CryoSat-2衛(wèi)星測高計劃及其應(yīng)用

魏鑫 李斐 張勝凱 郝衛(wèi)峰

(1武漢大學(xué)測繪學(xué)院,湖北武漢430079;2武漢大學(xué)中國南極測繪研究中心,湖北武漢430079)

0 引言

冰凍圈看似遠離人們的日常生活,但其變化對人類的生活環(huán)境有著極其重要的影響。冰蓋和海冰的質(zhì)量變化會影響海平面變化、地球輻射平衡和海鹽循環(huán)[1]。近10年的衛(wèi)星測高數(shù)據(jù)加深了科學(xué)家對極地內(nèi)陸冰蓋物質(zhì)平衡的認識[2-3],但南極大陸和格陵蘭島的沿海區(qū)域(占冰蓋質(zhì)量30%)[3-4]始終難以測定,海冰的質(zhì)量變化也尚待深入了解。這些問題妨礙了對氣候變化效應(yīng)以及大氣和海洋潛在反饋的進一步推測。

CryoSat-2是歐空局(ESA)地球探測計劃的組成任務(wù)之一。本文介紹歐空局CryoSat-2的科學(xué)目標、科學(xué)需求、任務(wù)概況、儀器載荷、數(shù)據(jù)產(chǎn)品以及數(shù)據(jù)的校準,最后探討了CryoSat-2在極地領(lǐng)域的應(yīng)用研究。

1 CryoSat-2概況

1.1 科學(xué)目標

冰凍圈在地球的輻射平衡中扮演著很重要的角色,海冰的減少會導(dǎo)致北極上空的溫室效應(yīng)較地球其他區(qū)域強。同時,冰蓋的變化會嚴重影響海平面高度。CryoSat-2任務(wù)的目的在于測定冰凍圈的變化趨勢,其中最重要的就是驗證全球變暖導(dǎo)致的北極海冰逐年減少以及明確南極和格陵蘭冰蓋對全球海平面上升的貢獻[5]。另外CryoSat-2在季節(jié)性海冰區(qū)域、冰帽和冰川上空進行大量測量,這些測量將有效地補充近十年來其他衛(wèi)星對冰凍圈觀測數(shù)據(jù)的不足。

1.2 科學(xué)需求

殘余不確定度(residual uncertainty)是衛(wèi)星系統(tǒng)設(shè)計及衡量測量結(jié)果質(zhì)量的指標。在分析科學(xué)需求時,需要估計在3年任務(wù)完成時測量結(jié)果的殘余不確定度殘余不確定度由厚度自然變化和測量誤差組成,其中厚度自然變化由已有資料獲取[6],計算公式如下:

殘余不確定度通過使測量結(jié)果接近厚度的自然變化來確定。測量誤差一般不超過由厚度自然變化引起的殘余不確定度的10%,CryoSat-2系統(tǒng)就是根據(jù)這一首要需求來設(shè)計。這里近似地給出殘余不確定度的定量表達:

表1 CryoSat-2科學(xué)和測量需求Table 1.Overview of the CryoSat-2 science and measurement requirements

1.3 CryoSat-2任務(wù)

CryoSat-2于2010年4月在哈薩克斯坦拜科努爾航天發(fā)射場成功發(fā)射,任務(wù)設(shè)計運行期3年[7]。CryoSat-2的科學(xué)軌道在高緯覆蓋和最大數(shù)量軌道交叉點之間做了最好的優(yōu)化。衛(wèi)星的近極地非太陽同步軌道平均高度717 km,傾角92°。衛(wèi)星運行周期為369天并伴隨著30天的子循環(huán)(369天的周期由連續(xù)變化的30天重復(fù)模式構(gòu)成)。CryoSat-2衛(wèi)星結(jié)構(gòu)簡單,衛(wèi)星平臺長4.5m,寬2.3 m,高2.2 m,重量為720 kg(圖1)。衛(wèi)星底部的S波段的螺旋天線用于接收來自地面的遙控指令并向地面?zhèn)鬏斝l(wèi)星狀態(tài)和監(jiān)測信息,X波段天線用于傳送測量數(shù)據(jù),數(shù)據(jù)量為320 Gbits。

