吳云龍 楊元德 袁樂(lè)先 劉爭(zhēng)戰(zhàn) 伍 岳

1)中國(guó)地震局地震研究所(地震大地測(cè)量重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室)，武漢 430071

2)中國(guó)地震局地殼應(yīng)力研究所武漢科技創(chuàng)新基地，武漢 430071

3)武漢大學(xué)中國(guó)南極測(cè)繪研究中心，武漢 430079

4)天津測(cè)繪研究院，天津 300381

5)三峽大學(xué)，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(lè)先3)劉爭(zhēng)戰(zhàn)4)伍 岳5)

1)中國(guó)地震局地震研究所(地震大地測(cè)量重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室)，武漢 430071

2)中國(guó)地震局地殼應(yīng)力研究所武漢科技創(chuàng)新基地，武漢 430071

3)武漢大學(xué)中國(guó)南極測(cè)繪研究中心，武漢 430079

4)天津測(cè)繪研究院，天津 300381

5)三峽大學(xué)，宜昌 443002

利用2002-10—2007-09月Envisat數(shù)據(jù)的交叉點(diǎn)和不同期間交叉點(diǎn)的高差組成高程變化時(shí)間序列，通過(guò)交叉點(diǎn)動(dòng)態(tài)分析算法，研究南極恩德比地近年來(lái)冰蓋的高程變化，結(jié)果表明該區(qū)域存在明顯的正增長(zhǎng)，增速達(dá)6 cm/a。

Envisat數(shù)據(jù);南極冰蓋;交叉點(diǎn)分析;恩德比地地區(qū);高程變化

1 引言

南極冰蓋冰儲(chǔ)量約占全球冰川的90%，南極冰蓋物質(zhì)平衡的微小變化都會(huì)對(duì)全球海平面變化等造成巨大影響。研究表明，南極冰蓋對(duì)海平面變化現(xiàn)狀存在很大不確定性，限制了對(duì)海平面未來(lái)變化的研究和預(yù)測(cè)。南極冰蓋高程變化趨勢(shì)及其機(jī)理已成為極地環(huán)境監(jiān)測(cè)研究的熱點(diǎn)。在過(guò)去二十年中，利用衛(wèi)星測(cè)高、衛(wèi)星重力等空間對(duì)地觀測(cè)手段確定南北極地區(qū)的高程變化，進(jìn)而定量監(jiān)測(cè)極地冰蓋物質(zhì)平衡，得到了廣泛的應(yīng)用［1－5］。

目前利用衛(wèi)星測(cè)高監(jiān)測(cè)冰蓋高程變化的方法主要有交叉點(diǎn)分析和重復(fù)軌道分析兩種算法，而交叉點(diǎn)分析算法能夠消除一些系統(tǒng)誤差［6］，因此該算法獲得的精度優(yōu)于重復(fù)軌道分析方法。交叉點(diǎn)分析是利用升降軌道形成的交叉點(diǎn)高程時(shí)間序列進(jìn)行分析。該算法通常以固定時(shí)間間隔進(jìn)行分析，這樣交叉點(diǎn)分析能獲得一個(gè)上三角的觀測(cè)矩陣，對(duì)于利用這個(gè)觀測(cè)矩陣，研究者們提出了不同的數(shù)據(jù)處理方法。根據(jù)文獻(xiàn)［6，7］的研究，動(dòng)態(tài)法在交叉點(diǎn)個(gè)數(shù)、高程變化時(shí)間序列的精度等諸多方面均優(yōu)于其他兩種算法，因此本文直接利用動(dòng)態(tài)法進(jìn)行分析。

研究表明，東南極冰蓋整體處于物質(zhì)平衡狀態(tài)，而恩德比地是東南極較活躍的區(qū)域，GRACE、ICESat和地面實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)均表明東南極恩德比地存在較為明顯的物質(zhì)增長(zhǎng)［8］。ICESat的工作時(shí)間為2003至2009年，因此利用在南極冰蓋已進(jìn)行20余年觀測(cè)的ERS-1/2和Envisat衛(wèi)星測(cè)高觀測(cè)數(shù)據(jù)顯得十分必要，目前國(guó)內(nèi)外對(duì)Envisat利用較少?；诖耍疚膶⒗肊nvisat數(shù)據(jù)，通過(guò)交叉點(diǎn)動(dòng)態(tài)分析算法，研究南極恩德比地近年來(lái)冰蓋高程變化趨勢(shì)。

