*
第 34 卷第4 期
2 0 1 4 年 8 月
大 地 测 量 与 地 球 动 力 学
JOU ＲNAL OF GEODESY AND GEODYNAMICS
V o l 〃 34 N o 〃 4 Au g 〃 ，2014
文章编号: 1671-5942( 2014) 04-0056-04
由 TOPEX / Poidon 和验潮站监测香港海平面变化
胡志博1，2) 郭金运1，2) 谭争光1，2) 常晓涛3)
⎛ 1) 山东科技大学测绘科学与工程学院，青岛 266590 ⎫ 2) 海岛( 礁) 测绘技术国家测绘地理信息局重点实验室，青岛 266590 ⎪
⎝ 3) 国家测绘地理信息局卫星测绘应用中心，北京 ⎪ 101300 ⎭
摘 要 利用 TOPEX / P o id o n 卫星测高资料和验潮站资料计算了 1994 ～ 2000 年香港邻近海域的年均和季均海
平面变化。结果表明，两种数据得到的海平面变化过程具有很好的同步性，但由 T / P 卫星测高资料得到的绝对海 平面上升速率为 7〃 73 mm / a ，比由验潮站数据得到的 12〃 18 mm / a 相对海平面上升速率低 4〃 45 mm / a 。对比同时期 香港验潮站处的陆地沉陷速率表明，卫星测高数据与验潮站数据推出的验潮站陆地垂直运动速率，可以用来验证 和估算验潮站处的地面升降运动。
关键词 TOPEX / Poidon; 验潮站; 海平面变化; 地面升降; 香港 中图分类号: P227
文献标识码: A
SEA LEVEL VA ＲIATION IN HONG KONG DETE ＲMINED WITH TOPEX / POSEIDON AND TIDE GAUGE
Hu Z hibo
1，2)
，G u o Jinyun
1，2)
，T a n Z hengguang
1，2)
and Chang Xiaotao
3)
⎛ 1) College of Geomatics ，Shandong University of Science and Technology ，Qingdao
中国现役航母266590 ⎫
2) Key L aboratory of S urveyi ng a nd Mappi ng T echnology on Island a nd Ｒeef o f NGSMG ，Qingdao 266590 ⎪
⎝ 3) Satellite S urv eying and Mapping A pplication C enter of NASMG ，Beijing ⎪ 101300
⎭
A b s t r a c t T OPEX / Poidon ( T / P ) altimeter data and tide gauge data f r om 1994 t o 2000 w ere ud f or a nal y -
z ing the annual and quarter a level variation on the coast of Hong K ong 〃 T he results s how that process of a l ev- el variation obtained w ith T OPEX / Poidon ( T / P ) altimeter and tide gauge data are synchronous 〃 T he relative rising rate of a level f r om the tide gauge is 12〃 18mm / yr ，and the rising rate of absolute a level obtained f r om T / P is 7〃 73mm / yr ，w hich is 4〃 45mm / yr less than the f ormer 〃 T hat means that it is possible t o speculate the ground s ub- sidence in Hong K ong by using the satellite altimeter data and tide gauge data 〃
Key words: TOPEX / P oidon; tide gauge; a-level change; ground subsidence; Hong Kong
海平面变化直接关系到生存环境的变化，特别 是在人口稠密的地区，如香港及其沿岸地区［1］
。利
用长期验潮站的观测数据研究海平面的变化具有精 度高、时间跨度大等优点，但由于受验潮站所处陆地
很皮的游戏名字
* 收稿日期: 2013-08-21
基金项目: 国家自然科学基金项目( 41374009) ; 国家 973 计划项目( 2013CB733302) ; 山东省自然科学基金项目( Z Ｒ2013D M009) ; 公益性 行
业科研专项( 201412001) 。
作者简介: 胡志博，男，1989 年生，硕士研究生，主要从事卫星测高研究。E － mail : huzhibo1232008@ 163〃 c o m 。
通讯作者: 郭金运，博士，教授，博士生导师，主要从事空间大地测量、海洋大地测量和物理大地测量等研究。E － mail : jinyunguo1 @ 126〃c o m 。
第4 期胡志博等: 由TOPEX /P oidon 和验潮站监测香港海平面变化57
垂直升降运动的影响，得到的是相对验潮站零点处