圖1 CryoSat-2衛(wèi)星的儀器載荷[1]Fig.1.The CryoSat-2 satellite viewed from beneath[1]

2 儀器載荷

2.1 SIRAL

SIRAL是CryoSat-2的首要載荷,它在傳統(tǒng)脈沖壓縮雷達高度計的基礎(chǔ)上結(jié)合了合成孔徑和干涉技術(shù)。該傳感器使得CryoSat-2能測量冰蓋邊緣的復(fù)雜地形,并系統(tǒng)地監(jiān)測北極海冰的干舷高度(浮冰超出海面的高度)變化。

新SIRAL與傳統(tǒng)高度計主要有三點不同[8]:第一,CryoSat-2的軌道首次覆蓋到南北緯88°;第二,相比先前的ESA任務(wù)約10 km的衛(wèi)星足跡,SIRAL使用改進的合成孔徑雷達技術(shù)將衛(wèi)星地面足跡減少到約沿軌0.3 km和跨軌1.5 km;第三,SIRAL對地表點進行多視處理以減少由雷達斑點引起的噪聲。

2.1.1 SAR模式

CryoSat-2的沿軌高分辨率得益于在SAR模式中使用了改進的合成孔徑雷達數(shù)據(jù)處理技術(shù)[9]。這使得衛(wèi)星能有效地區(qū)分狹窄冰間水道中的高反向散射海面和低反向散射浮冰表面。處理來自海面和浮冰表面的不同回波可以得到干舷高度,進而得到海冰厚度。

衛(wèi)星移動產(chǎn)生的多普勒效應(yīng)會造成雷達回波能量中的輕微頻移。同時處理64個連續(xù)相關(guān)的雷達脈沖,利用得到頻移信息可以將脈沖照亮的地面足跡劃分成很多窄的跨軌條帶,每個條帶沿軌方向上寬約250 m,見圖2a。

圖2 SIRAL高度計新的操作模式.(a)SAR模式提供250 m的沿軌分辨率;(b)SARIn模式利用隔開1 m基線的天線獲得跨軌干涉數(shù)據(jù)[1]Fig.2.Schematic illustration of key aspects of the new operating modes of the SIRAL altimeter instrument.(a)SAR mode provides 250 m along-track resolution;(b)SAR in mode exploits two antennaswith a baseline separation of 1 m to obtain additional across-track interferometric data[1]

2.1.2 SARIn模式

傳統(tǒng)的脈沖壓縮高度計測量的是衛(wèi)星到地表的最近距離,但無法提供回波來源的精確信息。在海洋和海冰上空,地表最近點可以認為就位于星下點處。然而在面對復(fù)雜地形(大坡度的冰蓋邊緣)情況時,回波來源于偏離星下點的未知點,因此測量的距離不是真正的地表高程,這就造成了傳統(tǒng)高度計無法測量格陵蘭和南極冰蓋邊緣的地形變化。

合成孔徑干涉(SARIn)模式旨在獲取多變地形的高程估計。為實現(xiàn)SARIn測量,衛(wèi)星增加一副天線和SAR接收鏈路來形成跨軌干涉(1 m的基線)。其中一副天線發(fā)射的脈沖回波可以同時被兩副天線接收,偏離星下點的回波在路徑長度和相位上存在差別,聯(lián)合1 m的天線間隔距離可以得到基線和回波方向之間的角度,進而對測距值進行修正。圖2b顯示了SARIn模式在冰蓋地形上空的運行情況。

2.1.3 低分辨率模式

高度計在相對平坦的極地內(nèi)陸冰蓋上空采取傳統(tǒng)脈沖壓縮模式,也稱低分辨率模式。

2.2 其他載荷

衛(wèi)星多普勒定軌定位系統(tǒng)(DORIS),接收器接收全球?qū)⒔?0個地面臺站發(fā)射的信號,根據(jù)多普勒頻移計算出衛(wèi)星運行速度,進而精確定軌。除了定軌之外,DORIS還可以應(yīng)用到建立和維持地球參考框架,測定地球定向參數(shù),地殼變形監(jiān)測以及大氣探測和研究。

