Jason_2衛(wèi)星測高數(shù)據(jù)在長江中游水位監(jiān)測中的應(yīng)用

王 紅，孫福寶*，楊 濤，2，劉 法

（1.中國科學(xué)院 地理科學(xué)與資源研究所 陸地水循環(huán)及地表過程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100101；2.中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100049）

1 研究背景

江河湖泊等的水位監(jiān)測資料，是水利工程規(guī)劃、設(shè)計、施工和管理，橋梁、港口、航道、給排水等工程建設(shè)，防汛抗旱中水文預(yù)報和水文情報等的重要依據(jù)。近些年，隨著遙感技術(shù)的發(fā)展，借助衛(wèi)星觀測數(shù)據(jù)對內(nèi)陸水體水位監(jiān)測資料稀缺地區(qū)數(shù)據(jù)加密、資料短缺地區(qū)進(jìn)行數(shù)據(jù)補(bǔ)充的可行性越來越強(qiáng)。

衛(wèi)星測高是利用人造地球衛(wèi)星攜帶的測高儀，測定衛(wèi)星到瞬時海平面（或平坦地面）的垂直距離的技術(shù)和方法。最初的目的是利用遙感的方法確定海面高度及其隨時間的變化信息。1992年開始，法國國家空間研究中心（CNES）和美國國家航空航天局（NASA）聯(lián)合研制的海洋地形衛(wèi)星，開始發(fā)射TOPEX/Poseidon（T/P）系列衛(wèi)星，包括T/P、Jason_1、Jason_2和Jason_3。其中T/P衛(wèi)星1992年8月發(fā)射，2006年1月結(jié)束服務(wù)。作為其后續(xù)衛(wèi)星的Jason_1衛(wèi)星于2001年12月發(fā)射，2013年7月結(jié)束服務(wù)。Jason_2衛(wèi)星于2008年6月發(fā)射升空，Jason_3衛(wèi)星2016年1月進(jìn)入軌道。該衛(wèi)星軌道高度為1336 km，軌道傾角為66.039°，周期約為10 d[1-3]。由于該系列測高覆蓋面大、資料密集、數(shù)據(jù)精度高，已廣泛應(yīng)用于深海潮汐、海流、海面形態(tài)等的研究。

近些年來，許多學(xué)者對T/P系列衛(wèi)星測高技術(shù)在河流和湖泊水位監(jiān)測方面的應(yīng)用進(jìn)行了研究，如青藏高原中南部的扎日南木錯[4]，新疆博斯騰湖[5]，內(nèi)蒙古自治區(qū)呼倫湖，位于江蘇省西北部的洪澤湖等[6]，長江中游的漢口站[7]及南洞庭湖[8]，北美洲伊利湖[9]，俄羅斯東西伯利亞南部貝加爾湖[10]，新西蘭陶波湖[11]，哈薩克斯坦東部[12]，中亞地區(qū)[13]等。研究結(jié)果表明Jason_2衛(wèi)星水位可很好地用于內(nèi)陸水體水位監(jiān)測。

長江中游南岸洞庭湖水系的湘、資、沅、澧四水和北岸漢江都是長江中游重要的支流。枝城至城陵磯（又稱荊江），河道彎曲，洪水宣泄不暢，極易潰堤成災(zāi)，有“萬里長江，險在荊江”之說。因此該區(qū)域精準(zhǔn)和詳細(xì)的水位監(jiān)測與研究十分重要。本研究選取具有超過150年水位監(jiān)測歷史的漢口（武漢關(guān)）站作為典型站，分析長江中游水位變化。在此基礎(chǔ)上，以同時經(jīng)過枝城和洞庭湖小河咀水文站附近河道的Jason_2衛(wèi)星數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，分析Jason_2衛(wèi)星測高數(shù)據(jù)在長江中游水位監(jiān)測中的應(yīng)用，3個水文站的位置分布如圖1所示。

2 數(shù)據(jù)和方法

2.1 數(shù)據(jù)

