中国近海及临海稳态海面地形研究*

彭利峰 张胜军 李大炜 赵 倩

1)武汉大学卫星导航定位技术研究中心，武汉 430079

2)武汉大学测绘学院，武汉 430079

中国近海及临海稳态海面地形研究*

彭利峰1)张胜军2)李大炜2)赵 倩1)

1)武汉大学卫星导航定位技术研究中心，武汉 430079

2)武汉大学测绘学院，武汉 430079

利用Jason-1、Jason-2和Envisat三颗测高卫星3年的GDR测高数据，与基于GOCE与GRACE联合重力场模型GOCO02S计算的大地水准面，采用几何法计算中国近海及临海海域稳态海面地形，计算结果表明，平均海平面与稳态海面地形体现了不同的趋势，且与已知研究结果一致。

卫星测高;平均海平面;GOCO02S;稳态海面地形;几何法

1 引言

稳态海面地形(MDT，Mean Dynamic Topography)对于研究地球形状、确定全球统一的高程基准、求定大地水准面、精化地球重力场模型、确定海洋环流以及海洋环境监测都具有重要的意义和作用［1］。作为本文研究区域的中国近海及临海海域位于太平洋西部，是黑潮流经的主要区域，对该区域的稳态海面地形研究具有重要意义，许多学者对中国近海及临海的海面地形进行了研究，并得到了一些有益的结论［2－4］。但此前研究中所采用的参考重力场多为GRACE或GRACE之前的重力场模型，受GRACE重力场中短波精度的限制，难以反映海面地形的细部信息。而随着GOCE计划的成功实施，中短波重力场精度得到了有效改善，有望在100 km分辨率水平上提供厘米级大地水准面，稳态海面地形的分离实现重大突破。

新的纯卫星250阶次重力场模型GOCO02S采用了7年的GRACE数据重力场、1年的GOCE SST数据、8个月的 GOCE SGG数据以及 SLR等数据［5］，该模型集合了 GOCE重力场中短波优势和GRACE重力场的长波优势，从而可提高对应海面地形和海洋环流确定的高阶贡献。本文联合多代GDR卫星测高数据(Jason-1、Jason-2、Envisat)计算了中国近海及临海(0°－45°N，100°－140°E)平均海面高模型，然后基于GOCO02S重力场模型计算的大地水准面，采用几何法建立了中国近海及临海稳态海面地形模型。

2 平均海面高模型

2.1 测高数据选取及预处理

研究数据来源于Jason-2 GDR与Jason-1 GDR以及Envisat RA-2 GDR(表1)。

表1 卫星测高数据Tab.1 The altimeter data

由于原始的测高数据中包含被污染的测高数据，因此需要按相应的编辑准则进行数据筛选、剔除和改正。其中选用 GOT00.2海潮模型进行潮汐改正。

为验证数据的可靠性与正确性，对所选数据逐周进行了交叉点不符值统计，Jason-2数据还使用相同轨迹的Jason-1数据进行互检校。Jason-1和Jason-2的单星自交叉点以及双星互交叉点处的不符值均方根大都在7～12 cm，Envisat单周期交叉点不符值的均方根约为12 cm。

2.2 海面高模型的建立

首先对预处理后的数据进行共线处理以消除时变海面高影响［6］。即在对应参考轨迹点前后各选取五个点，根据距参考轨迹点的距离确定权重，进而计算出待求点的海面高及中误差;然后计算出参与加权计算的测高点残差并剔除残差大于两倍中误差的点，循环计算至无数据点删除;最后将不同周期距离加权计算得到的海面高累加求平均，并剔除大于两倍中误差的点，最终得到不同周期测高数据共线处理后的正常点海面高。

本文采用条件平差法对三颗测高卫星的数据进行联合交叉点平差。将经过交叉点平差后的离散海面高统一到Jason-1(T/P)参考椭球，并采用Shepard格网化方法［7］构建中国近海及临海海域(0°－45°N，100°－140°E)30'×30'平均海面高模型(图 1)。

图1 中国近海及临海海面高模型Fig.1 The mean sea surface height(MSSH)model over China sea and neighbour

2.3 模型检验

为保证海面高模型结果的可靠性，将计算得到的平均海面高模型与国内外具有代表性的海面高模型 WHU2009［8］和 DTU10［9］相同区域的结果进行比较，比较结果见表2。

表2 与WHU2009、DTU10海面高模型比较统计结果(单位:m)Tab.2 Comparision between WHU2009and DTU10 MSSH models(unit:m)

