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基于GRACE时变重力场反演南极冰盖质量变化_李军海_图文

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基于 GRACE 重力场 反演 南极 冰盖 质量 变化 李军海 图文
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第 31卷第 3期2 0 1 1 年 6 月大地测量与地球动力学F 1 2011文章编号 : 16712011) 03军海1, 2)刘焕玲1, 2)文汉江1)朱广彬3)方爱平1)1) 中国测绘科学研究院 , 北京 1008302) 辽宁工程技术大学测绘与地理科学学院 , 阜新 1230003) 武汉大学测绘学院 , 武汉430079摘 要 利用 布的 本 2003008的重力场模型估计南极冰盖质量变化 。由于 供的 利用 得的 对于经度方向上出现的条纹状信号 , 采用去相关滤波处理 。选择去掉其中某一个月的位模型重新反演南极冰盖质量变化 , 发现相同区域的质量变化率并没有发生很大的变化 。联合得到的位模型 、滤波技术以及 后回弹模型观测到的西南极 区和南极半岛的冰盖质量消融现象 , 其等效水高变化分别为 -5. 28 ±0. 95 cm/a、-1. 82 ±0. 77 cm/a; 而 架以及东部 区冰盖质量在增加 , 分别为 1.42 ±0. 69 cm/a、1. 43 ±0. 72 cm/a。与已有研究结果比较发现 : 西南极冰盖质量在加速融化 , 而 架以及东部 区冰盖等效水高变化率没有发生大的变化 。关键词 南极 ; 重力场 ; 相关误差滤波 ; 质量变化率中图分类号 : 献标识码 : N F 2), 2), ) 008302) 230003) 430079he by of 003 008 20 is in in to do a in to in 5.28 ±0.95 cm/a 1.82 ±0.77cm/a in .42 ±0.69 cm/a 3 ±0.72 cm/a in is in a ey 收稿日期 : 2010 国家 863 计划重点项目 ( 2009; 国家自然科学基金 ( 40874012)作者简介 : 李军海 , 男 , 硕士 , 主要从事卫星重力学研究 . E - 26. 期 李军海等 : 基于 变重力场反演南极冰盖质量变化1 引言南极地区储存有地球上最大的冰川 , 因此了解南极冰盖质量变化的规律对研究全球平均海平面变化 、气候变化 、水文变化以及大气动力学等问题非常重要 。力卫星计划旨在获取高精度地球重力场及其时变特征 , 它的误差分析表明 , 在季节性或年际性时间尺度和几百千米或更大空间尺度上 ,探测平均小于 1 表层水变化 , 这为我们探测南极冰雪质量的变化提供了可能 。 1]利用 星资料研究的结果显示 , 西南极的冰盖等效体积变化为 -148±21 a, 东南极的冰盖保持在平衡状态 0 ± 56a; [ 2]应用 算的 模型并采用不同的 型改正 , 得出西南极的冰盖等效体积变化为 - 77 ± 14 a, 东南极的冰盖等效体积变化为 80 ± 16 a; [ 3]应 用算的 模型 , 得到西南极的冰盖等效体积变化为 -107 ±23 a, 东南极的冰盖等效体积变化为 67 ±28 a; 鄂栋臣等[ 4]应用算的 模型 , 得到西南极冰盖等效体积变化为 - 75 ± 50 a, 而东南极的冰盖等效体积变化为 -3 ±46 a; 朱广彬等[ 5]应用算的 模型得到西南极的冰盖等效体积变化为 - 91 a, 东南极冰盖等效体积变化为 10. 5 a。众多研究表明 , 西南极的冰盖正以较快的速率在减少 , 而东南极的冰盖在增加或处于相对平衡状态 。本文利用 布的 场 位 模 型[ 6], 使 用 2003008力场位模型应用于南极冰盖质量变化反演 , 其中没有 2004 年 01 月的模型 。由于 到的 根据文献 [ 5] 的研究结果 , 采用 到的 由于 谐系数中存在系统相关误差 , 因此对于该误差的处理 , 采用类似 7]的去相关滤波方法 ; 为了获取南极冰盖的质量变化 , 利用后回弹模型[ 8]来剔除冰后回弹影响 。2 据反演质量变化的原理物质质量分布变化所引起的重力场位系数变化为[ 9 -11]:Δ珔}2l +1)∫02ππdθ∫r, θ, λ)珔r( )}λ 1)其中 : r、θ、λ 分别表示地心向径 , 余纬以及经度 ; a 为地球半径 ; l、m 分别为阶和次 ; Δρ( r, θ, λ) 为大地水准面发生变化时的密度 ;珔为规格化的勒让德函数 。可以得到利用重力场模型位系数变化推求地球表面质量变化的表达式 :Δσ( θ, λ) =l =0∑02l +11 + Δ珔 Δ珔 2)其中 ρa=5 5187 为地球平均密度 , l 阶负荷勒夫数 。