使用卫星监测海平面变化

海平面上升是气候变化带来的后果之一,已经对低洼沿海地区的人们产生了影响,其未来前景也不容乐观。我们知道,海平面上升是由海水受热膨胀以及冰川和冰盖融化增加海洋水量所导致的。根据政府间气候变化专门委员会(IPCC)2023年的报告,全球平均海平面在2006年至2018年间以每年3.7毫米的速度上升,而且这一速度还在加快。这不仅令人担忧,更是对我们未来发展前景的一则重要警示。

使用卫星监测海平面变化
图1:利用卫星测高仪,我们可以测量卫星与地球表面之间的距离。卫星的高度是已知的,通过减去程差可以得到海平面高度的估计值。

验潮仪观测海平面

但是,我们是如何如此精确地了解海平面上升的速度的呢?传统上,海平面是用验潮仪来观测的(可以想象把一把尺子固定在墙上,记录水位读数)。有一些很棒的项目来收集和整合世界各地的验潮仪数据,比如PSMSL(Permanent Service for Mean Sea Level —— 平均海平面永久服务机构) 。但是仍有两个主要问题:

  1. 验潮仪本质上只能安装在海岸上,而且经常位于港口,导致空间覆盖非常不均匀,并偏向于北半球和资金更雄厚的国家。
  2. 固定验潮仪的地面并不稳定。例如,大量抽取地下水会导致水库上方的地面发生沉降 。在一些地方,比如印度尼西亚,地面沉降比海平面上升更是一个问题。

因此,验潮仪所观测到的是绝对海平面变化和地面垂直运动的综合结果。有一些方法可以从验潮仪观测结果中去除垂直陆地运动的影响,例如使用永久GNSS站(GPS 是美国的 GNSS 系统)的测量垂直分量或使用GIA模型中的信息。

卫星雷达测高仪

幸运的是,大地测量学家非常擅长发明高科技卫星!利用卫星测高技术,我们不仅能获得具有高度全球覆盖率的数据,还能获得相对于参考面的绝对海平面变化,该参考面是基于对地心是什么以及在哪里这一知识建立的(地心在哪里?我们为什么要关心这个问题?)。其基本原则是测量卫星与海面之间的距离,该距离也被称为“程差”(图1)。由于卫星在轨道上的位置是已知的,例如通过GNSS和DORIS观测,我们可以从卫星高度和程差之间的差值计算出绝对海面高度。

简而言之,卫星雷达测高仪是利用微波辐射工作的主动式传感器,就像在卫星上有一个微波炉!不过测高仪大多工作在Ku波段、Ka波段或C波段,频率在5到35GHz之间,而你家的厨房微波炉则工作在大约2.5GHz的频率。雷达脉冲垂直向下发射(也叫天底方向),因此一个观测值只覆盖一个点,其直径约为2公里至30公里,具体取决于所使用的技术和海面的粗糙度。 这就是为什么2022年12月发射的新型 SWOT(Surface Water and Ocean Topography —— 地表水和海洋地形)任务有望彻底改变我们对地球地表水的认识。通过结合两个同时测量的SAR(合成孔径雷达)传感器的信号,SWOT可以更高分辨率观测整个区域,这是传统测高仪无法做到的。

使用卫星监测海平面变化
图 2: 在开阔的海洋上,波形(随时间返回的能量)通常遵循一种典型形状,可以用布朗模型的参数来描述。

既然我们知道了测高仪的工作原理,那么就来谈谈雷达脉冲是如何测量卫星与海面之间距离的吧。原则上,我们可以测量脉冲的双向传播时间,再乘以光速就可以得到距离。然而,传感器不仅测量出射和反射脉冲之间的时间差,还会记录整个反射信号。这个反射信号随时间的变化曲线被称为波形。在开阔的海洋上,该波形具有可预测的形状,可以用一个叫做“布朗模型”的函数来近似(图2)。通过将该模型拟合到一个单独的波形上,我们可以估计与海平面相关、与有效波高相关、甚至与风速相关的参数。将模型拟合到波形的过程被称为“重跟踪”,执行该任务的算法被称为“重跟踪器”。有专门针对不同类型位置的重跟踪器,尤其是在沿海地区、湖泊或河流上空,波形并不符合开阔海洋波形的布朗模型。由于测高仪覆盖范围内受到陆地影响,波形可以呈现出非常不同的形状(图3),需要专门的重跟踪器来处理。

使用卫星监测海平面变化
图3: 当陆地进入雷达脉冲的覆盖范围时,波形就会偏离布朗模型,例如会出现多个峰值。(图片来源 https://sentinel.esa.int )

总而言之,目前尚没有一项技术能以高时间分辨率和全球覆盖率提供海平面数据。在过去的三十年里,卫星测高术成为了观测海平面变化的宝贵数据源,是对验潮仪观测的补充。最终,使用验潮仪数据还是卫星测高数据取决于具体的应用和研究地点的数据可用

参考:
1、Vignudelli, Stefano, Andrey G. Kostianoy, Paolo Cipollini, and Jérôme Benveniste, eds. Coastal Altimetry. Berlin, Heidelberg: Springer Berlin Heidelberg, 2011. https://doi.org/10.1007/978-3-642-12796-0.
2、 Abdalla, Saleh, Abdolnabi Abdeh Kolahchi, Michaël Ablain, Susheel Adusumilli, Suchandra Aich Bhowmick, Eva Alou-Font, Laiba Amarouche, et al. “Altimetry for the Future: Building on 25 Years of Progress.” Advances in Space Research, 25 Years of Progress in Radar Altimetry, 68, no. 2 (July 15, 2021): 319–63. https://doi.org/10.1016/j.asr.2021.01.022.

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