1994—2014年南極沿岸驗潮站海平面絕對變化確定與分析

柯灝， 李斐， 張勝凱*， 馬超， 王愛學

1 武漢大學中國南極測繪研究中心， 武漢 430079 2 武漢大學測繪學院， 武漢 430079

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1994—2014年南極沿岸驗潮站海平面絕對變化確定與分析

柯灝1， 李斐1， 張勝凱1*， 馬超1， 王愛學2

1 武漢大學中國南極測繪研究中心， 武漢 430079 2 武漢大學測繪學院， 武漢 430079

鑒于衛(wèi)星測高技術(shù)在南極周邊海域會受到海面浮冰影響，且在利用測高序列分析海平面周期性動態(tài)變化時還會受到潮汐周期混疊效應(yīng)的影響，為此，本文開展了基于GPS和驗潮數(shù)據(jù)聯(lián)合的南極大陸附近海域從1994—2014年間海平面的絕對變化研究.研究結(jié)果顯示：在圍繞南極大陸及附近海域的15個驗潮站中，海平面絕對變化速度最大的是Diego Ramirez驗潮站，達到11.10±0.04 mm·a-1；在西南極南極半島的德雷克海峽，海平面變化最為活躍，變化均值在8.31±0.05 mm·a-1；在東南極，從Syowa站依次到Casey站，海平面的絕對變化速度相對平穩(wěn)，四個潮位站海平面變化均值為3.35±0.04 mm·a-1；在羅斯冰架右下側(cè)的羅斯島附近，由于冰川崩解入海導致Scott Base站處的海平面上升速度較快，達到了9.61±0.07 mm·a-1.綜合15個驗潮站計算結(jié)果可得南極半島德雷克海峽和羅斯島附近海域，海平面絕對變化速度要高于同期南大洋海平面絕對變化速度，而東南極4個潮位站海平面絕對變化均值則與其相當.這也進一步反映了南極不同海域間海平面變化的差異性，相比較于對南大洋海平面變化的一個整體研究，分區(qū)研究海平面變化更具針對性，能更好地了解南極不同區(qū)域冰蓋、冰架崩解和消融的情況.

南極海平面； GPS； 驗潮； 絕對變化； 1994—2014

1 引言

南極海平面變化對南極的冰蓋物質(zhì)平衡及全球氣候變化研究具有重要科學意義(Wen，2000).目前，利用衛(wèi)星測高技術(shù)計算的從1993年至今全球海平面的上升速率大約是3.27 mm·a-1(IPCC，2007)，而南極大陸融入海洋的陸地冰對全球海平面上升的貢獻量大約占到50%(Allison et al.，2015).南安普頓大學Rye(2014)發(fā)現(xiàn)從1992年到2011年，在南極大陸沿岸海域由于南極冰川消融導致海平面上升速率要比50°S以上的無冰覆蓋區(qū)域的南大洋的平均海平面上升速率至少快2±0.8 mm·a-1，由此說明南極大陸周邊海域的海平面變化更加活躍.因此，研究了解圍繞南極大陸周邊海域的海平面實時變化情況對南極冰蓋消融、冰川崩解入海以及冰蓋物質(zhì)平衡等研究更具指導意義.

由于海冰覆蓋的影響，對南大洋海域利用衛(wèi)星測高技術(shù)監(jiān)測海平面的動態(tài)變化時，海平面的測高精度也會受到影響，尤其在南極的冬季其影響更甚(Liu et al.，2004).另外，海平面的衛(wèi)星測高序列觀測時間間隔較長，因此在分析海平面周期性的動態(tài)變化時可能需考慮潮汐頻率混疊效應(yīng)問題(暴景陽和許軍，2013)，該問題目前只能通過采用某種方法進行削弱.而利用驗潮站潮位觀測數(shù)據(jù)分析海平面變化則不存在這一問題，同時這種傳統(tǒng)的潮汐觀測方法在觀測精度上較衛(wèi)星測高更有優(yōu)勢，且驗潮站的位置一般分布在南極大陸近海的沿岸海域，因此對南極冰川消融以及冰川崩解入海等活動引起的局域海平面變化更加“敏感”.隨著GPS空間定位技術(shù)的日益完善以及南極大陸及周邊地區(qū)GPS長期跟蹤站數(shù)量的增多，通過GPS靜態(tài)觀測以及長基線解算技術(shù)分析南極地殼板塊運動，獲取高精度的速度場已成為可能(Bouin and Vigny, 2000；Dietrich, 2001； Bingley, 2001； Mazzotti, 2007； Jiang et al., 2009； Bouin, 2010).同時，圍繞在南極大陸周邊海域的長期驗潮站也已積累了多年的潮位觀測數(shù)據(jù)，為海平面的相對變化分析提供了可靠的數(shù)據(jù)源.

