TOPEX测高仪数据错误的修正及其应用的初步结果

1992年10月起,由美国宇航局(NASA)和法国国家空间研究中心(CNES)合作的TOPEX/POSEIDON海洋测高卫星,对全球海平面进行高精度的实时监测,极大地推动了全球海洋环流的研究.最近,TOPEX测高仪的漂移改正被发现存在错误,使得由此测定的全球平均海平面上升速率估计过大.本文利用美国空间研究中心(CSR)提供的卫星在1992年12月至1994年12月的海洋测高资料,消除了仪器漂移改正错误效应后.对全球和区域平均海平面进行了初步的规律性分析,并揭示其与地球自转变化及ENSO现象的相关性.1 TOPEX/POSEIDON 海洋卫星测高计划卫星测高最早在1970年由Willams提出,随后发射了SEASAT,GEOSAT,ERS-1等一系列卫星.而TOPEX/POSEIDON(简记为T/P)卫星由于使用了SLR和DORIS等多项新技术,测高和定轨精度都有了很大提高.T/P卫星将对全球海平面进行3～5a精确的测量,从而推动对潮汐、洋流等全球海洋环流的研究.     

利用TOPEX卫星测高技术监测1997年度El Nino过程

Ｅｌ Ｎｉｎｏ事件期间,全球的海洋和大气都会出现大范围的异常变化,１９９７年初开始了一次强Ｅｌ Ｎｉｎｏ事件,利用ＴＯＰＥＸ卫星的高精度海洋测高数据可以观测到这次Ｅｌ Ｎｉｎｏ期间海面高度的变化,并为研究Ｅｌ Ｎｉｎｏ的形成和发展机制以及对全球气候影响提供参考。     

全球海洋预报与科学大数据

全球海洋预报是当前国内外海洋预报领域的前沿方向之一,与实施海洋强国战略、维护国家海洋权益,以及开发深远海资源等各类海洋活动日益走向深海大洋的迫切需求有着密切的关系.全球海洋预报的突出特点是使用并生成海量的数据,充分体现了大数据的基本特征.本文从论述大数据的起源、概念和本质开始,介绍了全球海洋预报的基本理论,进一步结合数据同化、模式数据和产品分发等3个方面具体阐述了全球海洋预报中使用的观测数据和生成的模式数据等大数据.最后展望了全球海洋预报以及海洋大数据未来发展中面临的挑战和亟需解决的关键科学问题.     

用地表和空间重力测量验证全球水储量变化模型

综合分析了全球7台高精度超导重力仪长期连续观测资料, 在精密剔除了重力潮汐和地球自转变化重力效应的基础上, 获得了反映重力场季节性变化的残差序列. 同时, 通过局部的大气压观测数据, 分析了大气对重力的负荷影响, 通过全球陆地水和非潮汐海洋的数值模型计算了负荷效应对重力的影响. 数值结果表明, 大气和陆地水负荷对重力场观测的影响达到100±10^-9ms^-2的量级, 而非潮汐海洋负荷在沿海地区达到10±10^-9ms^-2的量级. 基于GRACE卫星重力确定的重力场球谐展开系数, 采用半径为600 km的高斯平滑技术获得了台站区域的月重力变化. 通过比较地表的超导重力观测和GRACE空间重力测量结果以及全球水负荷的重力效应说明: 地表和空间重力测量能够有效检测到由陆地水储量变化导致的重力场季节变化, 该变化达到100±10^-9ms^-2的量级. 这充分说明高精度的重力测量是检验全球水储量变化模型可靠性的重要手段.     