考虑到 力场模型系数误差随阶数增大而增大 , 为了减小估算物质质量分布变化时的误差 , 提高精度 , 引入了高斯平滑函数 。加入高斯平滑算子后的地球表面质量变化反演公式为 :Δ珚σ( θ, λ) =20∑02l +11 + Δ珔Δ珔( 3)式中 3 系统相关误差滤波现球谐系数间的相关系统误差能引起经度条纹 , 并设计了一种滤波器来消除这种现象 。其基本思想是对高次项系数分别按奇数阶和偶数阶进行多项式拟合 , 然后将拟合值视为相关误差加以扣除 。针对 布的 本重力场数据 , 确定相关误差滤波策略为 : 对于每一对应次数 ( 10≤m) 、阶数 ( m≤n≤60) , 将奇数阶和偶数阶各自对应的系数按阶数分段拟合成 4 次多项式 , 将各阶次拟合值视为相关误差 , 从位系数中将其扣除得到滤波后的新球谐系数 。图 1 是 2003 年 12 月 变重力场位系数在相关误差滤波前后所得的全球海水质量变化 。图 1( a) 显示在未进行相关误差滤波时 , 海水质量变化图中充满了条纹状信号 ; 从图 1( b) 可以发现当经过相关误差滤波后 , 条纹现象明显减少 , 虽然在赤道附近区域该滤波的影响不很明显 ; 图 1( c) 显示在图1( a) 的基础上经过 500 斯平滑后 , 依然存在条纹现象 ; 图 1( d) 显示在图 1( b) 的基础上进行 500斯平滑后 , 与图 1( c) 相比条纹现象已经非常少 。因此可以确定该相关误差滤波能够有效地减少经度方向上的条纹信号 。34大地测量与地球动力学 31 卷图 1 去除经度方向条纹的滤波 to in 于 测得到的南极区域质量变化经过高斯滤波以及去相关滤波 , 得到南极地区格网区域冰盖质量变化的空间分布 。实际中 , 由于观测结果无法分离出各种不同地球物理过程引起的质量变化量 , 特别是冰后回弹的影响 , 因此为获得南极冰盖质量变化 , 需加冰后回弹改正 , 本文选取 后回弹模型 。图 2 给出了南极冰盖质量变化率分布 , 图 2( a)为 正 的南极冰盖质量变化趋势分布 , 图 2( b) 给出了 后回弹模型的南极分布 。从图 2( a) 可以看出 , 西南极冰盖 、南极半岛冰盖存在质量消融现象 , 而 架以及南极东部的 地附近区域则存在质量累积现象 。为对这些区域的细部特征进行进一步的分析 ,分别选择其中的代表性点计算了这 4 个区域的冰盖质量变化速率[ 12]( 图 3、4。A 点位于西南极冰盖 , C 点位于 架 , D 点位于地区域 ; 红色虚线表示通过最小二乘拟合得到的冰盖质量变化趋势 ) 。图 3、4 分别表示了 4 个格网点的质量变化序列 , 对于西南极冰盖中的点 A 来说 , 其质量呈现出较强的减少趋势 , 年等效水高变化为 -5. 28 ±0. 95cm/a, B 点为 - 1. 82 ± 0. 77 cm/a; 架上 其质量呈现出增加趋势 , 为 1. 42 ±0. 69 cm/a; . 43 ± 0. 72 cm/a。从图 3、4 可以看到 , 在2004 年 11 月质量同时出现极大值 , 针对这个现象 ,选择去掉该月时变重力场 , 采用相同的相关滤波以及高斯滤波 , 重新求得质量变化时间序列 。由图 5、6 可以发现去掉 2004 年 11 月后时变重力场重新得到的质量变化率基本没有变化 。A、B、C、D 4 点等效水高分别 -5.25 ±0.96 cm/a、-1.79图 2 南极冰盖质量变化率的分布 of 期 李军海等 : 基于 变重力场反演南极冰盖质量变化图 3 A、B 点的质量变化序列 of C、D 点的质量变化序列 of .78 cm/a、1.47 ±0. 73 cm/a、1. 46 ±0. 74 cm/a。与图 3、4 进行比较发现 , 4 点质量等效水高变化率处于相同量级 。因此去掉 2004 年 1 月的重力场模型对计算结果没有什么影响 。计算得到的东南极 、西南极冰盖等效体积变化分别为 14 ±7 a、-69 ±12 a。表 1 中列举了 5 个不同机构利用不同时间段内的 据得到的南极冰盖质量变化 , 与本文结果进行比较可以发现有所差别 , 原因可能是数据时间段 、平滑半径的不同所造成 。为了更详细地研究其原因 , 将 4 点的质量变化率与 L[ 2]的计算结果进行比较 。选择与 L 计算结果进行比较 , 主要是因为两者采用相同机构的数据 , 且采用了近似的去相关滤波方法 , 只是在时间段以及高斯平滑半径的选取上有所不同 。通过比较发现 , 这 4 点的质量变化趋势是相同的 , 但具体的质量变化率却有所区别 。