梁子亮，岳建平

（河海大學(xué)地球科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇南京 210098）

一、引 言

衛(wèi)星測(cè)高以衛(wèi)星為載體，以海面作為遙測(cè)靶，由衛(wèi)星上裝載的雷達(dá)測(cè)高儀向海面發(fā)射微波信號(hào)，該雷達(dá)脈沖信號(hào)傳播到達(dá)海面后，經(jīng)過(guò)海面反射，再返回到雷達(dá)測(cè)高儀［1］。通過(guò)計(jì)算信號(hào)往返的時(shí)間可以得到衛(wèi)星高度的測(cè)量值［2］。

相較于常規(guī)方法，衛(wèi)星測(cè)高具有實(shí)時(shí)、全天候的特點(diǎn)，尤其在偏遠(yuǎn)的內(nèi)陸湖地區(qū)，利用衛(wèi)星測(cè)高可以近實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)水域的水位變化，建立水域水位的多年時(shí)間序列［3］。近年來(lái)利用衛(wèi)星測(cè)高技術(shù)監(jiān)測(cè)內(nèi)陸湖泊水域變化，國(guó)內(nèi)已經(jīng)做了很多研究。褚永海等利用Jason-1數(shù)據(jù)分析了呼倫湖水位變化［3］；李建成等利用ENVISAT的數(shù)據(jù)分析了長(zhǎng)江中下游湖泊水位的變化［4］；高永剛等利用波形重定后的T/P和Jason-1衛(wèi)星測(cè)高數(shù)據(jù)對(duì)呼倫湖水位再次進(jìn)行了分析［5］；姜衛(wèi)平等利用ENVISAT數(shù)據(jù)分析了青海湖水位變化［6］；李景剛等利用Jason-2衛(wèi)星測(cè)高數(shù)據(jù)分析了南洞庭湖的水位變化［7］。本文利用 Jason-1、Jason-2衛(wèi)星測(cè)高數(shù)據(jù)分析了高郵湖2003—2012年的水位變化情況。

二、研究區(qū)與數(shù)據(jù)

1.高郵湖概況

高郵湖是江蘇省第三大淡水湖、中國(guó)第六大淡水湖，總面積約780 km2。它的湖盆高出東部里下河平原1.0～2.5 m。湖水較淺，最大水深2.40 m，平均水深僅1.44 m［8］。高郵湖位于淮河下游地區(qū)，為淺水湖泊，處于淮河入江水道的中段，是淮水入江的主要通道。高郵湖主要承泄淮河70%以上的來(lái)水，是典型的過(guò)水型湖泊，行洪期間河湖連為一片［9］。圖1為 Google Earth環(huán)境下顯示的Jason-1、Jason-2衛(wèi)星通過(guò)洞庭湖的地面軌跡。在每個(gè)Cycle內(nèi)，Jason-1、Jason-2總共有254個(gè) Pass文件，只有Pass153弧段經(jīng)過(guò)高郵湖。

圖1 Jason-1、Jason-2衛(wèi)星通過(guò)高郵湖的軌跡

2.測(cè)高數(shù)據(jù)

本文采用 OSTST發(fā)布的 Jason-1、Jason-2的GDR數(shù)據(jù)，兩類(lèi)數(shù)據(jù)均從AVISO網(wǎng)站下載。GDR數(shù)據(jù)中，每個(gè) Cycle包含154個(gè) Pass文件。每個(gè)Pass文件中所包含的數(shù)據(jù)記錄個(gè)數(shù)與衛(wèi)星通過(guò)的地面狀況有關(guān)。每個(gè)記錄中包含了時(shí)間、位置、高度、姿態(tài)、測(cè)高、環(huán)境改正、有效波高、海況改正、后向散射系數(shù)等數(shù)據(jù)項(xiàng)，每個(gè)數(shù)據(jù)項(xiàng)的定義、單位、缺省值和取值范圍可以參考衛(wèi)星測(cè)高產(chǎn)品手冊(cè)。Jason-1、Jason-2衛(wèi)星只有Pass153弧段經(jīng)過(guò)高郵湖。Jason-1測(cè)高數(shù)據(jù)為從2003年1月3日至2009年1月22日（Cycle036～Cycle259）的GDR-C數(shù)據(jù)。Jason-2測(cè)高數(shù)據(jù)為從2009年2月1日至2012年12月29日（Cycle000～Cycle128）的 GDR-T數(shù)據(jù)。Jason-2為Jason-1的后續(xù)衛(wèi)星，基本特征與Jason-1相同，一個(gè)軌道周期為10 d，地面軌跡在赤道上間距約為315 km。

