ICESat测高卫星在极区的典型应用研究

发布时间：2019-07-24 14:09

【摘要】：全球气候问题与人类的生产生活息息相关,长期以来全球气候变化一直备受关注,然而对于引起全球气候变暖的原因以及将来全球气候变化的趋势目前还存在许多不确定性。极区环境不受人类活动的直接干扰,能够真实的反映全球气候变化,并且可以反作用于全球气候。全球气候变暖促进了冰盖、冰架以及海冰的消融作用；而冰盖、冰架和海冰的消融不仅会导致全球平均海平面上升,也会影响全球水汽环流。因此极地的研究与全球气候变化的响应具有重要的研究意义。尽管如此,极区恶劣的气候环境严重妨碍了人类对南北两极的探索研究,而测高卫星的出现使得人类不需要亲自到达极区也可以通过卫星对极区进行观测研究,很好地克服了极区恶劣的自然条件带给人类的困难。ICESat卫星是第一颗针对极区的激光雷达测高卫星,相比于其他雷达测高卫星,ICESat对地表雪层没有穿透性,能够直接得到冰雪表面高程信息,并且地面脚点直径较小,测量精度高。ICESat测高卫星能够为极区的科学问题提供有力的观测数据。因此,如何更有效地利用ICESat测高数据以服务于极区的科学研究显得尤为重要,值得深入探讨。南极冰盖DEM是重要的基础地理信息数据,不仅为南极考察提供保障服务,也为南极其他相关学科提供基础数据支持。南极冰雪物质平衡受全球气候变化影响显著,并且在对全球平均海平面的贡献中,南极冰盖冰雪消融扮演着越来越重要的角色。北极海冰的变化反映了全球气候变化,北极海冰的消融不仅会直接影响了北极当地居民的生活,同时也破坏了北极圈内原有的生态平衡,对北极生物物种造成极大威胁。南极冰盖DEM、南极冰盖冰雪物质平衡以及北极海冰在极区地学研究领域中占有重要研究地位。因此,本文将利用ICESat激光测高数据,从以上三个方面开展研究工作。本文的主要研究内容和成果包括：(1)通过建立局部小区域的DEM对比了不同插值算法在利用ICESat测高数据建立南极冰盖DEM时的可靠性和稳定性,总结提出克里格插值方法最适合在建立南极冰盖DEM中使用,并基于克里格插值方法,利用GLAS测高数据建立了南极冰盖的DEM。最后,结合中国南极内陆考察采集到的精度较高的实测GPS数据,对本文所建DEM的精度和可靠性进行了评估分析。结果表明,南极冰盖DEM在坡度较缓的南极内陆冰盖区域精度较高,符合度在3m以内,距离卫星轨道越近的区域精度越高,可达到1m以内。在坡度较大,高程变化较为显著的区域如沿海地区,精度较低,差距最大的点超过40 m。(2)鉴于目前南极冰盖DEM分辨率有限的现状,对测高卫星的重复轨道算法进行了改进,提出利用将地面重复轨道间坡度作为未知参数求解进而获得南极冰盖表面高程变化的方法。结合解算得到的坡度值分析了南极冰盖200m左右分辨率的坡度与坡向,并通过实测GPS数据解算的坡度对本文得到的结果进行了对比验证。利用本文解算的南极冰盖表面高程变化,在进行GIA改正以及ICESat卫星系统偏差改正之后,结合冰雪密度模型,估算了南极冰盖冰雪质量变化,得到南极冰盖的冰雪质量在2003年10月至2008年12月5年内的变化量为-44±21Gt/yr,其中东南极冰盖的质量变化为-18±20Gt/yr,西南极冰盖为-26±6Gt/yr。南极冰盖冰雪物质平衡对全球平均海平面上升的贡献约为0.12mm/yr。并和其他学者的研究成果进行了对比分析,结果表明,南极冰盖质量亏损主要集中在西南极阿蒙森海岸附近冰川以及东南极波因塞特角区域。(3)在介绍了北极海冰的特征和引起北极海冰变化因素的基础上,利用ICESat卫星提供的高精度海冰测高数据,基于海面高程总是小于海冰表面高程的假设,选择20km窗口内高程值最低的三个测量脚点高程平均值作为该区域内的海面高程,利用其它测高数据的高程值减去平均海面高程提取了2003年至2008年北极海冰的干舷高度,分析了北极海冰在这五年内的季节性以及年际性变化特征,结果表明,北极海冰干舷高度呈下降趋势,并且在2007年夏季减少趋势最为明显。本文对北极海冰在2007年迅速减少的原因进行了讨论分析。并利用波弗特环流项目中的实测海冰吃水深度数据,探讨了测高卫星在解算海冰厚度时存在的系统偏差。
【图文】：

图１．２全球平均海温近百年的变化（Ｒａｙｎｅｒ，ｅｔａｌ．，邋２００６）逡逑极区环境对全球变暖作用较为敏感，，较易受到全球气候变化影响，观测结果逡逑显示，极地气候对全球变暖的响应是中低韩度地区的两倍，对全球变暖有着＂放逡逑大器＂的作用。全球气候变化导致近几十年来北极海冰的范围和厚度都在不断减逡逑小（ＫｗｏｋａｎｄＲｏｔｈｒｏｃｋ，２００９）。ＩＰＣＣ第五次报告指出，全球变暖正在使得北极逡逑

ICESat测高卫星在极区的典型应用研究

图１．４ＩＰＣＣ预测未来海平面变化（ＩＰＣＱ２０１４）逡逑受全球气候变暖作用影响，北极海冰在近年来处于减少状态（Ｐｅｒｏｖｋｈ邋ａｎｄ逡逑Ｒｉｃｈｔｅｒ－Ｍｅｎｇｅ，２００９）。随着北极海冰面积的减少，冰面对阳光的反射能力也相逡逑应降低，导致更多的能量被海水吸收，从而加剧全球气候变暖；北极海冰的减少逡逑也会直接影响到当地居民的生活，增加了外出的危险性并且降低了他们打猎的成逡逑
【学位授予单位】：武汉大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：P228.3

【参考文献】