利用ICESat確定北極海面高及其變化

陳國(guó)棟，李建成，褚永海，黃 甜

(1．武漢大學(xué)測(cè)繪學(xué)院，湖北 武漢430079;2．蘇州建設(shè)交通高等職業(yè)技術(shù)學(xué)校，江蘇 蘇州215000)

一、引 言

衛(wèi)星測(cè)高技術(shù)的出現(xiàn)改變了人類對(duì)地球特別是海洋的認(rèn)識(shí)和觀測(cè)方式，大幅提高的時(shí)空分辨率使得人們對(duì)于全球海洋系統(tǒng)的研究進(jìn)入了新階段。然而，由于衛(wèi)星軌道傾角的限制及海冰的覆蓋，北極海面高的確定在最近10年間才得以實(shí)現(xiàn)。2003年1月，攜帶了地學(xué)激光測(cè)高系統(tǒng)(geoscience laser altimeter system，GLAS)的ICESat(ice，cloud，and land elevation satellite)衛(wèi)星發(fā)射升空，其94°的軌道傾角為高緯度地區(qū)海平面的研究提供了有利條件。2006年，F(xiàn)orsberg首先根據(jù)ICESat數(shù)據(jù)獲得了2003年3月北冰洋平均海面高和平均海面動(dòng)力地形(mean dynamic topography，MDT)［1］;2011年，Kwok和Morison根據(jù)2003—2008年冬季ICESat數(shù)據(jù)計(jì)算了北冰洋的MDT［2］;2012年，F(xiàn)arrell聯(lián)合2003年10月至2009年4月間ICESat和Envisat測(cè)高數(shù)據(jù)獲得了北冰洋MSS和MDT模型［3］。本文利用ICESat測(cè)高數(shù)據(jù)對(duì)北冰洋海冰覆蓋區(qū)的海面高進(jìn)行了計(jì)算，對(duì)ICESat確定平均海面高及海平面季節(jié)性變化的能力進(jìn)行了分析和探討。

二、數(shù)據(jù)描述及預(yù)處理

ICESat是全球首顆繞地飛行的激光測(cè)高衛(wèi)星，軌道高度約600 km，軌道重復(fù)周期為91 d，采樣頻率為40 Hz。ICESat每年只觀測(cè)2～3個(gè)任務(wù)期，每個(gè)任務(wù)期連續(xù)觀測(cè)約33 d，直至2009年10月，ICESat共提供了18期觀測(cè)數(shù)據(jù)，其中包括7個(gè)冬季、8個(gè)秋季及3個(gè)夏季任務(wù)期。本文使用的是美國(guó)冰雪中心(NSIDC)發(fā)布的ICESat海冰觀測(cè)數(shù)據(jù)GLA13，版本為Release 633。在18期觀測(cè)數(shù)據(jù)中，第一期觀測(cè)由于采用了重復(fù)周期為8 d的試運(yùn)行軌道造成地面軌跡間距過(guò)大，夏季的3期及2008年10月以后的4期觀測(cè)則分別由于嚴(yán)重的大氣散射和激光器的能量衰減導(dǎo)致觀測(cè)質(zhì)量較差，這8期觀測(cè)不適合用于海面高的計(jì)算，因此僅選取了2003年9月至2008年3月的5期秋季和5期冬季觀測(cè)數(shù)據(jù)，這些任務(wù)期的相關(guān)信息見表1。