从表2可见，本文计算的平均海面高模型与两个模型的均方根差分别为0.134 m和0.117 m，存在差异的主要原因是模型所采用的测高卫星以及数据的时间跨度不同，与WHU2009差异较大的原因是其采用了GOT4.7海潮模型进行潮汐改正，而本文计算的模型和DTU10均采用了GOT00.2海潮模型。结果表明，本文计算的中国近海及临海平均海面高模型具有较高的精度和可用性。

3 稳态海面地形

3.1 稳态海面地形计算

稳态海面地形定义为平均海平面与大地水准面之差［10，11］，即:

其中，ξ(θ，φ)表示稳态海面地形，H(θ，φ)为平均海面高，N(θ，φ)为大地水准面高。

根据式(1)将相同格网点的格网海面高与格网大地水准面高做差，即可得到中国近海及临海海域的格网稳态海面地形。如图2(a)所示，其结果含有较多的噪声，难以分析海面地形的主要特征，引起噪声的主要原因是代表误差(Commission Eror)和截断误差(Omission Eror)，前者与重力场球谐系数阶次成正比，与后者成反比［12］。为更清晰地揭示稳态海面地形的特征，需进行滤波以削弱噪声的影响。本文选择600 m半径的高斯滤波进行降噪处理，滤波时不考虑陆地上的点，滤波结果见图2(b)。

图2 滤波前后的中国近海及临海稳态海面地形Fig.2 The MDT models before and after Gaussian filter over China sea and neighbour

3.2 模型检核

为验证本文计算的稳态海面地形结果的可靠性，将结果与国际模型 CLS09 MDT［13］和 DTU10 MDT中国近海及临海区域的结果进行比较，结果见表3。在比较前首先利用双线性插值方法将CLS09和DTU10模型插值为30'×30'，删除陆地与岛屿上的点，并剔除差值大于3倍中误差的野值，统计结果显示，本文计算的稳态海面地形模型与CLS09和DTU10结果均方根差均在11 cm左右，产生差异的主要原因是模型所采用的数据源不同以及计算方法的差异，CLS09 MDT同样采用了几何法处理了平均海面和大地水准面，但其联合了水文、浮标等物理海洋数据，而DTU10 DMT则采用了球谐系数法进行计算。结果表明，本文计算的中国近海及临海稳态海面地形与CLS09 MDT、DTU10 MDT均符合较好，具有较高的精度和实用性。

表3 与CLS09、DTU10稳态海面地形模型比较统计结果(单位:m)Tab.3 Comparision between CLS09 and DTU10 MDT models(Unit:m)

4 结论

GOCE重力卫星计划的成功实施，大大改善了地球重力场中短波精度，但目前GOCE长波部分重力场精度不尽如人意，而GRACE重力场具有长波优势，因此 GOCE与 GRACE联合重力场集合了GOCE与GRACE的优势，能够反映更为细致的海面地形信息。本文利用三颗在轨测高卫星数据计算了中国近海及临海海域(0°～45°N，100°～140°E)平均海面高模型，并联合GOCE与GRACE联合重力场模型GOCO02S建立了中国近海及临海海域稳态海面地形。

分析其计算的结果可以得到:

1)经过与国内外同类模型的比较，证明本文所建立的中国近海及临海平均海面高模型及稳态海面地形模型的精度是可靠的;

2)中国近海及临海的平均海平面呈现出明显的“西北低-东南高”趋势，且具有明显的梯度:在“珠江入海口-越南-马来西亚”以西海域，海平面高为负值;从105°E～110°E赤道附近海域向东北延伸至日本海域的海平面高集中在10～40 m;中国近海及临海东南角及菲律宾附近海域海平面较高，从50 m上升至77 m。

3)中国近海及临海稳态海面地形在整体上是高的(正的)，且表现出与平均海平面不同的趋势:在“长江入海口-日本”以北海域海面地形较低，约为0.4 m，被黑潮和北赤道暖流所包围的海域(即图2(a)中的黄色区域)海面地形较高，集中在1.3～1.75 m，其中最高点出现在日本的东南海域，海面地形高度为1.75 m，其量级与位置均与已知研究结果一致;在菲律宾的吕宋岛(Luzon)与棉兰老岛(Mindanao)附近出现两个明显的下凹，其中棉兰老岛的下凹趋势更为强烈，最低点的海面地形高度为0.2 m。

4)根据地转流原理，海面地形等值线密集的海域存在洋流，分析海面地形结果的等值线可以清晰看出黑潮的流向及流域:黑潮在台湾岛东部海域被分流，一部分以“蛇形”走势折向日本海海域，另一部分则进入南海海域，与已知的黑潮研究结果一致。