三、數(shù)據(jù)分析

1.湖水位計(jì)算

精確測(cè)定高度及發(fā)射的脈沖往返于衛(wèi)星與湖面的雙程傳播時(shí)間，便可以確定衛(wèi)星到水面的距離。該觀測(cè)值與衛(wèi)星相對(duì)于參考橢球面的高度均可以從GDR數(shù)據(jù)文件中獲取。將這兩個(gè)觀測(cè)值相減，可以得到湖水面相對(duì)于參考橢球的高度，即

式中，H表示湖面橢球高；Halt表示衛(wèi)星相對(duì)于參考橢球的距離；Hran表示衛(wèi)星到湖面的距離；δcor表示誤差改正。

在開(kāi)闊海域，GDR數(shù)據(jù)中提供了包括固體潮、電離層、對(duì)流層（干、濕）、海潮、極潮、逆氣壓和海況偏差等在內(nèi)的多項(xiàng)改正。對(duì)于內(nèi)陸湖泊，測(cè)高數(shù)據(jù)內(nèi)的最優(yōu)改正模型并不完全有效和適用，濕對(duì)流層和電離層改正經(jīng)常缺損，這是將測(cè)高數(shù)據(jù)用于監(jiān)測(cè)湖泊精度受到限制的主要因素［3］。本文改正包括對(duì)流層（干、濕）、電離層、海況、固體潮、極潮5項(xiàng)改正。式（1）中誤差改正為

式中，δwet為濕對(duì)流層改正；δdry為干對(duì)流層改正；δlono為電離層改正；δset為固體潮改正；δpol為極潮改正；δssb為海況改正。

2.數(shù)據(jù)編輯

在內(nèi)陸水域，由于其面積較小，并且相對(duì)于開(kāi)闊海面，衛(wèi)星測(cè)高的數(shù)據(jù)量相對(duì)較少。介于此，海洋上的數(shù)據(jù)編輯標(biāo)準(zhǔn)并不能完全適用。在本文研究中，采用BRAT軟件對(duì)讀取的GDR數(shù)據(jù)進(jìn)行編輯，標(biāo)準(zhǔn)為:① 數(shù)據(jù)位于湖泊水面范圍內(nèi)，根據(jù)surface_type==1進(jìn)行判斷；② 測(cè)高儀所觀測(cè)的高度有效，根據(jù)qual_alt_1hz_range_ku==0進(jìn)行判斷；③各項(xiàng)改正的數(shù)值在有效的范圍內(nèi)；④同一Cycle中的GDR數(shù)據(jù)與同一Cycle平均值的差值在3倍中誤差的限差范圍內(nèi)；⑤剔除經(jīng)上述判斷后所得數(shù)據(jù)中的粗差［5］。

由于Jason-2衛(wèi)星發(fā)射升空后，Jason-1衛(wèi)星仍在軌。從2008年7月8日至2009年1月22日兩衛(wèi)星存在重疊數(shù)據(jù)，為了選擇質(zhì)量較好的數(shù)據(jù)，本文對(duì)兩衛(wèi)星在此期間的數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析，結(jié)果見(jiàn)表1。分析得出Jason-1的數(shù)據(jù)質(zhì)量?jī)?yōu)于Jason-2數(shù)據(jù)，其原因可能為Jason-2衛(wèi)星此時(shí)仍處于驗(yàn)證階段，數(shù)據(jù)質(zhì)量相對(duì)較低。選擇Jason-1數(shù)據(jù)作為2008年7月8日至2009年1月22日的湖面高計(jì)算數(shù)據(jù)。

表1 2008年7月8日至2009年1月22日間Jason-1、Jason-2湖面高數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì) m

根據(jù)前文數(shù)據(jù)編輯標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)測(cè)高數(shù)據(jù)進(jìn)行編輯，得到時(shí)間跨度為2003年3月1日至2012年12月29日共310個(gè)湖面高數(shù)據(jù)。分析發(fā)現(xiàn)，每年的1月、2月及3月存在部分?jǐn)?shù)據(jù)為負(fù)數(shù)，與實(shí)際不符，原因可能為冬季湖面結(jié)冰，衛(wèi)星高度計(jì)跟蹤模式不同所造成的，應(yīng) 剔 除 該 異 常 數(shù) 據(jù)。在 （32°58＇42″N，119°23＇55″E）附近的數(shù)據(jù)同樣存在部分不符值，原因可能為該地區(qū)有部分陸地延伸進(jìn)湖泊內(nèi)，衛(wèi)星高度計(jì)在測(cè)量的過(guò)程中產(chǎn)生了誤差，以也應(yīng)將其剔除。表2是將所有數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)的結(jié)果，可以看出，如果剔除粗差，計(jì)算湖面平均橢球高度的標(biāo)準(zhǔn)差約0.799 4 m，精度明顯優(yōu)于剔除前。

