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《武汉大学》 2011年
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利用ICESat和GRACE卫星观测数据确定极地冰盖变化

黄海兰  
【摘要】:全球气候变化是大气和海洋科学以及固体地球物理学等的交叉研究领域。评价地球如何随着全球变暖而变化,一个有效可行的方法是研究极地冰盖的变化以及冰盖与海洋和大气之间的相互作用。冰盖消融是影响全球气候变化的重要因素,研究表明冰盖的演化对全球海平面变化有较大的影响,这种影响目前表现为平均海面上升,正在威胁人口集中的沿海陆地和南太平洋某些岛国的生存环境。尽管较大范围的融化不会马上来临,但是冰盖的持续变化影响着全球气候变化的进程和全球的温室效应。冰盖和海洋之间的年质量交换大约相当于全球海平面高度的8mm的海水质量,因此即使是小的质量交换比率的变化也是很重要的。1992年IPCC(政府间气候变化专门委员会)关于气候变化的科学评估增刊中谈到,关于海平面高在认识上最大的不确定性,在于未能充分理解反映气候变化,同时也影响海面高预测的极地冰盖。美国国家科学院(1990)也指出,格陵兰岛和南极冰盖质量平衡中的变化是我们了解全球气候变化和海平面升高的关键,也是海平面高预测量化和精化的关键。由于冰盖质量平衡的不确定性直接影响全球海面变化率的不确定性,因此,极地冰盖的量化监测和评估非常重要。研究冰盖对于气候变化的响应需要高精度的观测数据集和均衡的冰面覆盖。 ICESat激光测高卫星是NASA对地观测系统的一部分,ICESat卫星上的地学激光测高系统可以年际和长时间尺度监测极地冰盖高程变化,量化极地冰盖质量变化和质量平衡的改变。本论文主要研究内容为利用ICESat激光测高卫星观测数据联合GRACE卫星重力数据研究年际和长周期的极地冰盖变化,探讨极地冰盖总量平衡和对海平面变化的贡献;获取预测冰盖总量和海平面变化所需的关键数据;研究质量平衡改变的原因以及它们对全球海平面和全球气候变化的影响。 本文的主要研究内容和成果包括: (1)从全球气候变化、海平面上升及冰盖冰川消融三者的关系出发,综述了冰盖冰川的消融现状及南极洲和格陵兰岛冰盖的质量平衡进程,阐述了监测冰盖表面高程及质量变化的相关技术和方法; (2)总结和评述了ICESat激光测高技术的应用及ICESat卫星的在轨性能,分析了激光测高监测冰盖表面高程变化的优势,对ICESat上搭载的唯一有效载荷即地学激光测高系统(GLAS)的波形和测高精度进行了分析;分析了激光测的误差来源,及相关地球物理改正; (3)详细描述了GRACE数据产品构成,总结并研究了利用GRACE时变重力场反演地球表面质量变化的基本理论; (4)研究并实施了ICESat卫星激光测高数据预处理,给出了交叉点计算方法,获得了“净化”的可靠数据集; (5)较系统地研究了三种数据内插方法,包括Shepard方法和连续曲率张力样条法及Kriging方法,利用实测数据,通过对三种内插方法的多项实例分析比较,提出确认连续曲率张力样条方法更适合于极地冰盖数据的内插; (6)利用交叉点计算得到的高程差与时间差的导数计算平均高程变化率,分析了冰盖变化趋势,探讨了影响冰盖高程变化的因素; (7)利用GRACE卫星观测数据反演了南极洲和格陵兰岛冰盖的质量变化,分析了冰盖质量变化的时间特征及其与气候变化的关系; (8)对比分析了ICESat数据与GRACE数据所得极地冰盖变化结果,揭示了极地冰盖质量平衡与全球海平面变化之间的相关性。 综上所述,本文的主要研究成果包括:ICESat激光测高数据的预处理技术;数字地面高程模型的高精度插值方法;基于ICESat测高数据建立了极地高精度高分辨率冰面数字高程模型;基于交叉点算法获取了极地冰盖高程变化时间序列;利用GRACE时变重力位模型反演了极地冰盖质量变化;对比分析ICESat与GRACE数据所得极地冰盖变化结果;揭示了极地冰盖质量平衡与全球海平面变化之间的相关性;研制了可联合卫星重力数据和激光测高数据推求极地冰盖变化与水质量变化的多功能软件系统。
【学位授予单位】:武汉大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2011
【分类号】:P412.3

【引证文献】
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