綜上，本文將聯(lián)合GPS和驗潮手段，計算分析從1994年至2014年間，整個南極大陸周邊海域海平面的絕對變化情況，為南極冰川崩解消融及冰蓋物質(zhì)平衡研究提供數(shù)據(jù)支撐.

2 數(shù)據(jù)處理分析

2.1 南極驗潮站海平面相對變化計算

2.1.1 潮位數(shù)據(jù)來源

驗潮數(shù)據(jù)的收集來自英國Proudman海洋實驗室的Permanent Service for Mean Sea Level(PSMSL)以及美國夏威夷大學的Sea Level Center.目前在南極洲沿岸及周邊附近海域共計采集了15個長期驗潮站的潮位觀測數(shù)據(jù)，各驗潮站空間分布如圖1所示.其中驗潮站Port Stanley和Stanley II在空間地理位置上較接近，因此在圖中標注站名時加以括號以示區(qū)分.同樣類似的還有Base Prat和Puerto Soberania，F(xiàn)araday和Argentine Islands.

圖1 南極海域驗潮站分布示意圖Fig.1 The spatial distribution of tidal gauges arounding the Antarctica

2.1.2 潮位數(shù)據(jù)處理與分析

(1)

(1)式中，MSL為平均海平面，Δζ為海平面相對變化速度，第三部分為周期變化部分，其中，n為長周期分潮個數(shù)，A為周期變化的振幅，σ為周期變化的角速度，t為時間變量，φ為周期變化的初相位.式中，各周期變化的角速度為已知值，通過采用最小二乘原理可計算出海平面相對變化量Δζ.

如表1列出了各驗潮站海平面相對變化速度.

在表1中，海平面相對變化速度最大的是智利的Diego Ramirez站，達到12.19 mm·a-1，而與其相鄰的Ushuaia II站海平面相對變化速度則是-2.16 mm·a-1，兩站海平面相對變化截然相反，這也說明該區(qū)域海平面變化較劇烈.而海平面相對變化速度最小的是Faraday站，相對變化速度為0.

在上述15個驗潮站中，有三組共6個驗潮站地理位置十分接近，其中Port Stanley和Stanley II，F(xiàn)araday和Argentine Islands由于各自潮汐數(shù)據(jù)來源不同，觀測時間跨度不同，導致最后計算所得的海平面相對變化速度存在差異，但差異較小，基本在1.4 mm·a-1內(nèi).而Base Prat和Puerto Soberania盡管數(shù)據(jù)來源也不同，但其觀測時段一致，因此兩站的海平面相對變化速度也基本一致，差異在0.1 mm·a-1之內(nèi).

表1 驗潮站數(shù)據(jù)列表及相對海平面變化速度Table 1 The relative sea level changes of tidal gauges surrounding the Antarctica

2.2 南極大陸板塊垂向速度場計算

2.2.1 GPS數(shù)據(jù)來源

POLENET(The Polar Earth Observing Network)是致力于極地觀測的全球網(wǎng)系統(tǒng)，主要采集極地區(qū)域的GPS和地震觀測數(shù)據(jù)，為極地冰川活動、冰川消融對海平面的貢獻等研究提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù).IGS(International GPS Service for Geodynamics)組織于1994年開始正式運行，在全球各個板塊都設(shè)立有永久性的GPS跟蹤站，為地殼板塊運動等地球物理學相關(guān)研究提供了寶貴的數(shù)據(jù)資源(Schone, 2009).目前在南極大陸及周邊地區(qū)同樣布設(shè)有若干IGS觀測站，并且在某些觀測站上已經(jīng)積累了長達20余年的觀測數(shù)據(jù).上述這些都為南極地殼的板塊運動研究提供了有力的數(shù)據(jù)支持.