表1 觀測(cè)數(shù)據(jù)信息

大氣前向散射和波形飽和等誤差會(huì)使ICESat測(cè)高數(shù)據(jù)產(chǎn)生厘米級(jí)至米級(jí)的偏差，為保證數(shù)據(jù)質(zhì)量，本文對(duì)質(zhì)量較差的數(shù)據(jù)進(jìn)行了剔除，主要編輯準(zhǔn)則包括［4］:①剔除反射率＞1的數(shù)據(jù)，過(guò)大的反射率是由于嚴(yán)重的波形飽和造成的;②剔除接收回波擬合殘差V＞60的數(shù)據(jù)，過(guò)大的回波擬合殘差意味著波形嚴(yán)重的扭曲，因而數(shù)據(jù)精度較差;③剔除接收機(jī)增益＞30的數(shù)據(jù)，較高的接收機(jī)增益表示激光在傳播過(guò)程中能量衰減嚴(yán)重，信噪比較差;④剔除反射率＜0．05及波形展寬＞0．8 m的數(shù)據(jù)［5］，這些數(shù)據(jù)受大氣前向散射影響的可能性較高。此外，由于本文的研究對(duì)象是海冰覆蓋區(qū)域的海面，筆者根據(jù)AMSRE 12．5 km分辨率的海冰覆蓋率數(shù)據(jù)剔除了海冰覆蓋率低于35%的區(qū)域。

三、ICESat確定北極海面高的方法

1．ICESat高程預(yù)處理

GLA13產(chǎn)品提供的測(cè)高數(shù)據(jù)中已經(jīng)進(jìn)行了潮汐和大氣的改正，因此ICESat高程觀測(cè)值可表示為

式中，hg、hd、hib分別表示大地水準(zhǔn)面、MDT和逆氣壓改正;fs為海冰干舷高，即海冰露出海面部分的高度;hsat是ICESat波形飽和改正;e是觀測(cè)誤差。選用的大地水準(zhǔn)面模型為EGM2008，hsat由GLA13提供，hib則由下式計(jì)算

式中，P0為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓;P為GLA13提供的觀測(cè)時(shí)的海面氣壓。目前，北冰洋不同的MDT模型之間的差異較大，因此本文沒(méi)有直接用模型來(lái)去除MDT的影響，而是移去沿軌高程的25 km移動(dòng)平均值［4］，這可以有效地去除MDT，以及大地水準(zhǔn)面、潮汐等模型殘差的長(zhǎng)波部分。最終，獲得的高程序列為

式中，hm25表示hICESat+hsat－h(huán)g－h(huán)ib的25 km移動(dòng)平均值。

2．ICESat MSS的確定

由于北冰洋2/3的區(qū)域被海冰所覆蓋，因此衛(wèi)星測(cè)高數(shù)據(jù)不能直接用來(lái)估計(jì)海面高。根據(jù)海冰間的裂縫露出海面的比例，Zwally提出將hc序列中2%的最低點(diǎn)作為海面的高程觀測(cè)值［5］，這一方法在南北極海冰干舷高和海面高的研究中獲得了令人滿意的結(jié)果［3，6-7］。但研究表明，海冰間裂縫的分布和比例隨區(qū)域和時(shí)間的變化較大［8-9］，因此，固定的最低點(diǎn)比例可能使估計(jì)的海面高出現(xiàn)偏差［10-11］，特別是當(dāng)選取的最低點(diǎn)的比例大于實(shí)際的海面比例時(shí)，由于將冰面高程作為計(jì)算海面高的觀測(cè)值，會(huì)嚴(yán)重地高估海平面的高度。Kwok結(jié)合Radarsat影像資料，對(duì)25 km軌跡內(nèi)ICESat高程的標(biāo)準(zhǔn)差與海面高進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)兩者具有很好的線性關(guān)系［4］，并提出將滿足這一線性關(guān)系的高程作為海面高觀測(cè)值。本文選取海面觀測(cè)值時(shí)結(jié)合了上述研究的方法，具體步驟為:

1)將ICESat軌跡分為25 km的分段(約145個(gè)高程觀測(cè)值)，計(jì)算分段內(nèi)的高程標(biāo)準(zhǔn)差SD。

2)選取5%的最低點(diǎn)(7個(gè))，計(jì)算它們的平均值mean(hc)，以及最高點(diǎn)和最低點(diǎn)的高差Δh。

3)若Δh大于0．1 m，或平均值mean(hc)與SD不滿足線性關(guān)系

則去掉其中最高的點(diǎn)，重新計(jì)算Δh和mean(hc)，直至滿足上述要求，則mean(hc)即為當(dāng)?shù)氐暮Ｃ娓摺?/p>

確定海面觀測(cè)值后，將這些觀測(cè)值的高程hc恢復(fù)hg和hm25，從而得到海面高。首先，對(duì)每個(gè)任務(wù)期的海面高觀測(cè)值進(jìn)行25 km×25 km格網(wǎng)化，每個(gè)格網(wǎng)中如果有至少5個(gè)任務(wù)期的觀測(cè)值，則取其平均值作為該格網(wǎng)的MSS。這種多次取平均的做法可以有效地減少不同任務(wù)期之間的系統(tǒng)誤差及時(shí)變引起的變化。計(jì)算得到的平均海面高如圖1所示，將這個(gè)MSS模型稱為ICESat MSS。

圖1 北冰洋平均海面高模型及驗(yàn)潮站分布

四、結(jié)果分析

1．北冰洋平均海面高模型

目前，北冰洋海面高的觀測(cè)數(shù)據(jù)很少，因此，很難對(duì)ICESat MSS的精度進(jìn)行準(zhǔn)確的評(píng)定。丹麥技術(shù)大學(xué)研制的DTU13MSS模型是為數(shù)不多的提供北極圈內(nèi)海面高的模型，將這個(gè)模型作為參考，對(duì)ICESat MSS進(jìn)行評(píng)估，兩者的差值如圖2所示。從總體上看，兩個(gè)模型的結(jié)果十分接近，但仍存在－10．0±9．6 cm的差異，ICESat MSS明顯低于DTU13MSS。ICESat與DTU13MSS的參考基準(zhǔn)均為TOPEX/Poseidon(T/P)橢球，但DTU13MSS對(duì)測(cè)高數(shù)據(jù)進(jìn)行了更多改正，以消除不同的衛(wèi)星與T/P衛(wèi)星之間由于軌道、地球物理改正等造成的系統(tǒng)差異。Urban通過(guò)ICESat與T/P衛(wèi)星在±66°緯度區(qū)間內(nèi)的雙星交叉點(diǎn)分析，發(fā)現(xiàn)兩者的差異為－11．7±11．6 cm［12］，與本文的結(jié)果接近。

圖2 ICESat MSS與DTU13MSS差異

大地水準(zhǔn)面也可用于檢驗(yàn)MSS，兩者之差MDT對(duì)于洋流的研究具有重要意義。將ICESat MSS分別減去EGM2008和ArcGP大地水準(zhǔn)面模型，結(jié)果如圖3所示。盡管由于兩個(gè)大地水準(zhǔn)面模型之間的差異，圖3(a)和(b)在細(xì)節(jié)表現(xiàn)上有所區(qū)別，但在大體趨勢(shì)上兩者是一致的，表現(xiàn)出西高東低的趨勢(shì)，并且在一些局部特征上完全符合北冰洋的洋流特征。如MDT在波弗特海的隆起及在高緯度地區(qū)150°E兩側(cè)的明顯變化分別代表了北冰洋的兩個(gè)重要洋流:波弗特渦流和北極貫穿流。這兩個(gè)洋流主導(dǎo)了北極海冰的水平運(yùn)動(dòng)，而格陵蘭島往東MDT明顯的下降趨勢(shì)則表明這個(gè)區(qū)域已處于格陵蘭渦流的邊緣。MDT與洋流趨勢(shì)的吻合也從一個(gè)側(cè)面反映出ICESat MSS的準(zhǔn)確度。由于水文觀測(cè)資料不足，利用ICESat獲得的MDT對(duì)于北冰洋MDT研究具有重要的參考價(jià)值。