2 數(shù)據(jù)分析與算法介紹

研究采用2.1版SGDR Envisat數(shù)據(jù)產(chǎn)品，該數(shù)據(jù)修正了USO鐘周期項(xiàng)。計(jì)算時(shí)直接利用產(chǎn)品中自帶的對(duì)流層改正、電離層改正、固體潮改正等改正項(xiàng)，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(shù)據(jù)從2002-10—2007-09月。

設(shè)dH表示|tA－tD|時(shí)段高程變化:

其中，tA、tD表示升降軌時(shí)刻，BA與BD表示與方向相關(guān)、與時(shí)間無(wú)關(guān)的衛(wèi)星測(cè)高軌道誤差，ΔHS(t)表示由反射能量變化導(dǎo)致的虛假高程變化。

式中，nAD與SDAD為升降交叉點(diǎn)個(gè)數(shù)及誤差，nDA與SDDA為降升交叉點(diǎn)個(gè)數(shù)及誤差，ωAD=nAD/(nAD+nDA)表示權(quán)重。由于nAD、nDA較大，通常不考慮誤差項(xiàng)BA、BD［2］。

式中，R=1則動(dòng)態(tài)參考算法為靜態(tài)參考算法。在此基礎(chǔ)上，對(duì)每列數(shù)據(jù)，利用加權(quán)平均計(jì)算得到高程變化的時(shí)間序列dHj:

采用三個(gè)標(biāo)準(zhǔn)剔除質(zhì)量較差的格網(wǎng):

3 結(jié)果分析

3.1 反射能量改正

研究表明，反射能量的變化會(huì)導(dǎo)致高程時(shí)變效應(yīng)［7］。在數(shù)據(jù)處理時(shí)，我們首先計(jì)算反射能量和高程的時(shí)間序列，然后利用高程變化與反射能量的時(shí)間序列，計(jì)算得到其相關(guān)系數(shù)(圖1(a))。結(jié)果表明，大部分區(qū)域的相關(guān)系數(shù)均高于0.7，內(nèi)陸甚至超過(guò)0.9;而近岸部分區(qū)域，未能滿足標(biāo)準(zhǔn)，數(shù)據(jù)出現(xiàn)了空白。

最后，對(duì)高程進(jìn)行反射能量改正，改正后的高程變化時(shí)間序列dHcor(j)為:

式中，dσj為反射能量，CG為相關(guān)系數(shù)梯度。圖1(b)為CG的空間分布，近岸的CG較小，內(nèi)陸CG較大，最大值約0.6 m/dB。圖1顯示CG與相關(guān)系數(shù)的空間分布類(lèi)似，相關(guān)系數(shù)越大，CG越大。

圖2(a)為經(jīng)過(guò)反射能量改正后的高程變化時(shí)間序列(中心點(diǎn)為 80.5°S，51E°);圖 2(b)為高程變化和反射能量變化的時(shí)間序列，從該圖可以看出高程變化與反射能量變化高相關(guān)，反射能量變化引起高程季節(jié)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(hào)發(fā)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(diǎn)的冰蓋高程與反射能量變化時(shí)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(qū)的高程變化

冰蓋高程變化包括趨勢(shì)項(xiàng)與年周期變化，其中趨勢(shì)項(xiàng)與氣候變化有關(guān)。在任一格網(wǎng)中，對(duì)冰蓋高程變化的時(shí)間序列進(jìn)行線性項(xiàng)與年周期變化項(xiàng)擬合，即可獲得

其中A+Bt表示趨勢(shì)項(xiàng)，B為變化率，C和D表示年周期變化，w=2π。

計(jì)算結(jié)果表明恩德比地的高程變化趨勢(shì)項(xiàng)呈空間分布不均勻的特點(diǎn)(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(shì)，平均變化率為6 cm/a。結(jié)合2002年至2007年的歷史資料分析，2003、2004年恩德比地出現(xiàn)了明顯的冰蓋消融，2005年之后，先后經(jīng)歷了冰蓋顯著增高再微弱消融的過(guò)程。冰蓋表面高程的劇烈變化以及整體增高趨勢(shì)與厄爾尼諾現(xiàn)象可能存在關(guān)系。

圖3 高程變化趨勢(shì)項(xiàng)的空間分布Fig.3 Spatial distribution of height change trend

圖4給出了中心點(diǎn)70.5°S，51E°的冰蓋高程變化時(shí)間序列，由圖4可以看出，從2002年10月開(kāi)始到2003年8月，恩德比地發(fā)生冰蓋消融現(xiàn)象，2003年9月到2005年4月，整體呈現(xiàn)平衡狀態(tài)，而從2005年5月開(kāi)始出現(xiàn)了較強(qiáng)的年季變化，呈現(xiàn)出顯著增高現(xiàn)象。

