基于多源數(shù)據(jù)的全球比容海平面變化研究

李洪超，文漢江，師軍良

(1.黃河水利職業(yè)技術學院，河南 開封 454003；2.中國測繪科學研究院，北京 100830)

全球約有10%的人口分布在海拔較低的沿海地帶，海平面的上升將對這些地區(qū)的居民生存產生極大的影響。在過去幾十年間，由氣候變暖等因素導致全球海平面持續(xù)上升。IPCC(Intergovernmental Panel on Climate Change)第四次評估報告表明：20世紀全球海平面以1.7 mm/a的速度上升。

全球海平面變化主要有兩方面因素構成：一是海水溫度和鹽度變化導致的海水體積變化，這部分稱為比容海平面變化；一是陸地冰川、極地冰蓋等消融導致的海水質量變化。以前由于監(jiān)測手段的限制，監(jiān)測海平面變化只能依靠驗潮站進行，精度低且成本較高。衛(wèi)星測高、衛(wèi)星重力和海洋浮標技術的發(fā)展為監(jiān)測海平面變化提供新的方式。當前，獲取比容海平面變化的方式主要有兩種：①聯(lián)合衛(wèi)星測高和衛(wèi)星重力數(shù)據(jù)。利用衛(wèi)星測高技術可以獲取總體海平面變化，利用衛(wèi)星重力數(shù)據(jù)可以獲取海水質量變化引起的海平面變化，兩者差值即為比容海平面變化。②利用海洋溫度和鹽度的剖面數(shù)據(jù)直接計算得出比容海平面變化。

1 數(shù) 據(jù)

1.1 衛(wèi)星測高數(shù)據(jù)

衛(wèi)星數(shù)據(jù)選取法國海洋衛(wèi)星數(shù)據(jù)處理中心AVISO提供的海面高異常數(shù)據(jù)產品，該數(shù)據(jù)融合了Topex/Poseidon、Envisat、ERS-1、ERS-2、Jason-1、Jason-2等多顆測高衛(wèi)星，較單顆衛(wèi)星數(shù)據(jù)相比空間分辨率和時間分辨率具有較大的提高。該海面高異常數(shù)據(jù)的空間分辨率為0.25°×0.25°，時間分辨率為7 d。時間跨度為2005-01—2009-12共60個月數(shù)據(jù)。

1.2 衛(wèi)星重力數(shù)據(jù)

利用GRACE衛(wèi)星重力數(shù)據(jù)反演海水質量變化，GRACE數(shù)據(jù)采用美國德克薩斯空間研究中心(CSR)發(fā)布的GRACE RL05 Level-2版本重力場球諧系數(shù)模型，RL05版本數(shù)據(jù)對RL04版本數(shù)據(jù)中個別錯誤的地方進行了替換如2004-07、2004-10、2005-03和2006-02的數(shù)據(jù)，RL05版本數(shù)據(jù)與RL04版本數(shù)據(jù)相比噪聲水平明顯降低[6]， C20項的數(shù)據(jù)質量也有提高。RL05版本數(shù)據(jù)不僅提供60階還提供96階的重力場球諧系數(shù)模型。采用60階的重力場球諧系數(shù)模型，時間跨度為2005-01—2009-12共60個月的數(shù)據(jù)。

1.3 海洋數(shù)據(jù)

作為全球海洋觀測業(yè)務系統(tǒng)計劃(Global Ocean Observing System，GOOS)中的一個針對深海區(qū)溫鹽結構觀測的子計劃(Array for Real-time Geostrophic Oceanography，Argo)計劃目前在全球海洋布設超過3 900個Argo浮標，每年約可提供10萬條0～2 000 m海水剖面溫、鹽數(shù)據(jù)。我國于2002年加入Argo計劃，截止目前已經在我國周邊海域布設374個Argo浮標。采用Argo實時資料中心(http://www.argo.org.cn)提供的Argo浮標溫、鹽格網化產品，其分辨率為1°×1°；時間間隔為2005-01—2009-12共60個月的數(shù)據(jù)。

2 比容海平面計算方法

2.1 海水溫、鹽數(shù)據(jù)計算比容海平面的方法

海水任意位置處的比容海平面變化可沿剖面方向對海水密度變化積分[7]得到

(1)

2.2 聯(lián)合衛(wèi)星測高、衛(wèi)星重力數(shù)據(jù)計算比容海平面變化

2.2.1 衛(wèi)星重力數(shù)據(jù)反演海水質量變化

由時變地球重力場球諧系數(shù)殘差(ΔClm(t),ΔSlm(t))計算地球表面質量變化(以等效水高表示)的算式[7]為

WlPlm(sinφ){ΔClm(t)cosmλ+ΔSlm(t)cosmλ}.

(2)

式中:ρE為地球的平均密度(5517 kg·m-2)；ρW為純水的密度(1 000 kg·m-2)；kl為負荷勒夫數(shù)(load Lover numbers)；Wl為空間平滑函數(shù)。

在利用GRACE重力場模型球諧系數(shù)計算海水質量變化時，對數(shù)據(jù)進行以下處理[7]：首先，采用Chen等[10]提出的地心改正模型對一階項球諧系數(shù)進行改正；用衛(wèi)星激光測距(SLR)得到的C20項代替GRACE球諧系數(shù)的C20項；將GAC文件的球諧系數(shù)添加到GSM文件的球諧系數(shù)中，以恢復AOD1B模型影響；從GSM文件的重力場球諧系數(shù)中扣除重力場球諧系數(shù)的平均值，獲得重力場球諧系數(shù)的殘差；對重力場球諧系數(shù)殘差進行去相關誤差濾波處理，消除高階項系統(tǒng)誤差；對重力場球諧系數(shù)殘差進行空間平均(平滑半徑為500 km)得到海水質量變化。利用GRACE時變重力場模型反演海水質量變化時，冰川均衡調整(Glacial Isostatic Adjustment，GIA)模型的選擇是一個重要的影響因素，本文采用Paulson2007[10]模型。