圖3 ICESat MSS與不同大地水準(zhǔn)面模型獲得的MDT

2．北冰洋海平面季節(jié)變化

利用由ICESat獲得的海面高分析了北冰洋海平面的季節(jié)性變化，并將結(jié)果與驗(yàn)潮站數(shù)據(jù)進(jìn)行了對(duì)比。選擇了18個(gè)北極地區(qū)驗(yàn)潮站的數(shù)據(jù)，這些驗(yàn)潮站的位置如圖1所示，數(shù)據(jù)采集的時(shí)間與ICESat數(shù)據(jù)的觀測(cè)時(shí)間保持一致。兩種數(shù)據(jù)獲得的海面異常季節(jié)性變化如圖4所示，其中，由于驗(yàn)潮資料中沒(méi)有進(jìn)行逆氣壓改正，在利用ICESat計(jì)算的海平面異常中也沒(méi)有進(jìn)行逆氣壓改正。盡管驗(yàn)潮站在空間分布上與ICESat差異很大，但兩者的結(jié)果仍然表現(xiàn)出相似的季節(jié)變化和振幅。從ICESat的結(jié)果來(lái)看，北冰洋海平面存在明顯的升高趨勢(shì)，而在驗(yàn)潮數(shù)據(jù)的結(jié)果中則沒(méi)有明顯變化趨勢(shì)。在加入逆氣壓改正后，利用ICESat獲得的海平面增長(zhǎng)趨勢(shì)在冬季和秋季分別達(dá)到了3．3 cm/a(FM04未計(jì)算在內(nèi))和3．9 cm/a。近年來(lái)的研究表明ICESat不同任務(wù)期間存在系統(tǒng)性偏差(inter campaign bias，ICB)［13-14］，但不同學(xué)者根據(jù)不同方法獲得的ICB的增長(zhǎng)趨勢(shì)僅為1～2 cm/a，即使去除這一影響，ICESat的結(jié)果仍然顯示出北冰洋海面存在2 cm/a左右的上升趨勢(shì)。目前全球海平面的增長(zhǎng)趨勢(shì)僅為0．3 cm/a，因此北冰洋存在厘米級(jí)的上升趨勢(shì)的可能性不大，筆者認(rèn)為這個(gè)虛假的“海平面升高趨勢(shì)”的產(chǎn)生可能有兩種原因:一是目前的ICB都是根據(jù)南極冰蓋或中低緯度海平面獲得的，對(duì)于北極區(qū)域的觀測(cè)值可能不適用;二是ICESat不同任務(wù)期的數(shù)據(jù)之間還存在其他系統(tǒng)性誤差，如數(shù)據(jù)處理過(guò)程產(chǎn)生的G-C誤差［15］。ICESat和驗(yàn)潮站的結(jié)果在ON03相差近17 cm，這可能也是由于ICESat的系統(tǒng)偏差造成的，若將ICESat數(shù)據(jù)移去3．5 cm/a的線性趨勢(shì)(文中未給出)，兩種數(shù)據(jù)計(jì)算的海平面異常差異減小到約7 cm。

圖4 北冰洋海平面季節(jié)性變化

五、結(jié)束語(yǔ)

本文利用2003年9月至2008年3月間的10期ICESat衛(wèi)星測(cè)高數(shù)據(jù)，計(jì)算了北冰洋海冰覆蓋區(qū)域的海面高，所得的ICESat MSS與DTU13MSS存在－10．0±9．6 cm的差異。將ICESat MSS分別減去EGM2008和ArcGP大地水準(zhǔn)面模型獲得的MDT在空間分布上符合北冰洋的海洋學(xué)特征，顯示了ICESat數(shù)據(jù)在北極海平面及海面動(dòng)力地形確定中的潛力。利用ICESat數(shù)據(jù)計(jì)算的北極海平面變化與驗(yàn)潮站資料解算結(jié)果基本一致，但I(xiàn)CESat數(shù)據(jù)的解算結(jié)果顯示北極海平面存在明顯的上升趨勢(shì)，這可能是ICESat各任務(wù)期之間的系統(tǒng)偏差引起的，具體原因有待進(jìn)一步研究。

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