本文在南極海域海平面絕對變化研究中用以監(jiān)測南極板塊垂向運動速度的GPS觀測站的采集主要來自于POLENET和IGS組織，其中IGS站點20個，POLENET站點32個.此外本文還收集了一些其他服務(wù)組織的GPS連續(xù)跟蹤站的觀測數(shù)據(jù)，共計14個站點.如Antarctica Erebus、BAS以及武漢大學中國南極測繪研究中心CACSM在中山站布設(shè)的GPS連續(xù)跟蹤站的觀測數(shù)據(jù).上述這些GPS觀測站的數(shù)據(jù)跨度為1996—2014年，最長達19年，其空間分布如圖2所示.

圖2 GPS連續(xù)跟蹤站空間分布Fig.2 The spatial distribution of GPS tracking stations

2.2.2 數(shù)據(jù)處理與分析

數(shù)據(jù)處理主要分為三步，第一步：利用GAMIT軟件(King, 2003)對GPS觀測數(shù)據(jù)進行基線解算；第二步：運用GLOBK平差得到各站點每日坐標時間序列(Herring, 2003)；第三：利用CATS3.2軟件處理分析各GPS時間序列的線性項和周期項.

數(shù)據(jù)處理具體方案如下：

(1) 基線解算類型為松弛解(RELAX)，同時估計測站坐標、衛(wèi)星軌道和地球定向參數(shù)；

(2) 單天解采用無電離層組合、自動修復周跳模式(LC_AUTCLN)；

(3) 選取VESL、DAV1、OHI2、OHI3、SYOG、MAW1、CAS1、DUM1、MCM4、ROTH、PALV、PALM、SANT、PARC、GOUG、HRAO、HERG、MAC1、HOB2、MQZG共20個IGS站作為基準站；

(4) 歷元間隔為30s，高度角設(shè)置為15°；

(5) 對流層折射模型采用Saastamoinen模型；

(6) 潮汐改正采用GAMIT提供的FES2004潮汐模型；

(7) 使用GLOBK在ITRF2008參考框架下進行網(wǎng)平差，平差時加入全球子網(wǎng)h文件(子網(wǎng)IGS1-IGS9，共計1400多個站點)；

(8) 部分GPS站點因為地震或天線變動等原因發(fā)生了階躍，使用GAMIT10.5最新的地震文件itrf08_comb.eq對同震位移進行改正；

(9) 使用穩(wěn)健孤立值探測法(即三倍四分位數(shù)差法則，IQR)對坐標時間序列中的孤立值進行剔除.最后利用CATS3.2軟件在僅白噪聲模型下估計時間序列的線性項和周期項.

經(jīng)上述逐項數(shù)據(jù)處理分析后，各GPS觀測站的垂向運動速度、時間跨度、所屬組織及空間位置如表2所示.

由圖2及表2中數(shù)據(jù)可知，東南極地區(qū)GPS站點較少，垂向速度最大值小于3 mm·a-1；西南極站點較多，速度場的分布也較為復雜，垂向上升較大的速度主要分布于阿蒙森海附近、南極半島以及橫斷南極山脈前端等區(qū)域，最大速度為27.67±0.19 mm·a-1，而垂向下降較大的速度主要分布在羅斯島(埃里伯斯火山)附近的區(qū)域，最大下降速度為-11.01±0.93 mm·a-1.綜上，在西南極地區(qū)的GPS測站垂向運動速度普遍要大于東南極，這也反映了南極目前的地質(zhì)構(gòu)造和地殼運動情況，即東南極是一個穩(wěn)定的前寒武紀地質(zhì)構(gòu)造，而西南極由于存在大量的火山巖及相關(guān)火山熔巖，是一個非?；钴S的地區(qū).因此，西南極比東南極在地殼運動上要更加活躍.

