用于东地中海未设观测站的地区海平面记录重建的沿海卫星高度测量技术

《Advances in Space Research》：Coastal Satellite Altimetry for Sea-Level Record Reconstruction in Ungauged Regions of the Eastern Mediterranean

　　•研究表明，利用多任务卫星高度计，可在无观测数据的沿海地区重建在物理上一致的沿海海平面记录。•无需当地潮汐计观测数据，即可重建长期的沿海海平面趋势及季节性变化。•通过结合统计因素、方法学因素以及未解决的垂直地壳运动成分，对趋势的不确定性进行了量化。•所提出的框架为将沿海海平面监测扩展到数据稀少的海岸线提供了一种可移植、针对特定地点的替代方案。

引言
监测海平面变化是了解气候变化的重要指标，对于把握气候变化对沿海灾害、海洋动力以及海上航行所带来的影响至关重要（Chowdhury等人，2023年）。构建能够反映季节性和短期变化的可靠月度海平面时间序列，对于评估长期沿海侵蚀、预测风暴潮以及实施有效的沿海管理具有基础性作用（Clark等人，2002年；Vishwakarma等人，2020年；Benveniste等人，2020年）。

传统上，潮汐计站为海平面监测提供了宝贵的长期数据记录（Woodworth，1999年）。然而，其有限的空间覆盖范围限制了其在偏远海域和数据稀少地区的应用价值。在缺乏历史海平面观测数据的地区，这一局限性尤为突出。相比之下，卫星高度计通过提供近乎全球范围的覆盖且具备较高的空间分辨率，彻底改变了海平面监测的方式。这些观测数据对于构建连续且可靠的海平面变化时间序列至关重要，而这类时间序列对于了解长期趋势和变化规律极为重要。

卫星高度计所获取的瞬时海面高度数据被广泛应用于地球科学领域，包括对海洋环流、海平面趋势以及气候变异性的研究（Fu和Chelton，2001年；Benveniste等人，2020年；Parsons，1980年）。不过，高度计观测数据需要经过仔细的预处理，以消除仪器偏差、大气路径延迟以及地球物理效应的影响。而在沿海地区，由于陆地干扰和波形失真，数据的准确性还会进一步降低。因此，通过与潮汐计观测数据进行对比验证，对于确保沿海海平面记录的可靠性与长期稳定性，以及区分真正的海洋变化与仪器或环境因素带来的误差，仍然十分必要（Cazenave等人，2018年；Adebisi等人，2021年）。

在将基于高度计数据得到的瞬时海面高度用于高精度大地测量应用之前，验证步骤尤为重要。例如，系统性的瞬时海面高度偏差可能会影响到平均海面、海洋重力异常以及垂直偏移分量等参数的估算，进而影响垂直基准面的定义和大地水准面的建模（Andersen等人，2018年）。因此，严格进行沿海地区验证是实现可靠大地测量和海洋学推断的基本质量控制要求。

从方法学角度来看，要实现直接且可行的对比，就需要在两组数据上应用一致的动力学大气校正方法。这样的对比有助于区分那些由仪器漂移、垂直地壳运动或残余环境因素造成的差异。这两种方法之间存在协同作用：潮汐计站为高度计校准提供了必要的真实参考值，而高度计数据则有助于发现潮汐计站的运行问题或局部的地壳运动情况（Oelsmann等人，2021年）。

以往的研究一直强调此类验证的重要性。早期使用Geosat卫星（Wyrtki和Mitchum，1990年；Shum等人，1994年）以及Topex/Poseidon卫星（T/P）（Mitchum，1994年；Ebuchi和Hanawa，1996年；Chambers等人，1998年；Youn等人，2002年；Dong等人，2002年；Burrage等人，2003年）开展的研究显示，不同数据源的准确度和相关性存在差异，这进一步凸显了开展严谨验证程序的必要性。Abdullah和Idris（2018年）利用SARAL/AltiKa数据开展的研究也证实了进行专门沿海地区数据处理的重要性。