表2 高郵湖2003—2012年湖面高數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)表 m

四、計(jì)算結(jié)果

瞬時(shí)湖面高由兩個(gè)分量之和構(gòu)成:①相對(duì)于參考橢球面的大地水準(zhǔn)面高；②相對(duì)于大地水準(zhǔn)面的湖面高。由于內(nèi)陸湖泊地區(qū)的大地水準(zhǔn)面通常很難確定，本文將每一個(gè)瞬時(shí)湖面高減去平均湖面高，從而得到時(shí)間序列，并以此來(lái)分析水位變化，該過(guò)程同樣可以消除部分誤差的影響［3］。本文使用的平均湖面高是將9年（2003—2012年）的瞬時(shí)湖面高求取平均值而獲得的。

1.年水位異常

高郵湖位于淮河下游地區(qū)，其水位受淮河影響嚴(yán)重。將每一年內(nèi)所有瞬時(shí)湖面高取平均值，減去10年平均湖面高，得到年水位異常（如圖2所示）。年水位較高處出現(xiàn)在2003年、2005年和2007年，這與2003年、2005年和2007年淮河發(fā)生的洪澇災(zāi)害相符［10］。其中2003年水位明顯高于其余各年，這也與當(dāng)年在高郵湖發(fā)生的特大洪澇災(zāi)害相符，該年淮河水位達(dá)到了歷史第二高［11］。從圖2中可以看出，10年內(nèi)高郵湖水位呈下降趨勢(shì)，自2009年之后下降趨勢(shì)尤為明顯，這也與近年來(lái)降水量呈減少趨勢(shì)相符［12］。

圖2 高郵湖2003—2012年年水位時(shí)間序列

2.月水位異常

高郵湖位于淮河下游地區(qū)，處于淮河入江水道的中段，其水位受淮河影響嚴(yán)重，每當(dāng)洪水季節(jié)，水位升高；枯水季節(jié)，水位下降。從圖3可以看出，高郵湖水位具有明顯的季節(jié)性變化特征，每年的最高水位出現(xiàn)在7月。從5月開(kāi)始，由于梅雨季節(jié)來(lái)臨，水位逐漸上升；7、8月達(dá)到最高峰，這個(gè)時(shí)期也是淮河流域洪峰時(shí)期。9月以后水位逐漸降低，進(jìn)入平水期，11月至翌年的4月水位為年內(nèi)最低值。每年的冬季和春季水位較低且穩(wěn)定，變幅不大，這與淮河流域水位變化有明顯的相關(guān)性。

2003年6 月29 日至2003年7月4日和2005年7月4日至2005年7月11日淮河流域（31°～36°N、112°～36°E）出現(xiàn)了連續(xù)性的強(qiáng)降水［13］。2007年江淮流域從6月19日開(kāi)始入梅，降雨增加，特別是2007年6月29日至2007年7月10日，淮河流域出現(xiàn)了集中強(qiáng)降水［11］，受淮河及降水影響，高郵湖水位連續(xù)超警戒水位。上述實(shí)際情況與圖中反映出的水位起伏相符。

圖3 高郵湖2003—2012年月水位時(shí)間序列

3.水位異常序列的Fourier分析

首先取各個(gè)半年的水位異常數(shù)據(jù)作為輸入數(shù)據(jù)，利用 Fourier變換對(duì)高郵湖湖泊水位（2003—2012年）的時(shí)間序列進(jìn)行分析。在分析中由頻率和幅度構(gòu)成頻率-幅度圖，用于確定水位變化，從中發(fā)現(xiàn)湖泊水位變化周期項(xiàng)。圖4給出了高郵湖水位變化序列的頻譜分析，振幅圖中有一個(gè)較大的峰值，由此推斷高郵湖水位具有較強(qiáng)的周期性，且周期為1.5年。

圖4 高郵湖水位變化的頻譜分析圖

五、結(jié)束語(yǔ)

本文利用Jason-1測(cè)高衛(wèi)星6年（2003—2009年）和 Jason-2測(cè)高衛(wèi)星3年（2009—2012年）的GDR數(shù)據(jù)，經(jīng)數(shù)據(jù)編輯，得到了高郵湖年水位異常和月水位異常的時(shí)間序列，并利用Fourier變換分析了水位變化的周期。從兩個(gè)時(shí)間序列來(lái)看，高郵湖水位呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，且自2009年之后尤為嚴(yán)重。每年的7、8月高郵湖水位達(dá)到峰值，且在9月以后水位逐漸降低。分析發(fā)現(xiàn):高郵湖水位呈現(xiàn)出顯著的周期變化，周期為1.5年。高郵湖位于淮河下游地區(qū)，其水位受淮河影響嚴(yán)重。本文利用衛(wèi)星測(cè)高資料所得出的高郵湖水位變化序列，與近幾年高郵湖及淮河水位實(shí)際情況相符。

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