表2 南極及周邊GPS觀測站的垂向運動速度Table 2 Vertical velocities of GPS tracking stations that are around and on Antarctica

續(xù)表2

2.3 海平面絕對變化確定與分析

根據(jù)2.1和2.2小節(jié)里分別計算的驗潮站處海平面相對變化速度以及南極地殼板塊垂向運動速度場，根據(jù)公式(2)可得驗潮站處海平面的絕對變化速度(焦文海等，2004)：

(2)

式中，Δζ表示海平面相對變化速度，Δhcrustal為地殼垂向運動速度，ΔHsea則為海平面絕對變化速度.

由于某些GPS觀測站和驗潮站在空間位置上并非完全重合，因此各驗潮點處所在的地殼垂向運動速度將根據(jù)驗潮站周圍已知的GPS站垂向速度場進行幾何插值擬合法求得.鑒于GPS觀測站數(shù)量較多，且分布并不均勻，因此本文再對驗潮站處垂向速度進行插值擬合時將根據(jù)鄰近已知點進行反距離加權(quán)平均插值.其插值模型如下：

(3)

(3)式中，Vi表示各GPS站的垂向速度，Pi則是各GPS站的反距離權(quán)值.其中參與加權(quán)內(nèi)插的已知GPS站距待求點驗潮站的空間距離需滿足大地坐標差分別小于閾值k1和k2條件.如圖3所示，由于每個驗潮站周邊附近GPS觀測站數(shù)量、分布情況并不一樣，因此對每個驗潮站進行加權(quán)內(nèi)插時，各自閾值k1、k2的確定需具體情況具體分析.

通過加權(quán)內(nèi)插獲得各自驗潮站所處地殼的垂向速度后，結(jié)合表2中各驗潮站的相對海平面變化速度，并根據(jù)公式(2)可得各驗潮站的海平面絕對變化速度，如表3所示.

將上表中各驗潮站海平面的絕對變化速度繪制如圖4所示，其中變化速度垂直向上為正，向下為負.

從圖4中可看出，在南極半島的德雷克海峽，海平面的絕對變化速度普遍要高于其他海域，其中變化速度最大的是Diego Ramirez驗潮站，達到11.10±0.04 mm·a-1.盡管Diego Ramirez站的潮位觀測時間跨度從1991-03—1997-09只有6年多時間，但其附近的Base Prat、Puerto Soberania、Faraday及Argentine Islands的海平面上升速度都較大，該四潮位站的平均絕對變化速度也超過了7.61 mm·a-1，進一步說明了該海域海平面的變化較活躍，其海平面上升均值達到了8.31±0.05 mm·a-1.而東南極從上至下的Syowa到Casey站，海平面的絕對變化速度相對于南極半島都較為平緩，最大只有4.61±0.13 mm·a-1，四站的變化速度均值為3.35±0.04 mm·a-1，要遠低于位于西南極德雷克海峽的若干驗潮站的變化速度.該特征也較好地符合目前南極板塊的地殼運動：東南極是較穩(wěn)定的前寒武紀地盾，西南極地形復雜，有海底火山活動和裂谷的運動，特別是在南極半島地區(qū).基本上在同期1993年1月至2012年11月，由衛(wèi)星測高得到的南大洋平均海平面變化速度為3.68±0.4 mm·a-1(黃繼鋒，2013)，這與東南極四個潮位站海平面絕對變化均值3.35±0.04 mm·a-1相當，而遠小于南極半島德雷克海域海平面絕對變化.