除了验证之外，还必须认识到区域平均海平面与全球平均海平面之间存在差异，因为受海洋学和地球物理学因素的影响，局部海平面可能会显著偏离全球平均海平面（Mimura，2013年）。正如Bonaduce等人（2016年）所指出的，将卫星高度计获得的瞬时海面高度数据与基于潮汐计的海平面测量数据相互对比，有助于更好地理解这类区域性的海平面变化。

在没有运行中的潮汐计网络的地区，比如叙利亚海岸线，由于缺乏历史海平面记录，就面临着诸多挑战。这种数据缺失状况会妨碍对未来海平面趋势的精准预测，增加沿海洪灾和侵蚀的风险，同时也限制了对相关环境及社会经济风险的评估。因此，迫切需要为该地区建立经过验证的海平面记录。

监测叙利亚海岸线处的海平面变化具有重大的社会和环境意义，它为沿海灾害评估以及基础设施规划提供了实证依据（Dieng等人，2021年）。然而，由于历史上该地区缺乏运行中的本地潮汐计设备，导致此处存在严重的数据空白。为解决这一问题，本研究以卫星高度计作为主要工具，用于量化长期的海平面变化。为确保在这一历史数据采样不足的地区获得准确的数值，我们采用了基于邻近潮汐计站的区域验证框架。这一方法得到了该海域较强的区域海洋学一致性特征的支持（Bethoux等人，1999年），即周边地区的潮汐计记录可作为一种可靠的参照标准。最终，通过建立这一经过验证的时间序列，为叙利亚海岸的沿海适应措施制定以及海平面预测提供了首个系统的依据。

尽管已经取得了这些进展，但一个根本性的问题仍未得到解决：现有的高度计产品无法在无观测数据的沿海地区直接提供在时间上连贯、以特定地点为中心的海平面记录。诸如Copernicus海洋环境监测服务所提供的网格化产品，虽然通过客观的映射方式实现了空间上的完整性，但这种平滑处理会削弱沿海地区的梯度特征，可能无法准确反映局部沿海地区的变化情况。相反，沿轨道获取的沿海高度计数据虽然保持了更高的空间精度，但其地面采样点沿轨道分布，时间间隔不规则，因此无法在固定的沿海位置直接构建连续的时间序列。由此可见，仅依靠其中任何一种数据类型都无法解决无观测数据沿海地区的重建问题。

此外，虽然已经提出了多种潮汐计与高度计数据配对的方法（例如，选择最接近的轨道点的方法[Mitchum，1994年；Passaro等人，2014年；Nehama等人，2022年]、固定半径平均法[Oelsmann等人，2021年]以及基于插值的方法[Rohmer，2021年；Benveniste等人，2020年]），但这些方法的应用通常都是针对特定案例，并且缺乏在统一框架下的系统性比较。由于缺乏这样的对比基准，很难确定出适用于沿海海平面重建的、具有通用性的方法，尤其是在那些没有现场观测数据的地区。

为解决这些局限性，本研究提出了一种结构化的虚拟站点框架，旨在利用多任务卫星高度计数据，构建在时间上连贯、以特定地点为中心的沿海海平面记录。该方法能够充分考虑空间一致性、数据采样密度以及方法学上的不确定性，从而在无观测数据的沿海地区生成时间上连贯、以特定地点为中心的海平面时间序列。在相同的预处理和验证条件下，对各种数据配对策略进行了全面评估，以此找出最适合用于沿海地区重建的最可靠方法。

东地中海地区的叙利亚海岸线被选作一个典型的没有潮汐计数据的地区，该地区长期缺乏直接的现场海平面观测数据。借助黎凡特海域海平面变化较强的区域一致性特征，本研究以周边地区的潮汐计站作为独立的验证框架。这样一来，不仅可以对各种方法进行对比验证，还能在虚拟站点处重建连续的沿海海平面记录。