的海平面变化，其中包含了绝对海平面变化和陆地
垂直升降两部分信息［2］，不能用来直接表示海平面
的绝对变化。传统方法获得验潮站处陆地垂直升降
情况一般采用GPS 定位技术或者水准测量方式，但由
于在验潮站处很少有长时间连续的GPS 观测或水准
测量资料，因此使用这两种方法受到很大的限制［3 －
6］。TOPEX / Poidon( T / P) 测高卫星利用星载雷达测
高计对海面进行测量，测量数据严格建立在地心坐
标基础上，得到的是海平面的绝对变化［7］。理论上来讲，由卫星测高得到的某点海平面绝对变化速率
等于由验潮站得到的海平面相对变化速率与该点地面绝对变化速率的代数和［8］。但由于卫星测高得到的海平面绝对变化速率受到各种因素的影响，因而根据两者差值计算验潮站所处地面垂直变化速率值会存
在一定的误差。随着卫星测高技术的成熟和数据的
不断积累，更精确地分离验潮资料中陆地垂直升降
部分信息成为可能［9 －10］。Shum 等［11］利用验潮站与
T / P 测高数据对大湖地区的地面升降进行估计，Kuo 等［9］也用这种方法来估算验潮站所在地的地面垂直升降情况。本文利用1994 ～2000 年同时段的验潮站资料和T / P 卫星测高资料对香港地区海平面变化进行对比分析，探讨该验潮站所在地的地面升降
情况，并对两种方法得到的香港地区海平面变化进
行对比。
1 数据处理
1〃1卫星测高数据处理
采用的T /P卫星测高数据为C 版本的综合地球物理数据记录( M GDＲ，merged geophysical data r e- cords) ，资料时间范围从第48个重复周期( 1994- 01) 开始，到第305个重复周期( 2000-12) 为止，空间范围选择经过香港验潮站附近的第153 弧段。T / P 卫星弧段153 的地面轨迹和香港验潮站的位置如图1 所示。
首先根据用户手册对数据进行相应的编辑和筛选，同时对数据进行地球物理改正，包括对流层干分量改正、对流层湿分量改正、电离层改正、逆气压改正、海况偏差改正、海潮及海洋负荷潮改正、固体潮改正以及极潮改正［7］。其改正模型见表1。
然后对数据进行共线处理，得到每个周期的沿轨海面高，再选取T / P 用户手册推荐的OSUMSS95 平均海平面模型为参考面［7］，得到参考点处相对于参考面的海平面变化［12 －14］。由于T / P 测高数据参考点的位置与验潮站并不完全重合，因此，以验潮站为中心，以0 〃5 °为半径进行搜索，将搜索到的卫星
图1 弧段153 轨迹和香港验潮站位置示意图
Fi g〃 1 The track of pass153 and p o siti o n of H o n g k o n g tide stati o n
表1 T / P卫星测高数据处理改正模型
Tab〃 1 S at elli t e a l t i m e t r y data p r ocessi n g co rr ec t io n m o d el 改正项模型
对流层干分量ECMWF
对流层湿分量TMＲ
电离层DOＲIS
逆气压ECMWF
海况偏差BM4
海潮及海洋负荷潮C SＲ3〃 0
固体潮Cartwright ＆ Taylor
极潮Wahr
测高数据求取算数平均数，得到T / P 卫星在验潮站处的海平面变化时间序列。由于T / P 卫星的重复轨迹约为10 d，因此得到的海平面变化时间序列的采样间隔也约为10 d。从1 月开始，每3 个月数据( 约9 个点) 求取算数平均，得到香港海域每年四个季度的季均海平面变化时间序列，对缺失数据采用线性内插方式得到。同理，对每年的数据求取算数平均得到年均海平面变化的时间序列。
1〃2验潮站数据处理
采用的香港验潮站水位数据由美国夏威夷大学水位数据中心下载得到( http: // ilikai〃soest〃hawaii〃e
du/index〃html) ，数据采样间隔为1h，时间跨度同样选取1994-01～2000-12。平均海平面选择由该数据计算得到的1992～2010年19a平均海平面，从而得到一个相对此平均海平面的海平面变化时间序列。与T /P数据处理过程类似，求得香港验潮站处的季均和年均海平面变化时间序列。
2 数值结果与分析
2〃1年均海平面变化对比
经处理，分别得到由T / P 资料和验潮站资料1994 ～2000 年共7 a 的年均海平面变化的时间序列，并利用线性回归方法对两个序列进行拟合，得到两种海平面变化趋势，如图2 所示。
58 大地测量与地球动力学34 卷
图2 卫星测高和香港验潮站海平面上升趋势对比
Fi g〃 2 The c o mparis o n o f a sur f ace risin g trend w ith sat- ellite a ltimetr y and w ith tide g au g e stati o n
从图2可以看出，由2种数据确定的海平面变化在研究时段内的变化基本一致，均呈上升趋势。利用线性回归方法求得的T /P和验潮站年均海平面上升速率分别为7〃73mm/a和12〃18mm/a，利用验潮站资料得到的海平面上升速率比利用T /P资料得到的海平面上升速率高4〃45m m/a。从理论上讲，其差值应该代表香港验潮站处的地面以4〃45 mm/a的速率在下沉。但实际上，其差值包含2种信息，一是各种随机因素对结果造成的影响，例如卫星测高资料与验潮站资料本身的精度影响以及卫星测高数据点与验潮站位置的偏差等，另一种是地面沉降的信息。为验证哪种影响对差值的贡献最大，利用1985～1999年香港验潮站的连续水准测量数据，计算得到1985～1999年香港验潮站所在地点存在4〃2mm/a的垂直沉降速率［15］。这在一定程度上证明，如果能够扣除或者减小各随机误差项的影响，利用卫星测高资料与验潮站资料对比研究验潮站处的地面升降具有可行性。
