全球海平面高度異常的時空變化分析

萬 宇，魏崇毓

（1.青島科技大學(xué)，山東 青島 266100）

全球海平面高度異常的時空變化分析

萬 宇1，魏崇毓1

（1.青島科技大學(xué)，山東 青島 266100）

利用法國AVISO數(shù)據(jù)分發(fā)中心提供的2014多衛(wèi)星融合數(shù)據(jù)中海面高度異常數(shù)據(jù)，研究了1992年12月～2013年12月，空間范圍為82°S ～82°N，0°E ～360°E全球海平面的變化趨勢及分布，分析了全球海面高度異常的季節(jié)性變化，再使用經(jīng)驗正交函數(shù)分析方法（EOF）進(jìn)行分析。結(jié)果表明，南北半球海平面高度存在年周期的反向相關(guān)特性，太平洋存在東西反向相關(guān)特性，極值區(qū)域在東太平洋暖池區(qū)域。

海平面高度；季節(jié)性變化；EOF分析

眾多研究表明，20世紀(jì)全球海平面平均上升速率約為1．5±0．5 mm/a，衛(wèi)星資料研究結(jié)果顯示，近年來全球海平面的上升速率呈現(xiàn)加快趨勢，以2．8±0．4 mm/ a的速度升高[1]。海平面的不斷上升嚴(yán)重地威脅著人類的生存環(huán)境。據(jù)聯(lián)合國環(huán)境署統(tǒng)計，全世界目前有近一半的人口居住在沿海地區(qū)。海平面的升高將給人類的生存帶來極大危害，主要表現(xiàn)在低洼地區(qū)淹沒、淡水資源短缺和洪澇等自然災(zāi)害，將嚴(yán)重影響沿海地區(qū)的生態(tài)環(huán)境和建筑物的安全[2]。例如，2001年南太平洋島國圖魯瓦格在對抗海平面上升中宣告失敗，并放棄自己的國家，舉國搬遷到新西蘭，成為世界上第一個由于海平面上升而全民搬遷的國家[3]。同時，海平面的升高還將導(dǎo)致熱帶氣旋頻率和強(qiáng)度的增加[4]，極易形成海洋災(zāi)害，例如海嘯、風(fēng)暴和赤潮等。近年來，海洋災(zāi)害頻繁、海平面上升更使其危害程度加劇。因此，研究海平面的變化趨勢及相互關(guān)系能幫助人們估計未來海平面的變化趨勢，降低因海平面上升帶來的各種危害。

海平面變化具有空間特征和時間特征，為研究海平面變化的空間特征及其隨時間變化的關(guān)系，采用經(jīng)驗正交函數(shù)分析（EOF）是一種可行的方法[1]。

本文利用法國AVISO數(shù)據(jù)分發(fā)中心提供的2014多衛(wèi)星融合數(shù)據(jù)中的海面高度異常數(shù)據(jù)定性分析了1993-2013年的海平面高度異常的季節(jié)性變化規(guī)律，然后采用EOF方法分析了海面高度異常的年代跡時間尺度特征。

1 數(shù)據(jù)介紹

本研究所用數(shù)據(jù)融合了Cryosat-2、Jason-1、 Jason-2、T/P、Envisat、GFO、 ERS-1/2的衛(wèi)星數(shù)據(jù)，以提供均勻、交叉定標(biāo)的高質(zhì)量測高數(shù)據(jù)序列，數(shù)據(jù)為每周/月周期的沿軌數(shù)據(jù)生成的1/4°×1/4°Mercator投影下（即經(jīng)度、緯度方向上具有相同的分辨率，約為33km乘以該緯度的余弦值）的數(shù)據(jù)網(wǎng)格。數(shù)據(jù)時間跨度為1992年12月～2013年12月，空間范圍是82°S～82°N，0°E ～360°E。由于季節(jié)的平均數(shù)據(jù)有一定的時間延遲，目前AVISO發(fā)布的氣候?qū)W平均數(shù)據(jù)截止到