虽然标准的网格化高度计产品能够提供有价值的大尺度海平面信息，但其有限的空间分辨率以及沿海地区的平滑处理特性，可能会限制其在无观测数据的沿海地区进行以特定地点为中心的海平面重建方面的应用。因此，本研究旨在探讨基于沿轨道获取的沿海高度计数据的虚拟站点框架，是否能比传统的网格化产品提供更具大地测量学意义、同时能够体现不确定性、且更能保留沿海地区变化特征的重建结果。

综上，本研究的目标在于：（i）评估在缺乏潮汐计数据的地区是否能够实现可靠的沿海海平面重建；（ii）确定用于构建虚拟站点的最通用的数据配对策略；（iii）判断相比传统网格化产品，沿轨道获取的沿海高度计数据是否更能保留沿海地区的变化特征。通过解决无观测数据沿海地区的重建问题，本研究为将沿海海平面监测的范围扩展到现有潮汐计网络无法覆盖的区域，提供了一种可推广的方法论框架。

研究区域与阿尔瓦德岛的科学意义
本研究聚焦于东地中海海域（经度为33°E至36.5°E，纬度为31°N至37°N）。在该区域内，叙利亚和黎巴嫩的沿海地区存在着严重的观测数据空白（见图1）。为了为海平面重建提供参考，我们在叙利亚海岸的阿尔瓦德岛设立了一个虚拟站点。如图1和图5所示，阿尔瓦德岛位于该地区潮汐计站空间覆盖范围的中心位置，且有多条卫星地面轨道经过该岛。

潮汐计站之间的空间关系与距离
了解潮汐计站之间的空间分布情况，对于评估东地中海地区海平面变化的空间一致性至关重要。由于地理位置相近的潮汐计站通常会受到相似的海洋学和大气过程的影响，通过分析这些站点的时空变化特征以及它们之间的空间距离，就能够判断现有观测数据的一致性水平。为支持这项分析，我们整理了研究区域内所有潮汐计站的月度平均海平面时间序列。

方法论
本节介绍了用于对ALES高度计数据以及潮汐计测得的海平面数据进行预处理、协调处理和比较的工作流程。该方法论可分为四个部分：（i）数据获取与预处理；（ii）垂直基准设定与地球物理因素校正；（iii）时空一致性分析以及数据配对策略；（iv）验证指标的确定以及虚拟站点海平面记录的构建。图3给出了该工作流程的示意图。这一工作流程着重强调了……

结果与讨论
通过多阶段的分析框架，我们对沿海地区高度计数据的验证结果以及随后重建的叙利亚海平面记录进行了评估。本节首先对用于选择潮汐计站和高度计观测任务的各项标准进行了时空层面的分析，随后系统地评估了不同的数据配对策略，以确定最适合该地区的重建方法。最后，对这些研究结果进行了对比分析。

总结与结论
推动本研究开展的原因是叙利亚海岸线长期缺乏海平面观测数据，这一数据缺口严重制约了东地中海地区开展可靠的沿海灾害评估和气候监测工作。以叙利亚海岸为例，本研究展示了如何系统地利用卫星高度计技术，在没有本地潮汐计记录的地区重建在物理上一致的沿海海平面时间序列。

为应对这一挑战，……

利益冲突声明
作者声明自己不存在任何可能影响本文研究结果的已知财务利益关系或个人关系。

致谢
作者衷心感谢OpenADB和CMEMS团队提供的卫星高度计数据，这些数据极大地丰富了本研究的内容。同时，我们也要对PSMSL开放提供潮汐计数据的行为表示诚挚的感谢。此外，本研究还获得了叙利亚高等教育与科学研究部通过阿勒颇大学提供的资助。印度理工学院坎普尔分校的国家大地测量中心也给予了我们资金上的支持。

Milaa Zyad Murshan|Balaji Devaraju|Nagarajan Balasubramanian|Onkar Dikshit