Jason_2衛(wèi)星測高數(shù)據(jù)來源于法國國家空間研究中心的衛(wèi)星海洋學(xué)存檔數(shù)據(jù)中心（https://www.aviso.altimetry.fr/en/home.html）。Jason_2衛(wèi)星每運(yùn)行一個完整的周期會有254條pass，經(jīng)過中國的pass如圖1右上角所示，其中pass 12同時經(jīng)過了長江中游枝城水文站和洞庭湖小河咀水文站附近的河道（圖1），因此選取pass 12的GDR數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。文中用到的氣象數(shù)據(jù)有宜昌和沅江氣象站日降水?dāng)?shù)據(jù)，均來源于國家氣象數(shù)據(jù)共享服務(wù)平臺（http://data.cma.cn/）。

水文數(shù)據(jù)有漢口（武漢關(guān)）站的月水位數(shù)據(jù)和枝城、小河咀水文站日水位數(shù)據(jù)，均來自于《中華人民共和國水文年鑒》。其中漢口（武漢關(guān)）站月平均水位數(shù)據(jù)為1865年1月-2015年12月的數(shù)據(jù)（缺1945年和1944年7-8月和10-12月的數(shù)據(jù)），枝城站日平均水位數(shù)據(jù)為2008年7月12日-2009年12月31日的數(shù)據(jù)，小河咀站日平均水位數(shù)據(jù)為2008年7月12日-2009年4月30日日水位數(shù)據(jù)。漢口（武漢關(guān)）水文站始建于1865年，站址位于湖北省武漢市武漢關(guān)，是監(jiān)測長江中游干流漢口河段在漢江匯入后水沙資料的基本水文站?；舅呶挥陂L江中游干流左岸武漢關(guān)，上游4 800 m有武漢長江大橋，上游左岸約3 200 m處有漢江匯入。枝城站始建于1925年，位于湖北省宜都市枝城鎮(zhèn)，介于宜昌站和枝江站中間，是長江中游干流水文站。小河咀水文站始建于1951年，站址位于湖南省沅江市瓊湖街道小河咀村，是監(jiān)測目平湖經(jīng)西洞庭湖湖口（南端）流入南洞庭湖水沙情的國家基本水文站，沅水、澧水及長江部分來水匯入目平湖后經(jīng)本站注入南洞庭湖。

圖1 水文測站位置及pass12橫跨測站附近河道的Google Earth圖Fig.1 The hydrological stations location and pass 12 across the river near the stations showed on Google Earth

2.2 衛(wèi)星測高原理

如圖2所示，衛(wèi)星測高原理為：利用星載微波雷達(dá)測高發(fā)射裝置以地面為遙測靶，通過衛(wèi)星星下點(diǎn)的天線垂直向地面發(fā)射一定頻率的壓縮脈沖信號并記錄脈沖發(fā)射時間，脈沖穿過大氣后，經(jīng)由地面反射，由衛(wèi)星信號接收裝置接收返回脈沖并記錄接收脈沖時間，利用脈沖發(fā)射時間和接收時間間隔以及記錄的返回波形信息，測量衛(wèi)星到地面的距離[7]。衛(wèi)星測高水位計算是根據(jù)衛(wèi)星測高的基本原理[1]進(jìn)行的，計算公式如下：

其中，H為湖泊水位高程，Altitude為測高儀的橢球高，Range為測高儀的觀測距離，Height為大地基準(zhǔn)面相對于參考橢球面高度，Correct為各項的誤差修正量。Altitude、Range、Height在GDR數(shù)據(jù)中分別對應(yīng)alt_20hz、ice_range_20hz_ku和geoid數(shù)據(jù)。根據(jù)前人陸地水域研究結(jié)果[8，11]，誤差修正量主要為濕對流層、干對流層、電離層、固體潮和極潮修正。具體計算如下：

其中，wet為濕對流層修正，dry為干對流層修正，lono為電離層修正，set為固體潮修正，pol為極潮修正。

采用Aviso官網(wǎng)提供的雷達(dá)測高工具箱BRAT（Basic Radar Altimetry Toolbox）軟件對GDR數(shù)據(jù)進(jìn)行提取與編輯。編輯標(biāo)準(zhǔn)：限定各Pass緯度范圍在河道范圍內(nèi)；測高儀所觀測的高度數(shù)據(jù)有效；各項改正的數(shù)值在有效的范圍內(nèi)；剔除數(shù)據(jù)與平均值之差大于3倍的數(shù)據(jù)；參考橢球體標(biāo)準(zhǔn)不同的修正[4，6，11，14]。文中的統(tǒng)計分析采用SPSS 22進(jìn)行，作圖采用SigmaPlot 10.0進(jìn)行。