圖3 南極GPS觀測站和驗潮站空間分布示意圖Fig.3 The spatial distribution diagram of GPS tracking stations and tidal gauges

圖4 南極驗潮站海平面絕對變化速度Fig.4 The absolute sea level changes of tidal gauges surrounding the Antarctica

驗潮站緯度(°S)經(jīng)度來源時間段海平面絕對變化速度(mm·a-1)ScottBase77.85166.77PSMSL2001-01—2010-129.61±0.07CapeRobertsAntarctica77.03163.19PSMSL1990-12—2009-070.57±0.08Syowa69.0039.60UHSLC1987-01—2010-123.52±0.05Davis68.4577.97UHSLC1993-04—2010-011.81±0.03Mawson67.6062.87UHSLC1993-03—2009-124.61±0.13Rothera67.57-68.13PSMSL2003-01—2011-120.90±0.33Casey66.28110.53UHSLC1996-01—2008-113.46±0.03ArgentineIslands65.25-64.26PSMSL1958-01—2013-127.17±0.17Faraday65.25-64.27UHSLC1984-03—2009-115.83±0.17BasePrat62.48-59.63UHSLC1984-02—2002-128.77±0.09PuertoSoberania62.48-59.63PSMSL1984-02—2002-128.68±0.09DiegoRamirez56.50-68.72PSMSL1991-03—1997-0911.10±0.04UshuaiaII54.82-68.22PSMSL1970-05—2006-02-3.25±0.04PortStanley51.75-57.93UHSLC1992-11—2001-06-0.40±0.04StanleyII51.69-57.82PSMSL1992-11—2013-120.48±0.04

位于羅斯海域的Scott Base和Cape Roberts Antarctica兩驗潮站盡管在空間距離上僅相距400 km左右，但其海平面絕對變化速度卻相差較大.其中Scott Base站的變化速度達到9.61±0.07 mm·a-1，而Cape Roberts則只有0.57±0.08 mm·a-1，海平面變化非常平緩.通過分析羅斯冰架附近冰流速變化特征，可得原因：目前羅斯冰架每年向海延伸300 m到760 m，在冰架外緣與海水接觸的部分，由于海水溫度、風浪、潮汐等因素的影響，從冰架上崩解入海的冰山達數(shù)十億噸.從地理位置上分析，Scott Base潮位站位于羅斯冰架右下側(cè)的羅斯島附近，根據(jù)NSIDC(National Snow & Ice Data Center)利用Radasat-2獲得的南極2009年冰流速數(shù)據(jù)，顯示在羅斯島附近從冰架入海的冰流速超過100 m·a-1(Scheuchl et al.，2012)，大量的冰川流向海洋導致該處的海平面絕對變化量也較大.而Cape Roberts Antarctica潮位站則位于維多利亞地沿海基巖上，并非處于羅斯冰架的入海處，當Scott Base站附近由于冰川入海導致當?shù)睾Ｃ娴匦萎a(chǎn)生“劇烈”起伏后，在經(jīng)過400km左右的傳播達到Cape Roberts Antarctica時，其對海平面高的影響已經(jīng)消耗殆盡.此外，從地形上分析，兩驗潮站處在一個“U”型的半封閉海岸帶內(nèi)，特別是Cape Roberts Antarctica站位于海岸帶最里面，當?shù)爻辈▊鞑ヌ卣鬏^復雜，多以駐波為主，且受外界潮汐潮流影響較小，因此該站從1990—2009近20年來，海平面變化速度非常緩慢，近似為0.

綜上，南極洲15個長期潮位站近20年來海平面絕對變化速度差異較大，其中在西南極尤其是南極半島的德雷克海峽，海平面絕對變化均值達到了8.31±0.05 mm·a-1，遠高于南大洋海平面絕對變化速度3.68±0.4 mm·a-1；而東南極4個潮位站海平面絕對變化均值則與其相當.