星體跟蹤定位器(Star trackers),用于精確測定兩個SIRAL天線的基線方向,直接安裝在SIRAL天線支撐結(jié)構(gòu)上。

激光回射器(LRR),用于衛(wèi)星軌道的精確路基測量。

3 CryoSat-2數(shù)據(jù)產(chǎn)品

CryoSat-2的首要產(chǎn)品為海冰和陸地冰通量的變化圖。SIRAL的首要輸出為描述表面反射的原始波形。有效載荷數(shù)據(jù)段(PDS)負責下列數(shù)據(jù)產(chǎn)品的收集和存儲:

(1)0級:原始遙測數(shù)據(jù)包,誤差已被剔除,包含了時間和遙測質(zhì)量信息;

(2)全碼率(FBR):與1b級相似,但數(shù)據(jù)未經(jīng)SAR和SARIn模式平均處理。預(yù)期數(shù)據(jù)量430 Gbit/d;

(3)1b級:包含儀器回波波形,在SAR和SARIn模式下這些波形被平均處理,數(shù)據(jù)量較FBR級小很多;

(4)2級:包含高程估計數(shù)據(jù);

(5)監(jiān)測數(shù)據(jù):系統(tǒng)地監(jiān)測SIRAL的運行情況。

CryoSat-2提供的數(shù)據(jù)產(chǎn)品需要大量的校準和改正。不同的數(shù)據(jù)級描述見表2。

表2 CryoSat-2數(shù)據(jù)產(chǎn)品Table 2.CryoSat-2 data products

3.1 0級-全碼率數(shù)據(jù)

ESA地面站為了得到CryoSat-2高程估計,需要在不丟失地球物理信息的前提下對數(shù)據(jù)進行大量壓縮。SIRAL試驗性傳感器的角色決定著壓縮算法需要鑒于發(fā)射后和Cal/Val(校準和驗證)期間積累的經(jīng)驗不斷的改進。壓縮借助底級數(shù)據(jù),FBR是所需數(shù)據(jù)信息完整保留的最高數(shù)據(jù)級。

3.2 1b級-單相結(jié)合波形數(shù)據(jù)

1b級數(shù)據(jù)由衛(wèi)星地面軌跡點的回波組成。數(shù)據(jù)進行了壓縮,雖然1b級是沒有地球物理近似值的最高數(shù)據(jù)級,但影響數(shù)據(jù)質(zhì)量的地球物理改正已經(jīng)得以應(yīng)用,這些改正包括:(1)電離層,干/濕大氣改正;(2)海潮和固體潮影響;(3)電磁(EM)偏差改正;(4)逆氣壓改正。

3.3 2級-沿軌高程

2級數(shù)據(jù)由地面點的高程估計組成,采樣率為沿軌1 s。沿軌高程是被直接用于地球物理研究的最底級數(shù)據(jù),也是不需要詳盡了解雷達信號處理的最底級數(shù)據(jù)。

3.4 監(jiān)測數(shù)據(jù)

監(jiān)測數(shù)據(jù)提供關(guān)于載荷運行情況的即時信息,包括一系列需要快速測定的日常參數(shù)。當發(fā)生異常情況時,它將提供數(shù)據(jù)異常信息。

3.5 數(shù)據(jù)分配

CryoSat-2數(shù)據(jù)無需實時傳輸,使用者可以通過描述一個時空窗口來獲取1b級和2級數(shù)據(jù)。ESA同時也提供數(shù)據(jù)存取和轉(zhuǎn)換的專業(yè)軟件,數(shù)據(jù)分配通過CD-ROM光盤和FTP傳輸。表3匯總了分配要求。數(shù)據(jù)等待時間是數(shù)據(jù)接收和分配之間的時間延遲。最小和最大持續(xù)時間表示在軌衛(wèi)星提供有效數(shù)據(jù)產(chǎn)品的時間間隔。

表3 CryoSat-2數(shù)據(jù)分配要求Table 3.CryoSat-2 data distribution requirements

4 SIRAL數(shù)據(jù)校準

CryoSat-2校準和驗證的目的在于驗證各模式的測量不確定度SIRAL高度計數(shù)據(jù)只有通過校準和驗證才能進行科學(xué)應(yīng)用。

4.1 發(fā)射前校準

發(fā)射前需要大量地面測量來驗證CryoSat-2的主要誤差源。已經(jīng)開展的機載、冰上和永久觀測站測量活動提供了大量有價值的機載模擬和實測數(shù)據(jù)集。