圖2 衛(wèi)星測高原理Fig.2 The principle of satellite altimetry

3 結(jié)果分析

3.1 長江中游水位的時間變化

對漢口（武漢關(guān)）站1865-2015年月平均到年平均水位數(shù)據(jù)進(jìn)行線性趨勢分析。結(jié)果表明，年平均水位在統(tǒng)計上無顯著變化[未通過0.05水平檢驗(yàn)，圖3（a）]。年內(nèi)尺度上可以看出，月平均水位差異顯著，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[圖3（b）]。進(jìn)一步對各月的平均水位進(jìn)行線性趨勢分析，結(jié)果表明1月[圖3（c）]和2月的月平均水位極顯著增加（通過0.01水平檢驗(yàn)），水位增加速率分別為10.2 cm/10a和7.7 cm/10a。8月，9月[圖3（d）]，10月和11月月平均水位極顯著下降（通過0.01水平檢驗(yàn)），水位下降速率分別為10.7，12.7，20.9，17.20 cm/10a。其余月份，水位無統(tǒng)計上的顯著差異?？梢钥闯?，水位變化在年內(nèi)尺度上，有增加有減少，變化極為顯著。

3.2 Jason_2衛(wèi)星測高水位在長江中游的應(yīng)用

通過以上分析可知，漢口（武漢關(guān)）站水位年尺度上無顯著變化，而月尺度上水位變化顯著，且有增加有減少。因此關(guān)注河道水位的月和日尺度的水位變化具有實(shí)際意義。

3.2.1 長江中游干流水位

利用枝城水文站的監(jiān)測水位對Jason_2衛(wèi)星測高水位進(jìn)行精度驗(yàn)證。選取收集到的枝城站2008年7月1日至2009年12月31日實(shí)測水位數(shù)據(jù)，進(jìn)行衛(wèi)星測高水位解析的精度驗(yàn)證。同時選取枝城站上游較近的宜昌氣象站對應(yīng)時段的日降水?dāng)?shù)據(jù)，分析其與枝城站水位變化關(guān)系。首先按照研究方法中的標(biāo)準(zhǔn)對數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)編輯，并利用監(jiān)測水位與測高水位的均值差，對橢球體和基準(zhǔn)面等不一致導(dǎo)致的高度差進(jìn)行了校正。

圖3 長江中游漢口（武漢關(guān)）站1865-2015年平均水位變化Fig.3 The time series of mean water level at Hankou(Wuhanguan)station in the middle reaches of Yangtze River during 1865-2015

從圖4可以看出，兩者水位雖然數(shù)值大小有差異，但是變化趨勢相同，相關(guān)系數(shù)達(dá)0.93，說明Jason_2衛(wèi)星測高數(shù)據(jù)解析得到的水位數(shù)據(jù)具有較高的精度。同時可以看出，日降水?dāng)?shù)據(jù)與水位變化時間上密切相關(guān)?；诖?，進(jìn)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過程數(shù)據(jù)（圖5）?？梢钥闯鏊粩?shù)據(jù)受日降水過程影響顯著，有明顯的季節(jié)變化。

圖4 枝城站監(jiān)測水位與衛(wèi)星測高水位的比較Fig.4 Comparison between water level of ground observation and satellite altimetry at Zhicheng hydrological station

圖5 枝城站衛(wèi)星測高的水位過程解析與降水的比較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

小河咀水文站可監(jiān)測沅水、澧水及長江部分來水匯入目平湖后經(jīng)本站注入南洞庭湖的水情。利用小河咀水文站的監(jiān)測水位對Jason_2衛(wèi)星測高水位進(jìn)行精度驗(yàn)證。根據(jù)收集到的實(shí)測水位數(shù)據(jù)，選取2008年7月1日至2009年4月30日作為水位驗(yàn)證時段。同時選取距離小河咀較近的沅江氣象站日降水?dāng)?shù)據(jù)，分析相應(yīng)時段降水與水位變化關(guān)系。