3 結(jié)論

本文運用GAMIT、GLOBK及CATS軟件分析得到了南極大陸及周邊地區(qū)共計66個GPS長期跟蹤站從1994年至2014年間垂向運動速度矢量，同時根據(jù)圍繞南極大陸及附近海域共15個長期潮位站多年的潮位觀測資料，綜合計算分析得到了各潮位站當?shù)睾Ｆ矫娼^對變化速度.其中位于西南極南極半島的德雷克海峽，海平面變化最為活躍，最大上升速度為11.10±0.04 mm·a-1，均值在8.31±0.05 mm·a-1；在東南極，從Syowa站依次到Casey站，海平面的絕對變化速度相對平穩(wěn)，四個潮位站海平面變化均值為3.35±0.04 mm·a-1；在羅斯冰架右下側(cè)的羅斯島附近，由于冰川崩解入海導致Scott Base站處的海平面上升速度較快，達到了9.61±0.07 mm·a-1.綜合15個驗潮站計算結(jié)果可得南極半島德雷克海峽和羅斯島附近海域，海平面絕對變化速度要高于同期南大洋海平面絕對變化速度，而東南極4個潮位站海平面絕對變化均值則與其相當.這也進一步反映了南極不同海域間海平面變化的差異性，相比較于對南大洋海平面變化的一個整體研究，分區(qū)研究海平面變化更具針對性，能更好了解南極不同區(qū)域冰蓋、冰架崩解和消融的情況.

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(本文編輯 汪海英)

The determination of absolute sea level changes of the Antarctic coast tidal gauges from 1994 to 2014 and its analysis

KE Hao1, LI Fei1, ZHANG Sheng-Kai1*, MA Chao1, WANG Ai-Xue2

1ChinaAntarcticCenterofSurveyingandMapping,WuhanUniversity,Wuhan430079,China2SchoolofGeodesyandGeomatics,WuhanUniversity,Wuhan430079,China

The Antarctic region is the birthplace of global sea level change, and it has great scientific significance to study the sea level change surrounding the Antarctica continent. In view of the effect on precision of altimetry caused by floating sea ice in waters around Antarctica, and the tidal cycle aliasing effect is needed to be taken into account when using satellite altimetry sequence to analyze the sea level periodic dynamic changes. For this reason, this paper carried out a research on the absolute sea level change surrounding the Antarctica continent from 1994 to 2014 by using GPS tracking stations and tidal gauges. The results showed that the largest absolute sea level change in all 15 tidal gauges around the Antarctic is 11.10±0.04 mm·a-1at Diego Ramirez station. In the Drake passage adjacent to the Antarctic peninsula, the sea level changes are the most active, where the average change is 8.31±0.05 mm·a-1. In the east Antarctica, the absolute sea level changes of four tidal gauges Syowa, Mawson, Davis and Casey, are relatively stable and slow. The average change rate of above four tidal gauges is 3.35±0.04 mm·a-1. The absolute sea level change at Scott Base station is as fast as 9.61±0.07 mm·a-1, which is nearby Ross Island in the lower right side of Ross ice shelf. According to the sea level change calculation results, it can be concluded that the sea level change rates of the Drake passage adjacent to the Antarctic peninsula and Ross sea are higher than entire southern ocean sea level change. While the latter is approximately equal to the average change rate of four tidal gauges which are located in the east Antarctica. These reflect the sea level change differences among the different sea areas around the Antarctica. As a consequence, partitioned study of sea level change is more desirable and can better understand the ice shelf collapse and melting situation in different areas.

The Antarctic sea level; GPS; Tidal; Absolute change; 1994—2014

10.6038/cjg20160906.

國家自然科學基金(41506120，41531069，41176173)；南北極環(huán)境綜合考察與評估專項資助項目(CHINARE-01-03)；中國極地科學戰(zhàn)略研究基金(20150307)資助.

柯灝，男，1984年生，講師，博士，現(xiàn)主要從事海洋測繪、極地海平面變化、潮汐潮流分析研究. E-mail: kehao1984@whu.edu.cn

*通訊作者 張勝凱，男，1977年生， 副教授，現(xiàn)主要從事極地大地測量學與冰川動力學研究. E-mail：zskai@whu.edu.cn

10.6038/cjg20160906

P228

2015-06-04；2016-07-15收修定稿

柯灝， 李斐， 張勝凱等. 2016. 1994—2014年南極沿岸驗潮站海平面絕對變化確定與分析. 地球物理學報，59(9):3202-3210,

Ke H, Li F, Zhang S K, et al. 2016. The determination of absolute sea level changes of the Antarctic coast tidal gauges from 1994 to 2014 and its analysis.ChineseJ.Geophys. (in Chinese),59(9):3202-3210,doi:10.6038/cjg20160906.