青岛地区一次浮尘过程的来源及向海输尘强度

每年春季我国西北地区时有尘暴发生,严重地区平均尘暴日数达30d以上,是著名亚洲粉尘的主要源地.国外有许多关于我国大陆粉尘被吹扬到太平洋的报告.美、日、韩等下风国家高度重视我国大陆浮尘的来源、组成及强度等,有关学者对此进行了大量研究.我国内陆尘暴的研究已取得可喜成果,近年来海洋气溶胶化学元素组成等也已有报道,但是,沿岸和海上的尘暴观测和研究尚未涉及.我国的渤、黄、东海位于西北风的下风方向和东亚粉尘向太平洋输送的通道上,在其沿岸进行浮尘的观测研究对水土保持、海洋环境评价与保护和海洋沉积学以及全球变化研究等都是十分必要的.因此,根据地面观测、天气图和卫星云图分析以及粉尘和降尘的测量和分析结果,对1995年3月11～12日青岛地区出现的严重浮尘天气过程的来源以及通过量等进行了研究.     

结合时间相关特征改进中国区域二氧化碳卫星观测数据的地统计分析

通过卫星从空间观测全球大气二氧化碳(CO₂)浓度为全球碳循环研究提供了新的数据源. 虽然卫星可以进行高密度点观测, 但是由于云和卫星观测模式等影响, 卫星观测点数据在空间上呈不规则分布且存在大量无观测值的空白区域. 精确填补这些空白区域将有利于研究全球和区域大气CO₂浓度特征. 地统计学分析方法利用卫星观测的大气CO₂数据固有的自相关结构进行插值, 可以解决上述问题. 该分析方法包括两个方面, 通过变异函数探讨数据的相关结构和对空白区域进行最优线性估计, 即克里格插值. 过去的研究通常采用仅考虑了空间相关特征的空间地统计学方法. 然而, 这种空间地统计学方法对存在于CO₂数据中的时间相关特征并没有充分考虑.     

北极快速变化对北冰洋碳汇机制和过程的影响

北冰洋是全球海洋碳循环研究的关键地区之一,其独特的地理位置决定了它是开展海陆统筹研究碳汇的一个绝佳的场所:地形相对封闭,边缘有世界上最大的陆架区,外围有广袤的陆地冻土层和大河输入.近年来,由于全球变暖、海冰消退、北极快速变化所引起的一系列大气、冰雪、海洋、陆地和生物等多圈层相互作用过程的改变,已经对北极地区碳的源、汇效应产生了深刻影响.这种变化不仅体现在由于陆地冻土圈变化所引起的甲烷和二氧化碳释放,而且,随之而来的海水层化、混合和环流变化,陆源有机碳和营养物质入海通量的增加,改变了海洋二氧化碳"物理泵"、"生物泵"和"微型生物碳泵"作用的强度、方式,以及海洋原有的海洋碳储库构成,很可能会对全球海陆碳源汇格局产生重要影响.本文主要从北极快速变化所引起的海洋生物泵过程和陆地碳输入的变化来讨论全球变暖对沉积碳埋藏的影响.     

海洋二号卫星SLR精密定轨

随着我国第一颗海洋动力环境卫星海洋二号(HY-2)的成功发射并正式投入使用,我国的海洋环境监测与海洋资源探测能力得到了进一步完善和提高.精密轨道跟踪和确定是海洋动力环境卫星的关键技术,也是有效利用包括雷达高度计在内的星载设备观测数据开展海洋科学研究的必备条件.本文介绍了我国首次HY-2卫星激光测距(SLR)国际联测的情况,采用动力学定轨方法,利用6个月的SLR实测数据进行了精密定轨,并通过内符合精度、与DORIS轨道的比较以及站星距检核等方法仔细分析了SLR定轨精度.处理结果表明,HY-2卫星SLR定轨的平均三维位置精度约为12.5cm,径向位置精度好于3cm.这项工作为SLR国际联测及精密定轨在我国对地观测卫星工程中的应用提供了成功范例.     

诱人的卫星通信与灾难

卫星通信系统一直担负着重要的全球间信息传播作用,无论在广播、电视、通讯,还是军事、经济等各个领域都具有举足轻重的作用.从卫星电视网到全球实况转播,从卫星电话到无休止的卫星监测(甚至间谍卫星),卫星实现了远程间信息、数据互交的难题,真可谓"一星悬高空,天涯若比邻".     