2002年5月歐空局與美國航空航天局(NASA)合作開展LaRA(激光雷達高度計)計劃。P3飛行器同時搭載激光高度計和延遲多普勒處理(D2P)Ku-波段雷達高度計飛經(jīng)格陵蘭島和海冰區(qū)域上空,有效地模擬了CryoSat-2的SARIn和 SAR處理,首次獲得了冰面的激光雷達剖面圖。雷達波能夠滲透干雪到達含鹽的冰面[10],激光能識別干雪表面,LaRA計劃證明聯(lián)合雷達和激光能有效認識積雪覆蓋對CryoSat-2冰厚度反演精度的影響。另一個飛行計劃由Danish科學(xué)團隊實施,獲得了Fram海峽和格陵蘭北部海冰區(qū)域的激光地形剖面圖。類似的驗證計劃在接下來的幾年將持續(xù)進行。

4.2 運行中校準

CryoSat-2衛(wèi)星系統(tǒng)的輔助測量模式和相關(guān)設(shè)備可以滿足系統(tǒng)誤差的獨立測量需要,在某些情況下系統(tǒng)也支持持續(xù)測量以改正原始數(shù)據(jù)。當數(shù)據(jù)下行時,雷達內(nèi)部的校準通道會將傳輸信號直接導(dǎo)入接收鏈路,所有的儀器時間和相位通道都可以通過這種稱為“內(nèi)部”校準的途徑來測量。“內(nèi)部”校準無法測量雷達天線系統(tǒng),也不能得到衛(wèi)星的位置和姿態(tài)誤差,這些系統(tǒng)因素的獲取都需要借助由天線生成的外部信號,也就是“外部”校準。校準數(shù)據(jù)一般用于改正原始數(shù)據(jù)。

5 CryoSat-2成果在南北極的應(yīng)用

5.1 南極大陸和格陵蘭島的冰面高程變化

南極大陸和格陵蘭冰蓋的表面高程變化揭示了冰蓋對于冰蓋動力學(xué)以及表面質(zhì)量平衡變化的響應(yīng),因此冰蓋表面地形及其變化研究成為冰川學(xué)家關(guān)注的重點。Helm等[11]基于CryoSat-2衛(wèi)星2011年1月到2014年1月,3年的測高數(shù)據(jù)得到了南極大陸和格陵蘭島冰蓋新的數(shù)字高程模型(DEM),同時也得到了兩者的高程變化和體積變化估計。

首先要對1b級CryoSat-2數(shù)據(jù)進行一些預(yù)處理,Helm團隊使用波形濾波器識別由于內(nèi)部跟蹤器失鎖或波形沒有清晰的前緣產(chǎn)生的“壞波形”,這些波形來自復(fù)雜地形區(qū)域。然后使用第一脈沖峰值閾值跟蹤算法(TFMRA)來測距。處理過程因測量模式不同而異,上述處理改正了大氣折射、固態(tài)地球和極潮引起的延遲誤差。

預(yù)處理得到的數(shù)據(jù),根據(jù)不同的測量模式采用不同方法以得到DEM。LRM數(shù)據(jù)經(jīng)過四次迭代來處理傾斜改正,進而得到DEM。SARIn數(shù)據(jù)采用了新的干涉處理算法,具體步驟如圖3。得到的DEM精度與之前的DEM精度相符,與NASA冰、云和陸地高程ICESat數(shù)據(jù)對比顯示80%的CryoSat-2DEM的不確定度要＜(3±15)m。Helm利用新DEM進行傾斜改正,獲得了2011—2014年的南極大陸和格陵蘭島的高程變化,將其與ICESat數(shù)據(jù)2003—2009年的高程變化率的對比揭示出西南極冰蓋體積減少量增加了3倍,而東南極和毛德皇后地的冰蓋出現(xiàn)了變厚的趨勢。格陵蘭和南極大陸冰蓋整體體積變化為(-503 ±107)km3·a-1。

