基于卫星测高技术的南极冰盖变化及影响因素研究

杨全明

1.宿州学院环境与测绘工程学院,安徽 宿州 234000; 2.武汉大学中国南极测绘研究中心,湖北 武汉 430079

全球气候与环境变化是影响南极冰盖变化的重要因素之一。当前全球气候变暖不断加剧,对南极冰盖的稳定造成了严重威胁,进而影响到人类未来的生存与发展。因此研究南极冰盖的定量变化,对于加深全球气候变化认识和预测未来全球海平面变化具有重要的现实意义。论文通过对前人的研究进行总结和分析,针对在处理卫星测高任务间偏差和升降轨道偏差方面存在的问题和不足,提出了NPF(novel plain fitting)解算模型。论文联合Envisat和CryoSat-2数据,通过NPF模型研究了近20年的南极冰盖高程变化;同时,结合GRACE重力卫星数据对南极冰盖同期的质量变化进行了分析;最后,利用ICA方法对厄尔尼诺-南方涛动(El Nio-southern oscillation,ENSO)、年代际太平洋涛动(interdecadal Pacific oscillation,IPO)、南半球环状模式(southern Annular mode,SAM)和印度洋偶极子(Indian ocean dipole,IOD)进行独立成分分析,获取了互相独立的各个气候因子成分。首次实现了气候因子影响与人类活动直接影响的分离,估算出人类直接或间接活动造成的南极冰盖质量变化。具体研究内容如下:

(1) 根据目前联合多个卫星测高任务研究长时序的冰盖表面高程变化时,在处理卫星测高任务间偏差和升降轨道偏差方面存在的问题和不足,论文提出了一种基于传统平面拟合法改进的新平面拟合解算(novel plain fitting,NPF)模型,该模型通过同时引入任务间偏差和升降轨道偏差参数以有效地消除任务间偏差和升降轨道偏差。首次实现不同测高卫星任务的观测数据在统一的数学解算模型下进行同步解算,并得到连续、自洽的冰盖表面高程时间序列,以及不同测高卫星任务间偏差和升降轨道偏差。

(2) 基于论文提出的NPF模型,联合Envisat和CryoSat-2数据,提取了2002年5月—2019年4月期间空间分辨率达到千米的月均南极冰盖表面高程和冰盖体积变化时间序列,该时间序列呈现出较好的连续、自洽特征,克服了当前多测高卫星估算的长时间序列连续性、自洽性不好的问题。

(3) 采用经验正交函数(empirical orthogonal function,EOF)、经验模态分解(empirical mode decomposition,EMD)等数据分析方法,对南极冰盖表面高程、表面物质平衡和质量变化等时间序列进行时空分析,最终发现气候因子是造成南极冰盖变化存在年际周期变化特征的主要因素。

(4) 针对当前国内外缺乏气候因子对南极冰盖变化影响研究的现状,论文通过对气候因子与南极冰盖变化的相关性研究,使用独立成分分析(independent component analysis,ICA)方法首次实现了南极冰盖变化中气候因子影响(人类间接活动的影响)与人类活动直接影响的分离,并发现在2002—2017年期间,气候因子是造成南极冰盖质量损失加速的主要原因,而人类活动的直接影响对南极冰盖质量损失加速贡献较小。