南极恩德比地冰盖高程变化研究*

吴云龙 杨元德 袁乐先 刘争战 伍 岳

1)中国地震局地震研究所(地震大地测量重点实验室)，武汉 430071

2)中国地震局地壳应力研究所武汉科技创新基地，武汉 430071

3)武汉大学中国南极测绘研究中心，武汉 430079

4)天津测绘研究院，天津 300381

5)三峡大学，宜昌 443002

南极恩德比地冰盖高程变化研究*

吴云龙1，2)杨元德3)袁乐先3)刘争战4)伍 岳5)

1)中国地震局地震研究所(地震大地测量重点实验室)，武汉 430071

2)中国地震局地壳应力研究所武汉科技创新基地，武汉 430071

3)武汉大学中国南极测绘研究中心，武汉 430079

4)天津测绘研究院，天津 300381

5)三峡大学，宜昌 443002

利用2002-10—2007-09月Envisat数据的交叉点和不同期间交叉点的高差组成高程变化时间序列，通过交叉点动态分析算法，研究南极恩德比地近年来冰盖的高程变化，结果表明该区域存在明显的正增长，增速达6 cm/a。

Envisat数据;南极冰盖;交叉点分析;恩德比地地区;高程变化

1 引言

南极冰盖冰储量约占全球冰川的90%，南极冰盖物质平衡的微小变化都会对全球海平面变化等造成巨大影响。研究表明，南极冰盖对海平面变化现状存在很大不确定性，限制了对海平面未来变化的研究和预测。南极冰盖高程变化趋势及其机理已成为极地环境监测研究的热点。在过去二十年中，利用卫星测高、卫星重力等空间对地观测手段确定南北极地区的高程变化，进而定量监测极地冰盖物质平衡，得到了广泛的应用［1－5］。

目前利用卫星测高监测冰盖高程变化的方法主要有交叉点分析和重复轨道分析两种算法，而交叉点分析算法能够消除一些系统误差［6］，因此该算法获得的精度优于重复轨道分析方法。交叉点分析是利用升降轨道形成的交叉点高程时间序列进行分析。该算法通常以固定时间间隔进行分析，这样交叉点分析能获得一个上三角的观测矩阵，对于利用这个观测矩阵，研究者们提出了不同的数据处理方法。根据文献［6，7］的研究，动态法在交叉点个数、高程变化时间序列的精度等诸多方面均优于其他两种算法，因此本文直接利用动态法进行分析。

研究表明，东南极冰盖整体处于物质平衡状态，而恩德比地是东南极较活跃的区域，GRACE、ICESat和地面实测数据均表明东南极恩德比地存在较为明显的物质增长［8］。ICESat的工作时间为2003至2009年，因此利用在南极冰盖已进行20余年观测的ERS-1/2和Envisat卫星测高观测数据显得十分必要，目前国内外对Envisat利用较少。基于此，本文将利用Envisat数据，通过交叉点动态分析算法，研究南极恩德比地近年来冰盖高程变化趋势。

2 数据分析与算法介绍

研究采用2.1版SGDR Envisat数据产品，该数据修正了USO钟周期项。计算时直接利用产品中自带的对流层改正、电离层改正、固体潮改正等改正项，波形重定算法则选用适用于南极冰盖的ICE-2算法。采用的Envisat数据从2002-10—2007-09月。

设dH表示|tA－tD|时段高程变化:

其中，tA、tD表示升降轨时刻，BA与BD表示与方向相关、与时间无关的卫星测高轨道误差，ΔHS(t)表示由反射能量变化导致的虚假高程变化。

式中，nAD与SDAD为升降交叉点个数及误差，nDA与SDDA为降升交叉点个数及误差，ωAD=nAD/(nAD+nDA)表示权重。由于nAD、nDA较大，通常不考虑误差项BA、BD［2］。

式中，R=1则动态参考算法为静态参考算法。在此基础上，对每列数据，利用加权平均计算得到高程变化的时间序列dHj:

采用三个标准剔除质量较差的格网:

3 结果分析

3.1 反射能量改正

研究表明，反射能量的变化会导致高程时变效应［7］。在数据处理时，我们首先计算反射能量和高程的时间序列，然后利用高程变化与反射能量的时间序列，计算得到其相关系数(图1(a))。结果表明，大部分区域的相关系数均高于0.7，内陆甚至超过0.9;而近岸部分区域，未能满足标准，数据出现了空白。

最后，对高程进行反射能量改正，改正后的高程变化时间序列dHcor(j)为:

式中，dσj为反射能量，CG为相关系数梯度。图1(b)为CG的空间分布，近岸的CG较小，内陆CG较大，最大值约0.6 m/dB。图1显示CG与相关系数的空间分布类似，相关系数越大，CG越大。

图2(a)为经过反射能量改正后的高程变化时间序列(中心点为 80.5°S，51E°);图 2(b)为高程变化和反射能量变化的时间序列，从该图可以看出高程变化与反射能量变化高相关，反射能量变化引起高程季节和年际变化。比较图2(a)和2(b)，可以看出改正使得高程变化率的符号发生了变化。