1 李建成，等.地球重力场逼近理论与中国2000似大地水准面的确定［M］.武汉:武汉大学出版社，2003.(Li Jiancheng，et al.The theory of approaching earth gravity field and evaluation of Chinese 2000 Qusi-geoid［M］.Wuhan:Wuhan University Press，2003)

2 陈俊勇，李建成，晁定波.用T/P测高数据确定中国海域及其邻海的海面高及海面地形［J］.武汉测绘科技大学学报，1995，20(4):321 －326.(Chen Junyong，Li Jiancheng and Chao Dingbo.Determination of the sea level height and sea surface topography in the China Sea and neighbour by T/P altimeter data［J］.Journal of Wuhan Technical University of Surveying and Mapping，1995，20(4):321 －326)

3 张鹤.T/P卫星测高数据确定海面地形的方法研究及应用［J］.测绘通报，2005，2:10 －13.(Zhang He.The method of determining sea surface topography by T/P altimeter data［J］.Bulletin of Surveying and Mapping，2005，2:10 －13)

4 张子占，马海青，陆洋.多源数据推求的西太平洋区域海面动力地形比较分析［J］.海洋测绘，2007，27(5):4－7.(Zhang Zizhan，Ma Haiqing and Lu Yang.Comparative analysis of the dynamic ocean topography over the western Pacific derived from multi-source data［J］.Hydrographic Surveying and Charting，2007，27(5):4 －7)

5 Helmut Goiginger，et al.The combined satellite-only global gravity field model GOCO02S［R］.EGU General Assembly 2011.

6 赵小阳，等.ENVISAT-1卫星测高数据编辑标准的研究［J］.海洋测绘，2006，26(6):65 －67.(Zhao Xiaoyang，et al.The research on data editing criteria of ENVISAT-1 satellite altimeter［J］.Hydrographic Surveying and Charting，2006，26(6):65－67)

7 方杨，蒋涛.卫星测高数据格网化方法研究［J］.海洋测绘，2010，30(3):30 －33.(Fang Yang and Jiang Tao.Research on gridding of satellite altimetry data［J］.Hydrographic Surveying and Charting，2010，30(3):30－33)

8 金涛勇，等.基于多源卫星测高数据的新一代全球平均海面高模型［J］.测绘学报，2011，40(6):723－729.(Jin Taoyong，et al.The new generation of global mean sea surface height model based on multi-altimetric data［J］.Acta Geodaetica et Cartographica Sinica，2011，40(6):723 －729)

9 Ole B，Andersen and Per Knudsen.The DTU10 mean sea surface and mean dynamic topography［R］.OSTST，Lissabon，Portugal，October 2010.

10 Ole B，Andersen and Per Knudsen.DNSC08 mean sea surface and mean dynamic topography models［J］.Journal of Geophysical Reserach，2009，114，C11001.

11 Rory J，et al.Calculating the ocean’s mean dynamic topography from a mean sea surface and a geoid［J］.Journal of Atmospheric and Oceanic Tecchnology，2008，25:1 808 －1 822.

12 Knudsen P，et al.A global mean dynamic topography and ocean circulation estimation using a preliminary GOCE gravity model［J］.J Geod.，2011，85:861 － 879.

13 Rio M H，et al.New CNES-CLS09 global mean dynamic topography computedfrom the combination of GRACE data，altimetry，and in situ measurements［J］.Journal of Geophysical Research，2011，116，C07018.

致谢 感谢NOAA、NASA以及ESA分别提供的Jason-2、Jason-1和Envisat数据，GFZ提供的GOCO02S重力场模型，AVISO提供的CLS09 MDT模型，DTU Space Center提供的DTU10模型。

MEAN DYNAMIC TOPOGRAPHY OVER CHINA SEA AND NEIGHBOUR

Peng Lifeng1)，Zhang Shengjun2)，Li Dawei2)and Zhao Qian1)
1)GNSS Research Center，Wuhan University，Wuhan430079
2)School of Geodesy and Geomatics，Wuhan University，Wuhan430079

Using the GDR data recorded by the Jason-1，Jason-2 and Envisat altimetry satellites for three years，and on the basis of the geoid calculated by the GOCO02S gravity field model which is combined with GOCE and GRACE，the mean dynamic topography is calculated over China sea and neighbour using Pointwise approuch.The results show that different trends are reflected from mean sea surface and mean dynamic topography，which are consistent with the known results respectively.

satellite altimetry;mean sea surface;GOCO02S;mean dynamic topography;Pointwise approuch

P312

A

1671-5942(2013)04-0065-04

2012-12-09

国家重点基础研究发展计划(2012CB957703)

彭利峰，男，1985年生，博士研究生，主要从事卫星测高与卫星重力在海洋学中的应用研究.E－mail:lfpeng@whu.edu.cn