对南极地区气温变化的统计分析

南极地区气候状况特殊,是全球大气和海洋循环的热汇之一.南极地区在全球气候中起着重要作用,一些观测事实研究和模式研究都证实了这一点. 我们在中国南极长城站考察期间发现,当极地气旋过境时,气压急剧下降,有时会出现超出气压计的自记范围,并且没有对应的水银气压表读数的情况.降水、风等要素的测量也遇到     

白垩纪-古近纪生物大灭绝后海洋生物碳泵的破坏与恢复

终结恐龙时代的白垩纪-古近纪（K-Pg）界线事件发生在6600万年前,由于小行星撞击,地球生态环境发生剧变,导致海洋和陆地生物的大规模灭绝,当时海洋里占据绝对优势地位的初级生产者——颗石藻的灭绝尤为严重.初级生产者是食物链的基础,了解海洋初级生产力在极端环境下的破坏与灾后恢复过程,对于研究当今全球变化下海洋生物碳泵变化及其控制机制具有重要的借鉴意义.本文比较了前人提出的劫难海洋（strangelove ocean）、活跃海洋（living ocean）、弹性海洋（resilient ocean）以及异质海洋（heterogeneous ocean）四个假说,评述每个假说在解释K-Pg事件后海洋生物碳泵如何运行方面的合理性与不足.综合分析全球海盆既有高精度旋回控制、又有表层-深海δ¹³C垂向梯度的多个站点的数据,以探索K-Pg界线事件后全球海洋生物碳泵效率的变化,指出:（1） K-Pg事件前所有洋盆δ¹³C垂向梯度与现代海洋一致,这个梯度从陆架到深海有逐渐增加的趋势;（2） K-Pg事件后全球海洋δ¹³C垂向梯度消失;（3...     

上新世中期海洋表面温度变化及其与古气候重建数据对比

上新世中期, 过去约3.29~2.97 Ma 之间, 是地质历史上距今最近的一个持续性暖期. 它与模式预测的21 世纪末地球系统最有可能达到的气候态具有一定的可比性. 因此, 研究 该时期气候变化对于理解全球变暖背景下的气候变化趋势具有重要的参考作用. 采用最新 的PRISM3 重建数据集, 利用FOAM 耦合模式开展了上新世中期的全球气候模拟, 并对上 新世中期次极地北大西洋剧烈增暖和“永久的El Niño”两个热点问题进行了讨论. 模拟结果 表明: 与工业革命前相比, 上新世中期年平均海洋表面温度(SST)升高了2.3℃, 中高纬度海 洋的增温幅度大于低纬度海洋, 赤道太平洋SST 东西梯度减小以及大西洋经向翻转环流减 弱. 在SST 变化的空间格局上, 模拟结果与重建结果基本一致. FOAM 也能较好地模拟出北 大西洋、北太平洋以及南美西海岸的显著增暖, 但模拟的次极地北大西洋和赤道太平洋 SST 的变化与重建数据仍有差别. 上述重建与模拟的差异是由古气候数据重建的不确定性、 上新世中期模拟的困难以及模式本身的不完善共同造成的.     

极地大气科学考察与全球变化

南极和北极是地球上的气候敏感地区,也是多个国际计划研究全球气候变化的关键地区.极地包含了大气、海洋、陆地、冰雪和生物等多圈层相互作用的全部过程,在全球气候的形成和变化中有重要的作用.极地大气科学考察与研究是极地科学研究的重要组成部分.到2008年初,我国自主组织了24次南极考察,2次北冰洋考察和4次北极站考察;建成了南极长城站、中山站和北极黄河站,并在南极冰盖设置了5个无人自动气象站;开展了有关极地大气科学与全球变化的研究.在南北极地区.进一步加强国际合作,继续监测包括近地面温度在内的大气要素的变化,提高极地气象业务水平;拓展极地气象业务和大气科学考察研究领域,积极获取气候代用资料;进一步量化和认识极地在全球变化中的作用,及其对我国天气气候和国民经济可持续发展的影响;建立完善极地大气科学研究体系,提高极地大气科学研究水平,仍是我国极地大气科学与全球变化研究的重要内容之一.     