当高斯平滑半径相同 , 数据时间段不同时 , 对于 B、C 两点质量等效水高变化率没有发生大的变化 , 但是 A、 A、B 点的质量变化序列 of C、D 点的质量变化序列 of 南极冰盖质量变化 ( 单位 : a)1 of a)据 经历时间 ( 年 ) 东南极 西南极1]2002—2005 0 ±56 -148 ±212]2003—2006 80 ±16 -77 ±143]2002—2005 67 ±28 -107 ±234]2002—2007 -3 ±46 -75 ±505]2002—2008 10.5 -91质量等效水高变化率具有明显的变化 , 不过趋势有所不同 , A 点趋势在增加 , D 点趋势在减缓 ; 当数据时间段相同 , 平滑半径不同时 , A、B、C、D 4 点质量等效水高变化率都发生变化 , 且趋势都在减缓 。由此得出西南极地区冰盖质量在加速融化 。5 结论经度方向上的条纹状信号 , 主要是 谐系数之间含有系统相关误差 , 采用去相关误差滤波能够有效地去掉经度方向上的条带现象 。54大地测量与地球动力学 31 卷表 2 与 2]计算结果的比较 ( 单位 : cm/a) 2]( a)平滑半径 ( 经历时间 ( 年 ) A B C 2]300 2003—2006 -8.78 ±0.71 -3.72 ±0.33 2.78 ±2.10 3.37 ±0.65300 2003—2008 -11.15 ±0.97 -3.56 ±0.82 2.87 ±0.58 2.08 ±0.64500 2003—2008 -5.28 ±0.95 -1.82 ±0.77 1.42 ±0.69 1.43 ±0.72选择将 2004 年 11 月位模型去掉 , 重新反演南极冰盖质量变化 。将两次计算的结果进行比较发现 , 在相同点上质量等效水高变化率没有发生明显的变化 , 因此可以确定对于没有选择 2004 年 1 月位模型 , 其对本文计算结果所造成的影响可以忽略 。利用 变重力场数据反演南极大陆冰盖质量变化 , 发现南极冰盖质量变化具有明显的地区不平衡性和季节性变化趋势 , 通过选择南极冰盖不同地区几个特征点进行分析发现西南极地区冰盖质量减少趋势非常明显 。将本文计算得到的南极地区冰盖质量变化结果与不同机构结果进行比较 , 在相同区域冰盖质量变化率有所差别 。通过与 2]计算的结果比较 , 发现时间段以及高斯平滑半径的选取是影响这一差别的两个原因 。参 考 文 献1 . of J] . 2006, 311:1 754.2 L, J] . 2008,266: 140 -148.3 et of J] . 2006, 53 ( 2) : 198 -208.4 鄂栋臣 , 杨元德 , 晁定波 . 基于 料研究南极冰盖消减对海平面的影响 [ J] . 地球物理学报 , 2009, 52( 9) :2 222 -2 228. ( E J] . , 2009, 52( 9) : 2 222 -2 228)5 朱广彬 , 等 . 利用 变位模型研究南极冰盖质量变化 [ J] . 武汉大学学报 ( 信息科学版 ) , 2009, 34( 10) :1 185 -1 190. ( et on of J] . 2009, 34( 10) : 1 185 -1 190)6 . . of J] . 006, 33( 8) : 1 -4.8 R. of 5G( J] . 2004, 32: 111 -149.9 F S in s by J] . J. R. , 1987, 91, 569 -596.10 of s J] . J , 1998, 103( : 30 205 -30 229.11 周旭华 , 等 . 全球水储量变化的 星检测 [ J] .地球物理学报 , 2006, 49( 6) : 1 644 - 1 650. ( et of J] . 2006, 49 ( 6) : 1 644 -1 650)12 L, et J] . 2006, 33: 3 蒋涛 , 等 . 变重力场位系数相关误差的滤波消除技术 [ J] . 武汉大学学报 ( 信息科学版 ) , 2009, 34( 12) : 1 407 -1 409. ( et J] . 2009, 34( 12) : 1 407 -1 409)14 D. in s 8 J] . 2004, 109( .15 . of J] . 2002,107( : 2 193.16 et J] . 007( 260) : 127 -136.17 翟宁 , 王泽民 , 鄂栋臣 . 基于 演南极物质平衡的研究 [ J] . 极地研究 , 2009, 21( 1) : 43 -47. ( on J] . 2009, 21( 1) : 43 -47)18 W A 海斯卡涅 , H 莫里斯 编著 . 卢福康 , 胡国理译 . 物理大地测量学 [ M] . 北京 : 测绘出版社 , 1979. ( . u u M] . 1979)64
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