图1 反射能量与高程变化的空间分布Fig.1 Spatial distribution between elevation change and backscattered power change

图2 80.5°S，51E°中心点的冰盖高程与反射能量变化时间序列Fig.2 Time series of height change and backscattered powerbackscatter change in 80.5°S，51E°point

3.2 研究区的高程变化

冰盖高程变化包括趋势项与年周期变化，其中趋势项与气候变化有关。在任一格网中，对冰盖高程变化的时间序列进行线性项与年周期变化项拟合，即可获得

其中A+Bt表示趋势项，B为变化率，C和D表示年周期变化，w=2π。

计算结果表明恩德比地的高程变化趋势项呈空间分布不均匀的特点(图3)。2002－10—2007－09月，恩德比地冰盖表面高程变化存在明显整体增加趋势，平均变化率为6 cm/a。结合2002年至2007年的历史资料分析，2003、2004年恩德比地出现了明显的冰盖消融，2005年之后，先后经历了冰盖显著增高再微弱消融的过程。冰盖表面高程的剧烈变化以及整体增高趋势与厄尔尼诺现象可能存在关系。

图3 高程变化趋势项的空间分布Fig.3 Spatial distribution of height change trend

图4给出了中心点70.5°S，51E°的冰盖高程变化时间序列，由图4可以看出，从2002年10月开始到2003年8月，恩德比地发生冰盖消融现象，2003年9月到2005年4月，整体呈现平衡状态，而从2005年5月开始出现了较强的年季变化，呈现出显著增高现象。

此外，与恩德比地对应的相邻区域，存在明显的冰盖表面高程减少现象，其平均变化率为－3 cm/a。分析其原因，恩德比地为大洋环绕，常年受极地高压控制，陆地气温比海洋气温低得多，尤其在冬季，陆上气压与海洋气压的相差愈加变大。当夏季和冬季季节变化时，靠近海洋海拔较低区域，冰流从冰原流向冰架，由此导致其相邻区域的物质质量负变化，因此这些区域呈现较大的冰盖高程变化现象。

图4 70.5°S，51E°中心点的冰盖高程变化时间序列Fig.4 Time series of ice sheet height change in 70.5°S，51E°point

对于南极东南极较活跃的恩德比地区域，亦有多种独立数据源的观测结果，均显示其存在较为明显的物质增长，与本文结果取得了相互验证。Yamamoto［8］利用 GRACE、ICESat和地面实测数据对恩德比地的质量迁移进行了比较分析，认为该区域在2005年至2007年，存在明显冰盖显著增高的变化过程。史红岭［4］利用2003年至2007年的ICESat观测值，探测得到了东南极恩德比地在2003年至2007年冰盖表面高程具有整体增长的趋势，达到了4.79±0.13 cm/a。期间的高程变化时间序列也与本文计算的时间变化具有一致性。朱广彬［11］利用GRACE产品，推求了南极地区冰盖质量变化速率，并对东南极质量变化进行了主成分分析，分析表明东南极地区冰盖呈现质量累积趋势，且具有明显的季节性变化特征。罗志才［12］采用GRACE时变重力场数据对南极冰盖质量变化进行了精细计算分析，结果也显示东南极沿海岸恩德比地地区冰盖质量呈现阶跃式增加，且2009年后其冰盖质量呈现较大幅度的增加趋势。

4 结语

计算结果表明，东南极恩德比地存在较为明显的物质增长，增速达6 cm/a;恩德比地附近区域则出现负增长，除去气候因素外，其他诱因也有待进一步研究;计算还表明，反射能量的变化对高程变化的精确获取有相当大的影响，在利用Envisat数据计算冰盖表面高程的实际变化时，需对反射能量进行相应的改正。

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，From ERS-2 satellite radar altimetry［J］.IEEE Trans Geosci Remote Sensing，2004，2 437－2 445.

3 李建成，等.ICESAT卫星确定南极冰盖高程模型研究［J］.武汉大学学报(信息科学版)，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 史红岭，等.利用 ICESat交叉点分析探测恩德比地冰盖近年高程变化［J］.武汉大学(信息科学版)，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 杨元德，等.利用Envisat数据探测中山站至Dome A条带区域冰盖高程变化［J］.武汉大学(信息科学版)，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 朱广彬，等.利用GRACE时变位模型研究南极冰盖质量变化［J］.武汉大学(信息科学版)，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 罗志才，等.利用GRACE时变重力场反演南极冰盖的质量变化趋势［J］.中国科学:地球科学，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

中国地震局地震研究所所长基金(IS201126025);国家自然科学基金(41106163，41004010);国家海洋局极地科学重点实验室开发研究基金(KP201102);南北极环境综合考察与评估专项(CHINARE2012-03-03，CHINARE2012-01-03，CHINARE2013-03-03，CHINARE2013-01-03)

吴云龙，男，博士，助理研究员，主要从事卫星重力学和地震监测研究.E－mail:yunlongwu@gmail.com