從圖6可以看出，兩者水位數(shù)值大小相近，變化趨勢相同，相關(guān)系數(shù)達(dá)0.96，說明Jason_2衛(wèi)星測高數(shù)據(jù)可用于該區(qū)域水位監(jiān)測。該結(jié)果與李景剛等[8]在該區(qū)域的研究結(jié)果一致。需要說明的是，在該站河段，只利用公式1進(jìn)行了計算，無需如枝城站由于標(biāo)準(zhǔn)不一致導(dǎo)致的高度差校正。同時，可以看出水位數(shù)據(jù)受日降水過程影響顯著，有明顯的季節(jié)變化?；诖?，解析了2010年1月1日至2015年12月31日的水位過程數(shù)據(jù)（圖7）。

圖6 小河咀水文站監(jiān)測水位與衛(wèi)星測高水位的比較Fig.6 Comparison between water level of ground observation and satellite altimetry at Xiaohezui hydrological station

圖7 小河咀水文站衛(wèi)星測高的水位過程解析及與降水的比較Fig.7 The time series of water level from satellite altimetry at Xiaohezui hydrological station and comparison with daily precipitation

4 結(jié)論與討論

通過對漢口（武漢關(guān)）站1865-2015年（缺1945年）共150年水位資料的分析可以看出，年平均水位在統(tǒng)計上無顯著變化，但是月尺度上，年內(nèi)最高和最低月平均水位相差10.23 m。長時間序列上，1月和2月月平均水位線性極顯著增加（通過0.01水平檢驗(yàn)），而8月，9月，10月和11月月平均水位極顯著下降（通過0.01水平檢驗(yàn)），水位下降速率不低于1 cm/a。說明月或者日尺度的水位監(jiān)測在長江中游極為重要，尤其是全球氣候變暖極端降水頻發(fā)背景下，精準(zhǔn)和詳細(xì)的水位監(jiān)測對于水利工程的規(guī)劃、設(shè)計、施工和管理，橋梁、港口、航道、給排水等工程建設(shè)，防汛抗旱中的水文預(yù)報和決策都極為重要。

利用經(jīng)過枝城和洞庭湖小河咀水文站附近河道的Jason_2衛(wèi)星測高數(shù)據(jù)和水文站實(shí)測水位數(shù)據(jù)，分析了Jason_2衛(wèi)星測高數(shù)據(jù)在長江中游水位監(jiān)測中的應(yīng)用。結(jié)果表明，整體上衛(wèi)星測高數(shù)據(jù)與水文站監(jiān)測數(shù)據(jù)趨勢相同，水位值相近，Jason_2衛(wèi)星測高數(shù)據(jù)可用于該區(qū)域水位監(jiān)測。關(guān)于衛(wèi)星測高得到的水位與水文站觀測水位之間的差異，一方面是由于測高儀發(fā)射的脈沖信號經(jīng)過水體表面發(fā)射返回接收機(jī)之前，受到多種因素的影響，如衛(wèi)星軌道誤差，儀器誤差，大氣對微波信號散射折射等，本研究基于前人內(nèi)陸水體研究，僅通過濕對流層、干對流層、電離層對距離延遲進(jìn)行了修正，通過固體潮和極潮進(jìn)行了地球物理修正，以及水準(zhǔn)面修正等，忽略了其他的誤差，如測高儀識別出陸地回波信號是否準(zhǔn)確等。另一方面測高儀軌道與水文測驗(yàn)斷面位置不重合、測量時間點(diǎn)也有差異，且測高儀不同時期同一軌道間距相差可達(dá)1 km，每次經(jīng)過的河道位置有所差異，測高儀為瞬時測量結(jié)果等，這些都會影響到驗(yàn)證的精度。后期還需要綜合考慮這些方面來提高衛(wèi)星測高的水位精度。我國重要的河段都布設(shè)有水文或水位監(jiān)測站點(diǎn)，但是由于資料保密或監(jiān)測缺失等原因，長序列的數(shù)據(jù)獲取較為困難，通過衛(wèi)星監(jiān)測有助于建立較長的水位變化時間序列。尤其是，對于監(jiān)測站點(diǎn)較為稀疏或無資料地區(qū)可以進(jìn)行數(shù)據(jù)加密和補(bǔ)充。