2013年12月份。2014版本融合數(shù)據(jù)的海平面高度異常基于20年的平均海面高度計算。

2 研究方法

經(jīng)驗正交函數(shù)分析方法是統(tǒng)計分析數(shù)據(jù)的方法，是將時空尺度的信息分離，提取主要的空間型與時間序列特征，通過自然正交展開為X=V×P，將距平場X分解為時間序列P和空間函數(shù)V。將海平面高度異常X的觀測資料以矩陣形式給出，處理為距平場：

其中，m是觀測資料點，n是時間序列點。

計算方陣C=XXT，C為是實對稱矩陣。計算C的特征向量V和特征根λ：

一般將特征根λ按從大到小的順序排列，V的列向量代表各個模態(tài)的EOF，即主成分空間模態(tài)。

時間系數(shù)（即主分量）計算公式為：P=VTX，P的行向量代表各個特征向量的主成分，若把空間特征向量按照主成分的權(quán)重進(jìn)行線性疊加，即可得到原資料場。

方差貢獻(xiàn)（variance contribution）是第i個特征向量對X場的貢獻(xiàn)率也稱單個變量的方差與總方差的比為解釋方差[5]。前p個特征向量對X場的貢獻(xiàn)率根據(jù)特征向量的特征性質(zhì)VTV=I，由X=V×P可知C=VPPTV；由 CV=λV可知C=VλVT，對比兩式可得PPT=λ，即主分量的方差和它對應(yīng)的特征值相等。tr(C)=tr(VλVT)，且VTV=I，可得即m個主分量的總方差與原m個變量的總方差相等。

3 數(shù)據(jù)分析

3.1 全球海平面高度異常的季節(jié)性變化分析

圖1給出了海平面異常的每個季節(jié)的氣候?qū)W平均值，從圖中可看出海平面高度異常的季節(jié)變化比較明顯，季節(jié)變化也比較明顯，理論上來講在季節(jié)尺度上比容和兩極海冰消長對于全球海平面高度異常的作用更加明顯。除兩極的周邊區(qū)域，第一季度與第三季度、第二季度與第四季度各個海區(qū)的海面高度異常平均值正負(fù)相反，赤道區(qū)域與南半球海區(qū)的海平面變化特征比較明顯。

太平洋中緯度地區(qū)的海平面受比容影響較大，第一、二季度北半球中緯度海域海平面高度異常呈現(xiàn)負(fù)值，海平面較低，第三、四季度海面高度異常值呈現(xiàn)正值，海平面遠(yuǎn)高于冬季；對于南半球中緯度而言，海平面的變化與北半球中緯度地區(qū)相反。王珍珍（2011）等人利用AVISO融合數(shù)據(jù)資料研究全球海平面的變化特征顯示，全球海平面升高趨勢明顯，其中南半球的增長速度快于全球和北半球[6]。

從圖1可知，赤道10°N附近的海域季節(jié)變化顯著，第一季度與第三季度東西兩側(cè)海平面高度相差較大，且相位相反；第二季度與第四季度南北兩側(cè)海域海平面高度異常梯度較大。第一季度10°S～20°N區(qū)域海平面高度異常呈現(xiàn)東低西高現(xiàn)象，西太平洋的海面高度明顯高于東太平洋海區(qū)；第二季度10°N ～15°N區(qū)域海平面較高，5°S ～10°N區(qū)域海平面呈現(xiàn)東低西高現(xiàn)象；第三季度，0°N～10°N區(qū)域海平面兩頭高中間低，10°S～0°N范圍東低西高；第四季度各區(qū)域的海平面變化同4月份海平面值正負(fù)相位相反。

圖1 全球海面高度異常的季節(jié)性變化

大西洋海平面的變化如同太平洋海域的縮影，各個區(qū)域同太平洋區(qū)域變化位置相似。與太平洋和大西洋的海平面變化不同，印度洋海域第二季度時0°S～20°S 海平面高度異常與其他海區(qū)相比較??；第三季度時孟加拉灣中東部、阿拉伯灣中部、澳大利亞西北部海域海平面高度異常維持在較高值，同時其他海域海平面高度異常較?。坏降谒募径葧r，整個阿拉伯海區(qū)域的海平面高度異常較其他時間偏小；第一季度，除阿拉伯海西部區(qū)域外其他區(qū)域的海平面與第四季度海平面變化正負(fù)相位相反，高值區(qū)域變低，低值區(qū)域變高。南極周邊，西太平洋120°E～160°E區(qū)域全年海平面高度異常都較大；東印度洋與韋德爾海域第二、三季度海平面較低，其他時間海平面較高。