北斗新一代卫星时分体制星间链路测量的系统误差标定

北斗导航卫星系统BDS已在新一代试验卫星星座上成功实现了星间链路(ISL)相互伪距测量.对时分体制Ka频段星间钟差测量实测数据的分析表明,虽然星间钟差测量的随机误差水平达到了10 cm(RMS)水平,但其中仍包含显著的系统性测量误差.该系统误差严重影响了星间链路测量在星间时间同步和提升轨道精度等方面的应用.分析表明,该系统误差来源于星间链路信号收发设备的时延.该时延在地面环境难以标定,且地面标定值在卫星入轨和在轨工作期间受空间环境影响可能发生变化.本文利用BDS星地L双向时频传递设备采集的星地钟差数据,以及星间链路测量数据,对星间链路收发设备的组合时延进行最优估计.估计的具体策略是对任意一个卫星对,利用这两颗卫星的星地钟差数据以及星间链路数据,解算这两颗卫星星间链路设备的组合时延.对2IGSO/2MEO新一代试验卫星星座连续14 d的数据处理结果表明,每天对每颗卫星解算一组星间链路组合时延值,该时延值的时间序列具有较好的稳定性,其在14 d内的标准偏差小于0.3 ns.将获得的组合时延值应用于星间相对钟差的测量,星间链路对地数据测定钟差与星地L双向钟差测量结果得到的钟差具有较好的一致性,证明了组合时延的自洽性.结果表明,星间链路数据对MEO卫星境外弧段钟差预报精度提升尤为明显:钟差监测弧段提升达到全弧段的40%以上;卫星入境后,M1S预报误差从3.59降低至0.86 ns,M2S从1.94降低至0.57 ns.     

中国海及其邻近海域高分辨率海底地形

基于海洋岩石圈挠曲补偿模型和ETOPO5全球海洋海底地形模型,利用卫星测高数据所得到的中国海及邻近海域分辨率的海洋重力异常资料,反演了中国海及邻近海域高分辨率的海底地形。计算的海底地形比目前广泛使用的ETOPO5模型数据具有更高分辨率和精度,同时更清晰地展示了中国海及其邻近海域海底地貌、构造特征及动力学事件。     

气象卫星NOAA遥感数据在盐湖动态变化中的应用研究

NOAA卫星遥感数据除在气象和海洋领域广泛使用之外,在大陆植被分类以及农作物估产评价和灾害监测等方面也有广阔的应用前景.我国在大陆植被变化的气象卫星遥感研究取得可喜的进展,并在地震监震预报等方面也进行了一些尝试.NOAA卫星遥感数据在盐湖资源与环境及其动态变化的研究中尚属首次.1 NOAA卫星资料来源及预处理NOAA卫星遥感数字数据其地面分辨率为1～1.1km,经过地质数值概化及多层次解析,可使其分析精度达到50～500m(或更高精度).根据研究表明,NOAA卫星光谱通道CH_1(0.58～0.68μm),CH_2(0.725～1.1μm),CH_4(10.5～11.1μm)对盐湖地物的识别能力较强,其盐湖动态变化的光谱响应程度也比较明显.选择植被指数CH_2-CH_1来表征盐湖地物的变化,在其演变过程中(CH_2-CH_1)/(CH_2+CH_1)和CH_2/CH_1对盐湖地物的动态变化的识别能力较低.定义负植被指数(CH_2-CH_1)为水体边界;根据分析表明,水体边界的负植被指数(CH_2-CH_1)数值随着水体性质及总矿化度的不同而产生改变.2 NOAA卫星的星地坐标转换盐湖动态变化的研究首先要求定点定位和定性定量的观测分析.NOAA卫星的观测周期为12h,其运行轨道漂移量为几公里到几十公里,沿用其空间位置显然是不能达到盐湖动态变化的分析要求.经过筛选选用一种快速简捷的方     

