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從太空看南海海底地形

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從太空看南海海底地形
  • 作者

    黃金維
  • 簡介

    黃金維,國立陽明交通大學土木工程系講座教授,中研究院地科學所和中央大學水文所合聘教授。研究領域為衛星大地測量、衛星海洋、衛星與地面重力測量。教授課程為測量學、衛星大地測量學和參數估計的理論和方法。

  • 單位

    國立陽明交通大學
  • 文章來源

    Hsiao, Y.S., Hwang, C., Cheng, Y.S., Chen, L.C., Hsu, H.J., Tsai, J.H., Liu, C.L., Wang, C.C., Liu, Y.C., Kao, Y.C., 2016. High-resolution depth and coastline over major atolls of South China Sea from satellite altimetry and imagery. Remote Sensing of Environment, 176, 69–83.

    Hwang, C., Chang, E.T.Y., 2014. Seafloor secrets revealed. science, 346(6205), 32-33.

    Sandwell, D.T., Müller, R.D., Smith, W.H., Garcia, E., Francis, R., 2014. New global marine gravity model from CryoSat-2 and Jason-1 reveals buried tectonic structure. Science, 346(6205), 65-67.

    Yu, D., Hwang, C., Andersen, O.B., Chang, E.T.Y., Gaultier, L., 2021. Gravity recovery from SWOT altimetry using geoid height and geoid gradient. Remote Sensing of Environment, 265, 112650.

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  海洋佔據了地球的四分之三,海底地形影響著海洋環流、海底資源和生物多樣性,亦能藉此了解海底構造的演變。衛星觀測有助於研究團隊了解全球海底地形,南海是衛星海底測繪的活躍區,是一個半封閉海域,擁有複雜的地質構造。測高衛星觀測到的海面高可以用來反演海洋重力異常和海深。垂直重力梯度是重力異常在垂直方向上的導數,比重力異常對短波長的海底特徵更加敏感。現有的測高衛星只能觀測到星下點軌跡上的海面高,無法獲得連貫的二維海底地形。但未來的SWOT任務將解決這一問題,SWOT搭載的合成孔徑雷達測高儀可以沿著地面軌跡觀測120公里觀測刈幅上的海面高。藉助先進的SWOT測高任務,研究團隊可以從太空發現南海更多的構造特徵。


  海洋佔據了地球的四分之三。海底是什麼樣的呢?你可能認為海底和海灘一樣多沙且平坦,但實際上,海底與陸地表面一樣,擁有海山、高原、盆地和山谷等諸多地貌特徵。海底地形影響海洋環流、海底資源和生物多樣性,並可以解釋海底構造的演變。由於衛星發射的電磁波無法穿透海水,因此無法直接從太空觀測海底特徵。人們利用船載回聲探測儀探測海底地形,但這種方法成本高且速度慢,且世界80%以上的海底尚未被探測,衛星觀測可以彌補船載海深測量的不足。南海是一個半封閉海域,擁有複雜的地質構造,是衛星海底測繪的活躍區,本文將利用衛星測高技術展示南海海底特徵。

圖一:SWOT測高任務觀測原理(Yu et al., 2021)。海山產生的引力將周圍的海水吸向其本身,造成大地起伏產升高幾公分。現有的測高衛星只能觀測到星下點軌跡上的海面高,而將來的SWOT任務將可以沿著地面軌跡觀測120公里觀測刈幅上的海面高。
圖一:SWOT測高任務觀測原理(Yu et al., 2021)。海山產生的引力將周圍的海水吸向其本身,造成大地起伏產升高幾公分。現有的測高衛星只能觀測到星下點軌跡上的海面高,而將來的SWOT任務將可以沿著地面軌跡觀測120公里觀測刈幅上的海面高。

 

  雷達測高儀通過發射微波來測量衛星到海面之間的距離,衛星的軌道高度已知,減去觀測距離便可得到海面高(SSH),如圖一所示。觀測到的海面高含有許多誤差,高精度的海面高取決於精密的衛星軌道(公分級)、高性能的測高儀、良好的電離層和對流層校正以及高質量的潮汐模型。海面高扣除由海洋環流和氣壓變化引起的海洋動態地形效應,可以獲得大地起伏,大地起伏大致與平均海水面平行,可以用來反演海洋重力異常和海深。Hwang和Chang(2014),Hsiao等人(2016)以及Yu等人(2021)利用許多方法由大地起伏反演海洋重力和海深。圖二(a)展示了最新的南海重力,揭示了大陸-海洋邊界(COB),隱伏斷層以及絕跡擴張脊。垂直重力梯度(VGG)是重力異常在垂直方向上的導數,比重力異常對短波長的海底特徵更加敏感。Sandwell等人(2014)首先利用垂直重力梯度發現了墨西哥灣的絕跡擴張脊、斷裂帶和大陸-海洋邊界,如圖三所示。

圖二:(a)南海重力異常,(b)南海海深(https://topex.ucsd.edu/index.html)。圖(a)顯示了大陸-海洋邊界(COB),隱伏斷層以及絕跡擴張脊。
圖二:(a)南海重力異常,(b)南海海深(https://topex.ucsd.edu/index.html)。圖(a)顯示了大陸-海洋邊界(COB),隱伏斷層以及絕跡擴張脊。

 

  圖一顯示如何利用海面高觀測值來反演南海海底地形。相對於平坦的海底,海山產生額外的引力將周圍的海水吸向其本身,造成海洋等位面升高幾公分,這使得大地起伏局部升高、等位面傾斜,最終造成重力異常的變化。利用海底地形與海洋重力的數學關係,可以從重力反演海深,圖二(b)展示了利用這種方法反演得到的南海海深。

圖三:墨西哥灣垂直重力梯度(Sandwell et al., 2014)。該圖揭示了絕跡擴張脊(extinct ridge),斷裂帶以及大陸-海洋邊界(COB)。
圖三:墨西哥灣垂直重力梯度(Sandwell et al., 2014)。該圖揭示了絕跡擴張脊(extinct ridge),斷裂帶以及大陸-海洋邊界(COB)。

 

  海底地形的精度與解析度取決於測高觀測值的精度和解析度。現有的測高衛星只能觀測到星下點軌跡上的海面高,無法獲得連貫的二維海底地形,但預計於2022年11月發射的SWOT任務(https://swot.jpl.nasa.gov/)將解決這一問題。與現有的底點觀測雷達測高儀不同,SWOT搭載的合成孔徑雷達測高儀可以沿著地面軌跡觀測120公里觀測刈幅上的海面高,如一所示。由臺灣國立陽明交通大學和國立臺灣大學的師生組成的團隊將與NASA/JPL和法國的CNES合作,在SWOT任務驗證階段(衛星發射後約3-6個月)來校準SWOT觀測值。

  藉助先進的SWOT測高任務,研究團隊可以從太空發現南海更多的構造特徵,但也面臨著許多技術挑戰,例如,如何消除觀測值中的系統誤差和隨機誤差,以及由如何快速、準確地由SWOT觀測值反演海深。SWOT的國際團隊成員正在應對這些技術挑戰,以便更好地了解全球海底特徵。

 

 延伸閱讀-科技部(科技大觀園) 

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