2〃2季均海平面变化对比
由季均海平面时间序列，得到香港海域1994 年第一季度至2000 年第四季度的海面高季度变化时间序列，如图3 所示。可以看出，在香港海域两种资料得到的季均海平面变化趋势基本一致，表现为在每
年第一、第二季度海平面呈下降趋势，第三、第四季度呈上升趋势。
对由验潮站资料得到的季均海平面来说，1995～2000年，第一季度海平面均呈下降趋势，分别比前一季度下降14〃6、15〃8、11〃9、9〃5、17〃4和19cm。1994～2000年，除1996年第二季度有0〃4cm的上升以外均呈下降趋势，分别下降4〃4、0〃3、6〃5、1〃9、2〃4和11〃4c m。1994～2000年第三季度海平面均呈上升趋势，分别比前一季度上升了10〃9、3、3〃9、
图3 香港海平面季度变化图
Fi g〃 3 S e as o n v ariati o n of a le v el in H o n g K o n g
10〃3、3〃7、5〃2和10〃9cm。第四季度除在1997年
有1〃3c m下降外，其他年份在第四季度呈上升趋
势，分别上升5〃5、15〃8、13、24〃4、17〃5和12〃2c m。
肺动脉压
对由T /P资料得到的季均海平面来说，与由验潮站
资料得到的季均海平面变化趋势基本一致，但海平
面变化的幅度有所不同。1995～2000年第一季度
下降量分别为9〃8、33、35〃1、18、39〃4和11〃1 cm。
第二季度在1996年和1997年两年中分别上升
了12〃8和18〃5cm，在其余年份下降了13〃6、6〃8、
8〃5、14〃4和44〃5cm。第三季度除1997年下降
11.1c m外，其余各年分别上升11.2、4〃5、5〃9、2〃8、31〃5和34cm。1994～1999年第四季度海平面上
升量分别为0〃2、20〃5、25〃5、17〃2、41和23〃5cm，2000年第四季度下降了14cm。由图3可以看出，
两种资料得到的季均海平面变化，在1997年第二、三、四等季度以及2000年第四季度呈相反的变化趋势，造成这一现象的具体原因仍需进一步研究，可能与厄
尔尼诺事件有关。
3 结语
利用T /P卫星测高资料和验潮站资料分别建
立香港海域海平面变化时间序列，结果显示，两种方
法得到的海平面变化具有相当好的一致性，由两种
每当我想起数据解算得到的香港邻近海域海平面上升速率分别
为7〃73mm/a和12〃18mm/a。通过对两种季均海
平面变化的对比发现，香港邻近海域的季均海平面
变化趋势基本一致，表现为第一、第二季度海平面呈
下降趋势，第三、第四季度呈上升趋势。对于1997
年两种海平面变化趋势不一致的原因，仍需进一步
研究。
由卫星测高数据与验潮站数据得到的香港邻近
海域海平面上升速率推测，香港验潮站所处的地面
存在4〃45mm/a的沉降。与由水准测量得到的地
面沉降速率对比表明，此方法可以用来检验与估算
第4 期胡志博等: 由TOPEX /P oidon 和验潮站监测香港海平面变化59
验潮站所在地点的地面升降运动。
参考文献
1 Fen g G，Jin S，Zhan g T〃 C o astal a le v el chan g es in Eur o pe
f r o m GP S，tide
g au g e，sa tellite altimetr y and GＲACE，1993 －
2011［J］〃 Ad v ances in S pace Ｒearch，2013，51 ( 6): 1 019 － 1 028〃折扇简笔画
2 钟广法〃海平面变化的原因及结果［J］〃地球科学进展，
2003，18 ( 5 ): 706 － 712〃( Zh o n g Guan gf a〃 Caus and
e f
f ects of a-le v el chan
g e［J］〃 Ad v ance in Eart
h S cience s，
2003，18( 5): 706 － 712)
3 胡建国〃利用高精度GP S定位技术建立我国陆海垂直运
动监测网［J］〃测绘学报，1999，28 ( 4 ): 285 － 289〃( Hu Jian g u o〃 U hi g h precisi o n GP S technique t o establish the m o nit o rin g net wo rk fo r v ertical c o ntinent-o cean m ov ement in o ur c o untr y［J］〃 Acta Ge o daetica et Cart og raphica S inica，1999，28( 4): 285 － 289)
4 焦文海〃联合GP S基准站和验潮站数据确定海平面绝对
变化［J］〃武汉大学学报：信息科学版，2004，29 ( 10): 901
– 904〃( Jia o Wenhai〃 Determinati o n of the abs o lute rate of a le v el b y usin g GP S re f erence stati o n and tide g au g e data ［J］〃 Ge o matic s and In fo rmati o n S cience of Wuhan Uni v ersi- t y，2004，29( 10): 901 － 904)