圖2 全球海面高度隨年際變化趨勢

3.2 EOF法分析全球海平面高度異常的變化

利用前述EOF分析方法，首先將距平后的MSLA數(shù)據(jù)進(jìn)行EOF分析，圖3分別為全球平面變化EOF分析得到的第1～3主成分對應(yīng)的空間分布特征圖，即空間模態(tài)。圖4為各主成分的時間序列（即主分量），表示對應(yīng)的空間模態(tài)隨時間的變化，3個模態(tài)的方差貢獻(xiàn)分別為11．36%、9．80%、5．88%。

圖3 SLA進(jìn)行EOF分析后前3個主成分空間模態(tài)

第一主成分表示南北半球海平面高度存在年周期（圖4）的反向相關(guān)特性，這與南北半球的季節(jié)反相性是一致的，并且在30S°～30°N有明顯的異常存在，而這一海區(qū)受溫度、降水以及風(fēng)應(yīng)力的影響尤為明顯，且低頻周期信號豐富，是研究海氣相互作用極為關(guān)鍵的區(qū)域。

圖4 SLA進(jìn)行EOF分析后前3個主成分時間序列

第二主成分表示太平洋存在東西反向相關(guān)特性，結(jié)合圖4第二主成分時間序列可以看出，第二模態(tài)體現(xiàn)了全球海平面上升趨勢。由于太平洋東西反向特性的存在，東太平洋海平面高度呈現(xiàn)下降趨勢，這本質(zhì)上是由于西太平洋東風(fēng)使得太平洋表層海水向西太平洋堆積，從而導(dǎo)致西太平洋海平面上升，東太平洋海平面下降。CAZENAV等人分析衛(wèi)星高度計觀測的海平面數(shù)據(jù)時也發(fā)現(xiàn)了這個現(xiàn)象。申輝等人認(rèn)為，太平洋海面高度變化速率呈現(xiàn)出的東降西升的地域性分布特征是風(fēng)應(yīng)力的作用結(jié)果，主要是由于西太平洋存在正向的東風(fēng)距平，而東太平洋存在正向的西風(fēng)距平，西太平洋東風(fēng)距平的存在使得太平洋表層海水向西太平洋堆積，導(dǎo)致西太平洋海平面上升；同理，風(fēng)應(yīng)力異常在中東太平洋導(dǎo)致海平面下降[7-8]。

第三主成分的空間分布與全球海表面降水分布基本一致，極值區(qū)域在東太平洋暖池區(qū)域，這表明熱通量是海平面高度變化極為重要的影響因子。

4 結(jié) 語

本文利用法國AVISO數(shù)據(jù)分發(fā)中心提供的2014多衛(wèi)星融合數(shù)據(jù)中的海面高度異常數(shù)據(jù)，研究了1992年12月～2013年12月，空間范圍為82°S ～82°N，0°E ～360°E的全球海平面變化趨勢及分布，并運(yùn)用經(jīng)驗正交函數(shù)分析方法（EOF）分析得到全球海平面變化3個主成分的空間模態(tài)，進(jìn)而分析形成原因，得到以下結(jié)論：

南北半球海平面高度存在年周期的反向相關(guān)特性。這與南北半球的季節(jié)反相性是一致的，并且在30S°～30°N海區(qū)有明顯的異常存在，而這一海區(qū)受溫度、降水以及風(fēng)應(yīng)力的作用尤為明顯。

太平洋存在東西反向相關(guān)特性。這是由于西太平洋東風(fēng)使得太平洋表層海水向西太平洋堆積，從而導(dǎo)致西太平洋海平面上升，東太平洋海平面下降。

極值區(qū)域在東太平洋暖池區(qū)域。這表明熱通量是海平面高度變化極為重要的影響因子。

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1672-4623（2016）12-0058-03

10.3969/j.issn.1672-4623.2016.12.019

萬宇，碩士研究生，研究方向為計算機(jī)技術(shù)。

2015-01-07。