Jason_2卫星测高数据在长江中游水位监测中的应用

王 红，孙福宝*，杨 涛，2，刘 法

（1.中国科学院 地理科学与资源研究所 陆地水循环及地表过程重点实验室，北京 100101；2.中国科学院大学，北京 100049）

1 研究背景

江河湖泊等的水位监测资料，是水利工程规划、设计、施工和管理，桥梁、港口、航道、给排水等工程建设，防汛抗旱中水文预报和水文情报等的重要依据。近些年，随着遥感技术的发展，借助卫星观测数据对内陆水体水位监测资料稀缺地区数据加密、资料短缺地区进行数据补充的可行性越来越强。

卫星测高是利用人造地球卫星携带的测高仪，测定卫星到瞬时海平面（或平坦地面）的垂直距离的技术和方法。最初的目的是利用遥感的方法确定海面高度及其随时间的变化信息。1992年开始，法国国家空间研究中心（CNES）和美国国家航空航天局（NASA）联合研制的海洋地形卫星，开始发射TOPEX/Poseidon（T/P）系列卫星，包括T/P、Jason_1、Jason_2和Jason_3。其中T/P卫星1992年8月发射，2006年1月结束服务。作为其后续卫星的Jason_1卫星于2001年12月发射，2013年7月结束服务。Jason_2卫星于2008年6月发射升空，Jason_3卫星2016年1月进入轨道。该卫星轨道高度为1336 km，轨道倾角为66.039°，周期约为10 d[1-3]。由于该系列测高覆盖面大、资料密集、数据精度高，已广泛应用于深海潮汐、海流、海面形态等的研究。

近些年来，许多学者对T/P系列卫星测高技术在河流和湖泊水位监测方面的应用进行了研究，如青藏高原中南部的扎日南木错[4]，新疆博斯腾湖[5]，内蒙古自治区呼伦湖，位于江苏省西北部的洪泽湖等[6]，长江中游的汉口站[7]及南洞庭湖[8]，北美洲伊利湖[9]，俄罗斯东西伯利亚南部贝加尔湖[10]，新西兰陶波湖[11]，哈萨克斯坦东部[12]，中亚地区[13]等。研究结果表明Jason_2卫星水位可很好地用于内陆水体水位监测。

长江中游南岸洞庭湖水系的湘、资、沅、澧四水和北岸汉江都是长江中游重要的支流。枝城至城陵矶（又称荆江），河道弯曲，洪水宣泄不畅，极易溃堤成灾，有“万里长江，险在荆江”之说。因此该区域精准和详细的水位监测与研究十分重要。本研究选取具有超过150年水位监测历史的汉口（武汉关）站作为典型站，分析长江中游水位变化。在此基础上，以同时经过枝城和洞庭湖小河咀水文站附近河道的Jason_2卫星数据为基础，分析Jason_2卫星测高数据在长江中游水位监测中的应用，3个水文站的位置分布如图1所示。

2 数据和方法

2.1 数据

Jason_2卫星测高数据来源于法国国家空间研究中心的卫星海洋学存档数据中心（https://www.aviso.altimetry.fr/en/home.html）。Jason_2卫星每运行一个完整的周期会有254条pass，经过中国的pass如图1右上角所示，其中pass 12同时经过了长江中游枝城水文站和洞庭湖小河咀水文站附近的河道（图1），因此选取pass 12的GDR数据进行分析。文中用到的气象数据有宜昌和沅江气象站日降水数据，均来源于国家气象数据共享服务平台（http://data.cma.cn/）。

水文数据有汉口（武汉关）站的月水位数据和枝城、小河咀水文站日水位数据，均来自于《中华人民共和国水文年鉴》。其中汉口（武汉关）站月平均水位数据为1865年1月-2015年12月的数据（缺1945年和1944年7-8月和10-12月的数据），枝城站日平均水位数据为2008年7月12日-2009年12月31日的数据，小河咀站日平均水位数据为2008年7月12日-2009年4月30日日水位数据。汉口（武汉关）水文站始建于1865年，站址位于湖北省武汉市武汉关，是监测长江中游干流汉口河段在汉江汇入后水沙资料的基本水文站。基本水尺位于长江中游干流左岸武汉关，上游4 800 m有武汉长江大桥，上游左岸约3 200 m处有汉江汇入。枝城站始建于1925年，位于湖北省宜都市枝城镇，介于宜昌站和枝江站中间，是长江中游干流水文站。小河咀水文站始建于1951年，站址位于湖南省沅江市琼湖街道小河咀村，是监测目平湖经西洞庭湖湖口（南端）流入南洞庭湖水沙情的国家基本水文站，沅水、澧水及长江部分来水汇入目平湖后经本站注入南洞庭湖。