此外，與恩德比地對(duì)應(yīng)的相鄰區(qū)域，存在明顯的冰蓋表面高程減少現(xiàn)象，其平均變化率為－3 cm/a。分析其原因，恩德比地為大洋環(huán)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(dāng)夏季和冬季季節(jié)變化時(shí)，靠近海洋海拔較低區(qū)域，冰流從冰原流向冰架，由此導(dǎo)致其相鄰區(qū)域的物質(zhì)質(zhì)量負(fù)變化，因此這些區(qū)域呈現(xiàn)較大的冰蓋高程變化現(xiàn)象。

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

對(duì)于南極東南極較活躍的恩德比地區(qū)域，亦有多種獨(dú)立數(shù)據(jù)源的觀測(cè)結(jié)果，均顯示其存在較為明顯的物質(zhì)增長(zhǎng)，與本文結(jié)果取得了相互驗(yàn)證。Yamamoto［8］利用 GRACE、ICESat和地面實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)恩德比地的質(zhì)量遷移進(jìn)行了比較分析，認(rèn)為該區(qū)域在2005年至2007年，存在明顯冰蓋顯著增高的變化過(guò)程。史紅嶺［4］利用2003年至2007年的ICESat觀測(cè)值，探測(cè)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(zhǎng)的趨勢(shì)，達(dá)到了4.79±0.13 cm/a。期間的高程變化時(shí)間序列也與本文計(jì)算的時(shí)間變化具有一致性。朱廣彬［11］利用GRACE產(chǎn)品，推求了南極地區(qū)冰蓋質(zhì)量變化速率，并對(duì)東南極質(zhì)量變化進(jìn)行了主成分分析，分析表明東南極地區(qū)冰蓋呈現(xiàn)質(zhì)量累積趨勢(shì)，且具有明顯的季節(jié)性變化特征。羅志才［12］采用GRACE時(shí)變重力場(chǎng)數(shù)據(jù)對(duì)南極冰蓋質(zhì)量變化進(jìn)行了精細(xì)計(jì)算分析，結(jié)果也顯示東南極沿海岸恩德比地地區(qū)冰蓋質(zhì)量呈現(xiàn)階躍式增加，且2009年后其冰蓋質(zhì)量呈現(xiàn)較大幅度的增加趨勢(shì)。

4 結(jié)語(yǔ)

計(jì)算結(jié)果表明，東南極恩德比地存在較為明顯的物質(zhì)增長(zhǎng)，增速達(dá)6 cm/a;恩德比地附近區(qū)域則出現(xiàn)負(fù)增長(zhǎng)，除去氣候因素外，其他誘因也有待進(jìn)一步研究;計(jì)算還表明，反射能量的變化對(duì)高程變化的精確獲取有相當(dāng)大的影響，在利用Envisat數(shù)據(jù)計(jì)算冰蓋表面高程的實(shí)際變化時(shí)，需對(duì)反射能量進(jìn)行相應(yīng)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，F(xiàn)rom ERS-2 satellite radar altimetry［J］.IEEE Trans Geosci Remote Sensing，2004，2 437－2 445.

3 李建成，等.ICESAT衛(wèi)星確定南極冰蓋高程模型研究［J］.武漢大學(xué)學(xué)報(bào)(信息科學(xué)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(diǎn)分析探測(cè)恩德比地冰蓋近年高程變化［J］.武漢大學(xué)(信息科學(xué)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(shù)據(jù)探測(cè)中山站至Dome A條帶區(qū)域冰蓋高程變化［J］.武漢大學(xué)(信息科學(xué)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(shí)變位模型研究南極冰蓋質(zhì)量變化［J］.武漢大學(xué)(信息科學(xué)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(shí)變重力場(chǎng)反演南極冰蓋的質(zhì)量變化趨勢(shì)［J］.中國(guó)科學(xué):地球科學(xué)，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(guó)地震局地震研究所所長(zhǎng)基金(IS201126025);國(guó)家自然科學(xué)基金(41106163，41004010);國(guó)家海洋局極地科學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開(kāi)發(fā)研究基金(KP201102);南北極環(huán)境綜合考察與評(píng)估專(zhuān)項(xiàng)(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(wèi)星重力學(xué)和地震監(jiān)測(cè)研究.E－mail:yunlongwu@gmail.com