年4月，整體呈現平衡狀態，而從2005年5月開始出現了較強的年季變化，呈現出顯著增高現象。

此外，與恩德比地對應的相鄰區域，存在明顯的冰蓋表面高程減少現象，其平均變化率為－3 cm/a。分析其原因，恩德比地為大洋環繞，常年受極地高壓控制，陸地氣溫比海洋氣溫低得多，尤其在冬季，陸上氣壓與海洋氣壓的相差愈加變大。當夏季和冬季季節變化時，靠近海洋海拔較低區域，冰流從冰原流向冰架，由此導致其相鄰區域的物質質量負變化，因此這些區域呈現較大的冰蓋高程變化現象。

圖4 70.5°S，51E°中心點的冰蓋高程變化時間序列Fig.4 Time series of ice sheet height change in 70.5°S，51E°point

對于南極東南極較活躍的恩德比地區域，亦有多種獨立數據源的觀測結果，均顯示其存在較為明顯的物質增長，與本文結果取得了相互驗證。Yamamoto［8］利用 GRACE、ICESat和地面實測數據對恩德比地的質量遷移進行了比較分析，認為該區域在2005年至2007年，存在明顯冰蓋顯著增高的變化過程。史紅嶺［4］利用2003年至2007年的ICESat觀測值，探測得到了東南極恩德比地在2003年至2007年冰蓋表面高程具有整體增長的趨勢，達到了4.79±0.13 cm/a。期間的高程變化時間序列也與本文計算的時間變化具有一致性。朱廣彬［11］利用GRACE產品，推求了南極地區冰蓋質量變化速率，并對東南極質量變化進行了主成分分析，分析表明東南極地區冰蓋呈現質量累積趨勢，且具有明顯的季節性變化特征。羅志才［12］采用GRACE時變重力場數據對南極冰蓋質量變化進行了精細計算分析，結果也顯示東南極沿海岸恩德比地地區冰蓋質量呈現階躍式增加，且2009年后其冰蓋質量呈現較大幅度的增加趨勢。

4 結語

計算結果表明，東南極恩德比地存在較為明顯的物質增長，增速達6 cm/a;恩德比地附近區域則出現負增長，除去氣候因素外，其他誘因也有待進一步研究;計算還表明，反射能量的變化對高程變化的精確獲取有相當大的影響，在利用Envisat數據計算冰蓋表面高程的實際變化時，需對反射能量進行相應的改正。

1 Wingham D J，et al.Mass balance of the Antarctic ice sheet［J］.Phil Trans R Soc A.，2006，364，1 627 －1 635.

2 Davis C H and Ferguson A C.Elevation change of the Antarctic ice sheet，1995 －2000，From ERS-2 satellite radar altimetry［J］.IEEE Trans Geosci Remote Sensing，2004，2 437－2 445.

3 李建成，等.ICESAT衛星確定南極冰蓋高程模型研究［J］.武漢大學學報(信息科學版)，2008，33(3):226 －228.(Li Jiancheng，et al.Digital elevation model of Antarctic ice sheet from ICESAT［J］.Geomatics and Information Science of Wuhan University，2008，33(3):226 －228)

4 史紅嶺，等.利用 ICESat交叉點分析探測恩德比地冰蓋近年高程變化［J］.武漢大學(信息科學版)，2009，34(4):440 －443.(Shi Honglin，et al.Recent height change over Enderby Land from crossover analysis using ICESat［J］.Geomatics and Information Science of Wuhan University，2009，34(4):440－443)

5 楊元德，等.利用Envisat數據探測中山站至Dome A條帶區域冰蓋高程變化［J］.武漢大學(信息科學版)，2013，38(4):383 － 385.(Yang Yuande，et al.Elevation change from Zhongshan Station to dome A using Envisat data［J］.Geomatics and Information Science of Wuhan University，2013，38(4):383－385)

6 Rémy F and Parouty S.Antarctic ice sheet and radar altimetry:A review［J］.Remote Sensing，2009，1，1 212 －1 239.

7 Li Y and Davis C H.Improved methods for analysis of decadal elevation-change time series over Antarctica［J］.IEEE Trans Geosci Remote Sensing，2006，2 687 －2 697.

8 Yamamoto K，et al.Interpretation of the GRACE-derived mass trend in Enderby Land，Antarctica［J］.Polar Science，2008，2:267 －276.

9 Ferguson A C，Davis C H and Cavanaugh J E.An autoregressive model for analysis of ice sheet elevation change time series［J］.IEEE Trans Geosci Remote Sensing，2004，42:2 426－2 436.

10 Wu Yunlong，et al.Outlier detection algorithm for satellite gravity gradiometry data using wavelet shrinkage de-noising［J］.Geodesy and Geodynamics，2012，3(2):47 －52.

11 朱廣彬，等.利用GRACE時變位模型研究南極冰蓋質量變化［J］.武漢大學(信息科學版)，2009，34(10):1 185 － 1 189.(Zhu Guangbin，et al.Investigation on the mass variations of ice sheet in Antarctic with GRACE timevariable gravity models［J］.Geomatics and Information Science of Wuhan University，2009，34(10):1 185－1 189)

12 羅志才，等.利用GRACE時變重力場反演南極冰蓋的質量變化趨勢［J］.中國科學:地球科學，2012，42(10):1 590 － 1 596.(Luo Z C，et al.Trend of mass change in the Antarctic ice sheet recovered from the GRACE temporal gravity field［J］.Sci China Earth Sci.，2012，55:76－82)

ELEVATION CHANGE STUDY OVER ENDERBY LAND IN ANTARCTICA

Wu Yunlong1，2)，Yang Yuande3)，Yuan Lexian3)，Liu Zhengzhan4)and Wu Yue5)
1)Key Laboratory of Earthquake Geodesy，Institute of Seismology，CEA，Wuhan430071
2)Wuhan Base of Institute of Crustal Dynamics，CEA，Wuhan430071
3)Chinese Antarctic Center of Sueveying and Mapping，Wuhan University，Wuhan430079
4)Tianjin Institute of Surveying and Mapping，Tianjin300381
5)China Three George University，Yichang443002

The satellite laser altimetry elevation change time series are constructed using Envisat observation from October，2002 to September，2007.The elevation change over Enderby Land region of the Antarctica is constructed by the improved dynamic cross over analysis method.The result shows that there is obviously positive in this area during 2002-2007，which is up to 6 cm/a.

Envisat observation;Antarctica;crossover analysis;Enderby Land;elevation change

P228.3

A

1671-5942(2013)05-0021-04

2013-08-29

中國地震局地震研究所所長基金(IS201126025);國家自然科學基金(41106163，41004010);國家海洋局極地科學重點實驗室開發研究基金(KP201102);南北極環境綜合考察與評估專項(CHINARE2012-03-03，CHINARE2012-01-03，CHINARE2013-03-03，CHINARE2013-01-03)

吳云龍，男，博士，助理研究員，主要從事衛星重力學和地震監測研究.E－mail:yunlongwu@gmail.com