5 刘根友〃 GP S监测中国沿海验潮站垂直运动观测研究
［J］〃武汉大学学报：信息科学版，2005，30 ( 12): 1 044 －
1 047〃( Liu Gen yo u〃S tud y o n hei g ht chan g e s of Chine tide
g au g es b y GP S［J］〃 Ge o matics and In fo rmati o n S cienc e of
Wuhan Uni v ersit y，2005，30( 12): 1 044 － 1 047)
6Baker T F〃 Abs o lute a le v el measurements，climate chan g e and v ertical crustal m ov ements ［J］〃 Gl o bal and Planetar y Chan g e，1993，8( 3): 149 － 159〃
7AVI S O〃 AVI S O Ur Handb oo k fo r M er g ed TOPEX / P O S EI- DON Pr o duct，AVI-NT-02-101，Editi o n 3〃 0［Z］〃 T o ul o u: CNE S，1996〃
8 谢志仁〃海面变化与环境变迁：海面-地面系统与海-气-冰
系统初探［M］〃贵阳：贵州科学技术出版社，1992〃( Xie Zhiren〃S ea sur f ace chan g e and en v ir o nment v ariance: the ba arch of a sur f ace-land s y stem and a-g as-ice s y s- tem ［M］〃 Gui y an g: Gui z h o u S cience ＆ Techn o l ogy Publish- in g H o u，1992)
翘臀美眉9 Ku o C Y〃 Vertical crustal m o ti o n determined b y satellite al-
timetr y and tide g au g e data in Fenn o scandia［J］〃 Ge o ph y sical Ｒearch Letters，2004，31( 1): L01608〃
10 崔树红〃利用T / P 海面高度数据校验验潮站地面升降的
初步研究［J］〃地球科学进展，2005，20 ( 6 ):643 －648〃( Cui S huh o n g〃 The primar y rearches that T / P a hei g ht data is u d fo r re v id g r o und ri o r f all at the tid e
g au g e stati o n［J］〃 Ad v ances in Earth S cience，2005，20( 6):
643 －648)
11 S hum C，Ku o C Y，M itr ov ica J〃 Glacial is o-static adjustment
in the Great Lake s re g i o n in f erred b y tide g au g e s and satel- lite altimetr y［C］〃S prin g er AGU M eetin g，Washin g t o n，2002〃
12 郭金运〃卫星雷达测高波形重定及应用［M］〃北京：测绘
出版社，2013〃( Gu o Jin y un〃 Wa v e fo rm retrackin g of satel- lite radar altimeter and applicati o ns［M］〃 Beijin g:S ur v e y in g and M appin g Pre ss，2013)
13 翟国君〃卫星测高数据处理的理论与方法［M］〃北京：测设计大学
绘出版社，2000〃( Zha i Gu o jun〃 The o r y and meth o d of sat- ellite altimeter data pr o cessin g［M］〃Beijin g:S ur v e y in g and M appin g Pre ss，2000)
14 郭金运〃 TOPEX / P o id o n 卫星监测博斯腾湖水位变化
及其与NINO3 SS T 的相关性分析［J］〃测绘学报，2010，39( 3): 221 － 226〃( Gu o Jin y un〃 Water le v el v ariati o n of
六碗茶B o sten Lake m o nit o red w ith TOPEX / P o id o n and its c o rre-
lati o n w ith NINO3 SS T［J］〃 Acta Ge o daetica et Cart og raphi- ca S inica，2010，39( 3): 221 － 226)
15 Din g X L〃S ea le v el chan g e in H o n g K o n g f r o m tide g au g e
rec o rds［J］〃J o urnal of Ge o spatial En g ineerin g，2002，4( 1):
41 － 49〃