南極大陸冰蓋邊緣變化顯著,Galin等[12]利用4年的CryoSat-2干涉數(shù)據(jù)獲取了松島冰川這一典型邊緣區(qū)域的高程變化。與此同時,McMillan等[13]也驗證了CryoSat-2在南極大陸復(fù)雜地形區(qū)域的觀測能力,無論是數(shù)據(jù)采樣率和測距精度方面都優(yōu)于傳統(tǒng)測高衛(wèi)星。

圖3 得到DEM及高程變化的處理過程Fig.3.Diagram of the processing scheme used to derive the final DEM and elevation change

5.2 北極海冰厚度和體積估計

近30年的衛(wèi)星記錄顯示北極海冰范圍在不斷縮小,至2012年達到最低點。泛北極冰與海洋建模和同化系統(tǒng)(PIOMAS)研究指出海冰的范圍縮小同時伴隨著體積減少[8]。CryoSat-2的高分辨率數(shù)據(jù)可以反演得到北極2010年11月和2011年12月的海冰體積估計,有效地證實了PIOMAS的研究結(jié)果。

要得到CryoSat-2的海冰體積估計首要要區(qū)分來自海面和浮冰表面的回波。浮冰表面的漫反射回波和狹窄冰間水道的鏡面反射回波的反射率存在差異(入射角不同),據(jù)此可以區(qū)分海面和冰面的高程測量值。表面類型識別通過檢查“脈沖峰值(PP)”和“堆棧的標準偏差(SSD)”兩個參數(shù)完成,SSD是一個新參數(shù),它使用SIRALs多視來為測量表面后向散射變化提供入射角度[14]。來自冰間水道的回波PP＞18和SSD＜4,來自浮冰的回波PP＜9和SSD＞4。處理過程中需要改正距離窗口中心和回波前緣點之間的距離差距。冰間水道回波的處理使用了高斯加指數(shù)模型,而對于浮冰回波,跟蹤點定位在上升達到回波中的第一個峰值振幅50%處。漫反射和鏡面反射回波之間的模型匹配差距會引起高程偏差,通過在季節(jié)性海冰區(qū)域比較有冰和無冰情況下的海面高程可以移除高程偏差。

干舷轉(zhuǎn)換成厚度使用了更精細的方法,依據(jù)海冰存在的年數(shù)(一年或多年生)來修改雪荷載和冰密度。對于一年冰,在將干舷轉(zhuǎn)換成厚度前,雪厚度需要乘以系數(shù)0.5,處理中使用到的一年生冰密度為916.7 kg·m-3,多年生冰密度為882.0 kg·m-3[15-16]。

CryoSat-2海冰厚度估計受制于不同來源的偏差,因此需要大量的獨立數(shù)據(jù)集來對其進行驗證。在此之前,對干舷平均處理可以減少雷達斑點誤差。CryoSat-2數(shù)據(jù)分別與“極地-5”[17]數(shù)據(jù)、三波弗特環(huán)流回轉(zhuǎn)計劃(BGEP)仰視聲納(ULS)得到的冰吃水深度數(shù)據(jù)和NASA冰橋計劃(OIB)數(shù)據(jù)比較,得到的厚度差距均不超過0.1 m,ULS顯示出最好的一致性。然而,來自ULS和OIB的數(shù)據(jù)都不能大規(guī)模驗證CryoSat-2厚度反演中的系統(tǒng)偏差,未來的校準目標在于進一步約束CryoSat-2與實地數(shù)據(jù)之間差異。

CryoSat-2海冰厚度估計沿襲傳統(tǒng)雷達高度計數(shù)據(jù)的處理方法排除了無冰水域[10],得到的海冰厚度借助ICESat任務(wù)[18-19]獲取的覆蓋面積即得北極海冰體積估計。對于超出CryoSat-2緯度限制的格網(wǎng)單元值用相近的包含厚度數(shù)據(jù)的格網(wǎng)單元值替代,海冰密集度取自微波成像儀(SSM/I)。