图1 水文测站位置及pass12横跨测站附近河道的Google Earth图Fig.1 The hydrological stations location and pass 12 across the river near the stations showed on Google Earth

2.2 卫星测高原理

如图2所示，卫星测高原理为：利用星载微波雷达测高发射装置以地面为遥测靶，通过卫星星下点的天线垂直向地面发射一定频率的压缩脉冲信号并记录脉冲发射时间，脉冲穿过大气后，经由地面反射，由卫星信号接收装置接收返回脉冲并记录接收脉冲时间，利用脉冲发射时间和接收时间间隔以及记录的返回波形信息，测量卫星到地面的距离[7]。卫星测高水位计算是根据卫星测高的基本原理[1]进行的，计算公式如下：

其中，H为湖泊水位高程，Altitude为测高仪的椭球高，Range为测高仪的观测距离，Height为大地基准面相对于参考椭球面高度，Correct为各项的误差修正量。Altitude、Range、Height在GDR数据中分别对应alt_20hz、ice_range_20hz_ku和geoid数据。根据前人陆地水域研究结果[8，11]，误差修正量主要为湿对流层、干对流层、电离层、固体潮和极潮修正。具体计算如下：

其中，wet为湿对流层修正，dry为干对流层修正，lono为电离层修正，set为固体潮修正，pol为极潮修正。

采用Aviso官网提供的雷达测高工具箱BRAT（Basic Radar Altimetry Toolbox）软件对GDR数据进行提取与编辑。编辑标准：限定各Pass纬度范围在河道范围内；测高仪所观测的高度数据有效；各项改正的数值在有效的范围内；剔除数据与平均值之差大于3倍的数据；参考椭球体标准不同的修正[4，6，11，14]。文中的统计分析采用SPSS 22进行，作图采用SigmaPlot 10.0进行。

图2 卫星测高原理Fig.2 The principle of satellite altimetry

3 结果分析

3.1 长江中游水位的时间变化

对汉口（武汉关）站1865-2015年月平均到年平均水位数据进行线性趋势分析。结果表明，年平均水位在统计上无显著变化[未通过0.05水平检验，图3（a）]。年内尺度上可以看出，月平均水位差异显著，7月平均水位最高，1月平均水位最低，平均水位相差10.23 m[图3（b）]。进一步对各月的平均水位进行线性趋势分析，结果表明1月[图3（c）]和2月的月平均水位极显著增加（通过0.01水平检验），水位增加速率分别为10.2 cm/10a和7.7 cm/10a。8月，9月[图3（d）]，10月和11月月平均水位极显著下降（通过0.01水平检验），水位下降速率分别为10.7，12.7，20.9，17.20 cm/10a。其余月份，水位无统计上的显著差异。可以看出，水位变化在年内尺度上，有增加有减少，变化极为显著。

3.2 Jason_2卫星测高水位在长江中游的应用

通过以上分析可知，汉口（武汉关）站水位年尺度上无显著变化，而月尺度上水位变化显著，且有增加有减少。因此关注河道水位的月和日尺度的水位变化具有实际意义。

3.2.1 长江中游干流水位

利用枝城水文站的监测水位对Jason_2卫星测高水位进行精度验证。选取收集到的枝城站2008年7月1日至2009年12月31日实测水位数据，进行卫星测高水位解析的精度验证。同时选取枝城站上游较近的宜昌气象站对应时段的日降水数据，分析其与枝城站水位变化关系。首先按照研究方法中的标准对数据进行标准编辑，并利用监测水位与测高水位的均值差，对椭球体和基准面等不一致导致的高度差进行了校正。

图3 长江中游汉口（武汉关）站1865-2015年平均水位变化Fig.3 The time series of mean water level at Hankou(Wuhanguan)station in the middle reaches of Yangtze River during 1865-2015