基于ICESat/CryoSat-2卫星测高及站点观测的纳木错湖水位趋势变化监测

<正>全球气候变化对青藏高原的水循环和水资源产生重要的影响,高海拔内陆湖变化成为气候变化的重要指示器.近年来,卫星测高技术成为青藏高原湖泊动态变化的有力观测手段.目前,ICESat测高数据已广泛运用于湖泊水位变化监测,而该卫星仅能提供2003~2009年期间的测高数据.因此,2010年发射的高精度雷达高度计卫星如CryoSat-2成为青藏高原湖泊水位持续监测的潜在重要数据源.本文以青藏高原纳木错(Namco)水位变化为例,基于2005~2013年的纳木错站实测水位数据,评价CryoSat-2卫星在湖面脚点(footprint)     

全球合作：共同维护适宜人类生存的气候

一,预言环境的未来,需要专家们相互交流在过去的几年里,科学家们已经开始对全球或把地球作为—个系统的探索。例如:卫星现在能够把地球作为一个整体来收集数据了;新的超级计算机和信息系统能储存和处理大量数据组并控制错综地连结在一起的地球分系统模型。一些重大问题的非常时期,就像大气层中的“温室”气体水平增加一样,已经更多地关系到有关生态等系统的气象变化的潜在效应。若干条全球探索计划现已实施。例如:国家科学基金会已经认识到某些地球科学努力进入一个“全球地球科学”的规划——强调大气层和海洋系统之间的     

保卫和开发海洋的福星

据国家海洋局国家卫星海洋应用中心透露，2020年前，我国将发射8颗海洋系列卫星，其中包括4颗海洋水色卫星、2颗海洋动力环境卫星和2颗海洋监测卫星系列（又叫海陆雷达卫星），形成对我国全部管辖海域乃至全球海洋水色环境和动力环境遥感监测的能力。同时，也加强对我国黄岩岛、钓鱼岛以及西沙、中沙和南沙群岛全部岛屿附近海域的监测。目前，我国已发射3颗海洋卫星，包括2颗海洋1号系列水色卫星和1颗海洋2号系歹U海洋动力环境卫星，实现了对包括黄岩岛在内的南海海域的海洋环境观测监测。     

2014～2016年El Ni?o期间全球平均海平面的年际变化及全球水循环的贡献

自1993年以来,卫星测高的结果显示全球平均海平面(global mean sea level,GMSL)以3 mm/a左右的平均速率上升,并伴随着明显的年际变化.2002年成功发射的重力卫星(Gravity Recovery and Climate Experiment,GRACE)通过高精度测量两颗卫星之间的距离变化(微米级精度)反演全球陆地水时空变化,为全球平均海平面变化的成因分析研究提供了观测基础.综合利用卫星测高、GRACE卫星重力、海水温盐Argo浮标数据,详细分析了2010~2016年La Ni?a和El Ni?o期间GMSL年际变化和年际尺度上陆地水的贡献.结果显示,从2010年开始进入La Ni?a到2011年La Ni?a达到鼎盛期GMSL下降了7.6 mm,其中海水质量减少贡献了5.1 mm;2011~2013年GMSL快速上升了19.2 mm,相应海水质量的增加贡献了12.3 mm;2014~2016年强El Ni?o事件使得GMSL上升了15.1 mm,其中海水质量增加对GMSL的贡献达13.6 mm,该时期海水质量变化是GMSL年际变化的主导因素.同时采用卫星重力正演方法(Forward Modelling,FM)分别研究了澳大利亚+东南亚区域、南美洲区域、北美地区、南极+格陵兰区域的陆地水储量变化,结果表明:2014~2016年El Ni?o期间全球海水质量的增加主要来自于澳大利亚+东南亚区域、南美洲区域陆地水减少的贡献.