CryoSat-2海冰體積估計與 PIOMAS和 ICESat[20-21]任務(wù)的海冰體積估計對比進一步證實了北極海冰體積的長期減少趨勢。其中,秋季和冬季海冰體積平均減少500 km·a-1,相當于0.007 5 m·a-1的厚度減少,與船載記錄得到的峰值變薄率相近。

5.3 南極冰下湖測定

在覆蓋南極大陸的厚冰蓋下,存在很多和海洋沒有聯(lián)系的淡水湖,它們對于理解南極冰下水傳輸和冰蓋動力學(xué)意義重大。鉆孔可以獲取部分信息,但這在極地極端條件很難實現(xiàn)。衛(wèi)星測高或許是唯一能夠大規(guī)模獲取冰下湖信息的方式,聯(lián)合Cryo-Sat-2和ICESat衛(wèi)星測高數(shù)據(jù)已經(jīng)在南極大陸冰面發(fā)現(xiàn)了一個由冰下湖排空形成的巨大盆狀凹地,并繪制出了冰下湖的3D圖[22-23]。

CryoSat-2能夠測定南極冰下湖變化,其攜帶的雷達高度計能適應(yīng)惡劣氣象條件和長時間黑暗觀測,提供南極大陸的持續(xù)觀測值。南極大陸冰蓋底部已發(fā)現(xiàn)的冰下湖多達400個左右,這些湖的排空會破壞冰川下的生態(tài)系統(tǒng),引起上層冰蓋加速滑落入海。

5.4 海洋測量

CryoSat-2的主要目標是測量極地海冰的厚度以及監(jiān)測覆蓋格陵蘭島和南極洲的冰蓋的變化。但是其收集到的數(shù)據(jù)也被應(yīng)用到其他研究領(lǐng)域,利用SAR模式數(shù)據(jù)獲取高精度的海面高程[24-25]進而得到海底地形圖就是其中之一。衛(wèi)星的雷達測高儀不僅能夠探測到冰層厚度的微小變化,也可以測量海平面高度[26-27]。引力的作用使得海面地形能模擬海底起伏。質(zhì)量更大的區(qū)域,如海底的山脈,會產(chǎn)生強大的引力,吸引更多的水并在海平面高度上產(chǎn)生一個微小的增加。因此,儀器測量海面高度的同時可繪制出洋底未經(jīng)勘測區(qū)域的地形。CryoSat-2的雷達高度計能在海面檢測到重力場,從而揭示5—10 km尺度的海底特征,這是15年來首次有高度計在如此高分辨率下繪制全球海洋重力場。研究表明聯(lián)合CryoSat-2高精度測距值和三年以上的海洋測繪數(shù)據(jù)可以得到全球海底地形圖。

6 結(jié)語

傳統(tǒng)測高衛(wèi)星由于軌道傾角的限制,未覆蓋到兩極相當于歐洲面積大小的區(qū)域,CryoSat-2的出現(xiàn)將未覆蓋區(qū)域面積縮小了約10倍。CryoSat-2的沿軌高分辨率能識別80%左右的海冰,其獨特的多視處理能得到冰蓋邊緣等復(fù)雜地形的信息。CryoSat-2的高緯覆蓋、高分辨率和多視處理很好地補充了傳統(tǒng)遙測手段和測高衛(wèi)星的不足,其他遙感數(shù)據(jù)也能校準CryoSat-2并彌補CryoSat-2短暫運行周期的不足,幫助其發(fā)揮更大的科研價值。聯(lián)合CryoSat-2的雷達波數(shù)據(jù)和ICESat的激光測高數(shù)據(jù)能有效地實現(xiàn)數(shù)據(jù)校準和測量積雪厚度,CryoSat-2的海冰厚度測量數(shù)據(jù)已將ICESat的北極海冰體積記錄延伸到2012年[28-31]。

CryoSat-2成功發(fā)射至今已三年,其數(shù)據(jù)產(chǎn)品已經(jīng)應(yīng)用到海冰、冰蓋和海洋等測量領(lǐng)域。隨著全世界CryoSat-2科研團隊的不斷壯大,研究不斷深入,CryoSat-2這顆專為冰凍圈設(shè)計的衛(wèi)星的應(yīng)用前景會不斷被拓展,其科研價值也會逐漸凸顯。

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