从图4可以看出，两者水位虽然数值大小有差异，但是变化趋势相同，相关系数达0.93，说明Jason_2卫星测高数据解析得到的水位数据具有较高的精度。同时可以看出，日降水数据与水位变化时间上密切相关。基于此，进一步解析了2010年1月1日至2015年12月31日pass12枝城水文站附近的水位过程数据（图5）。可以看出水位数据受日降水过程影响显著，有明显的季节变化。

图4 枝城站监测水位与卫星测高水位的比较Fig.4 Comparison between water level of ground observation and satellite altimetry at Zhicheng hydrological station

图5 枝城站卫星测高的水位过程解析与降水的比较Fig.5 The time series of water level from satellite altimetry at Zhicheng hydrological station and comparison with daily precipitation

3.2.2 洞庭湖

小河咀水文站可监测沅水、澧水及长江部分来水汇入目平湖后经本站注入南洞庭湖的水情。利用小河咀水文站的监测水位对Jason_2卫星测高水位进行精度验证。根据收集到的实测水位数据，选取2008年7月1日至2009年4月30日作为水位验证时段。同时选取距离小河咀较近的沅江气象站日降水数据，分析相应时段降水与水位变化关系。

从图6可以看出，两者水位数值大小相近，变化趋势相同，相关系数达0.96，说明Jason_2卫星测高数据可用于该区域水位监测。该结果与李景刚等[8]在该区域的研究结果一致。需要说明的是，在该站河段，只利用公式1进行了计算，无需如枝城站由于标准不一致导致的高度差校正。同时，可以看出水位数据受日降水过程影响显著，有明显的季节变化。基于此，解析了2010年1月1日至2015年12月31日的水位过程数据（图7）。

图6 小河咀水文站监测水位与卫星测高水位的比较Fig.6 Comparison between water level of ground observation and satellite altimetry at Xiaohezui hydrological station

图7 小河咀水文站卫星测高的水位过程解析及与降水的比较Fig.7 The time series of water level from satellite altimetry at Xiaohezui hydrological station and comparison with daily precipitation

4 结论与讨论

通过对汉口（武汉关）站1865-2015年（缺1945年）共150年水位资料的分析可以看出，年平均水位在统计上无显著变化，但是月尺度上，年内最高和最低月平均水位相差10.23 m。长时间序列上，1月和2月月平均水位线性极显著增加（通过0.01水平检验），而8月，9月，10月和11月月平均水位极显著下降（通过0.01水平检验），水位下降速率不低于1 cm/a。说明月或者日尺度的水位监测在长江中游极为重要，尤其是全球气候变暖极端降水频发背景下，精准和详细的水位监测对于水利工程的规划、设计、施工和管理，桥梁、港口、航道、给排水等工程建设，防汛抗旱中的水文预报和决策都极为重要。

利用经过枝城和洞庭湖小河咀水文站附近河道的Jason_2卫星测高数据和水文站实测水位数据，分析了Jason_2卫星测高数据在长江中游水位监测中的应用。结果表明，整体上卫星测高数据与水文站监测数据趋势相同，水位值相近，Jason_2卫星测高数据可用于该区域水位监测。关于卫星测高得到的水位与水文站观测水位之间的差异，一方面是由于测高仪发射的脉冲信号经过水体表面发射返回接收机之前，受到多种因素的影响，如卫星轨道误差，仪器误差，大气对微波信号散射折射等，本研究基于前人内陆水体研究，仅通过湿对流层、干对流层、电离层对距离延迟进行了修正，通过固体潮和极潮进行了地球物理修正，以及水准面修正等，忽略了其他的误差，如测高仪识别出陆地回波信号是否准确等。另一方面测高仪轨道与水文测验断面位置不重合、测量时间点也有差异，且测高仪不同时期同一轨道间距相差可达1 km，每次经过的河道位置有所差异，测高仪为瞬时测量结果等，这些都会影响到验证的精度。后期还需要综合考虑这些方面来提高卫星测高的水位精度。我国重要的河段都布设有水文或水位监测站点，但是由于资料保密或监测缺失等原因，长序列的数据获取较为困难，通过卫星监测有助于建立较长的水位变化时间序列。尤其是，对于监测站点较为稀疏或无资料地区可以进行数据加密和补充。