2.2.2 衛(wèi)星測高數(shù)據(jù)的處理

首先應將空間分辨率為0.25°×0.25°、時間分辨率為7 d衛(wèi)星測高數(shù)據(jù)加權平均以獲取空間分辨率為1°×1°、時間分辨率為1月的海面高異常數(shù)據(jù)。

同時，為與GRACE的處理過程保持一致性，在聯(lián)合GRACE和衛(wèi)星測高數(shù)據(jù)計算比容海平面時，應將對衛(wèi)星測高數(shù)據(jù)進行同GRACE數(shù)據(jù)相同的平滑處理。本文采用與Chambers(2006)相同的處理方法：

(3)

式中：Ω表示對地球整個球面進行積分，利用式(3)計算時要求數(shù)據(jù)在全球范圍內是連續(xù)的，因此將陸地和沒有數(shù)據(jù)的海洋點的值設為零。

2)將上步得到的球諧系數(shù)殘差代入式(4)，并進行同GRACE數(shù)據(jù)一樣的平滑處理，則

(4)

式中：Δηalti(φ,λ,t)表示經過平滑處理后的海面高異常網格數(shù)據(jù)值。

3 比容海平面變化分析

利用Argo溫、鹽數(shù)據(jù)和聯(lián)合衛(wèi)星測高、GRACE衛(wèi)星數(shù)據(jù)兩種相對獨立的方法分別計算了全球66°S～66°N范圍內2005—2009年共5年的月比容海平面變化，如圖1所示(限于篇幅，此處僅列出2006年3月和9月的比容海平面變化)。圖1中可以看出全球比容海平面變化基本在-8～8 cm，局部海域比容海平面變化幅度較大如太平洋的中南部、西北部和中東部區(qū)域。比較兩種方法得到的比容海平面變化可以發(fā)現(xiàn)二者的整體變化趨勢較為一致，但局部存在著較大差異。GRACE時變重力場數(shù)據(jù)僅能探測出2～3 cm等效水高的海平面變化[3]以及數(shù)據(jù)處理過程中引入的各種誤差都可能使聯(lián)合衛(wèi)星測高數(shù)據(jù)得到的比容海平面變化同利用Argo數(shù)據(jù)所得的比容海平面存在著空間分布上的差異。通過比較2006-03和2006-09的比容海平面變化的空間分布特點，可以發(fā)現(xiàn)2006-03的比容海平面北半球較5年的平均比容海平面為負值，南半球則為正值；2006-09則是北半球為正值，南半球為負值。3月北半球海水溫度較平均值低，使得比容海平面較平均值為負，南半球情況相反。

圖1 全球比容海平面變化

將兩種方法計算得到的空間分布的月比容海平面變化，按緯度進行全球加權平均可以得到各月的全球平均比容海平面變化，如圖2所示。從圖中可以看出比容海平面表現(xiàn)出強烈的年周期變化，且利用兩種方法得到的全球平均比容海平面變化的周期吻合較好，極大值一般在2月，極小值一般在8月；二者具有較強的相關性，相關系數(shù)為0.86。對全球平均比容海平面變化進行諧波分析可得，基于Argo數(shù)據(jù)得到的全球平均比容海平面變化振幅為4.3 mm，聯(lián)合衛(wèi)星測高和GRACE得到的全球平均比容海平面變化振幅為10.5 mm。

圖2 全球平均月比容海平面變化

對全球月比容海平面變化數(shù)據(jù)進行時間序列分析，可以得出利用兩種不同方法獲得的比容海平面長期變化趨勢，如圖3所示。圖中可以看出全球大部分海域的比容海平面呈上升狀態(tài)，局部海域呈下降趨勢如太平洋中部。比較圖3(a)、圖3(b)兩幅圖可以發(fā)現(xiàn)二者的整體變化趨勢較為一致，但聯(lián)合衛(wèi)星測高和GRACE圖3(a)得到的比容海平面的年變化速率明顯大于基于Argo數(shù)據(jù)圖3(b)計算得到的比容海平面年變化速率。按緯度進行全球加權平均可以得到聯(lián)合衛(wèi)星測高和GRACE得到的比容海平面全球平均變化速率是 1.63 mm/a；基于Argo數(shù)據(jù)的比容海平面全球平均變化速率是0.32 mm/a。造成二者差別的部分原因可能是由GRACE所能探測到的海水質量變化的精度(僅能探測到2～3 cm等效水高的海水質量變化)、數(shù)據(jù)處理誤差等引起的，具體原因仍需做進一步的研究。

圖3 2005—2009年全球比容海平面長期變化趨勢

4 結束語

1)聯(lián)合衛(wèi)星測高、GRACE和Argo數(shù)據(jù)，通過兩種獨立的方法計算得到的比容海平面變化具有較好的一致性，均呈現(xiàn)明顯的年周期變化；驗證了聯(lián)合衛(wèi)星測高和GRACE重力衛(wèi)星計算比容海平面變化的可行性。

2)聯(lián)合衛(wèi)星測高、GRACE數(shù)據(jù)得到的比容海平面變化振幅(10.5 mm)較Argo數(shù)據(jù)得到的比容海平面變化振幅(4.3 mm)大，具體原因仍需做進一步研究。

3)兩種方法獲得的比容海平面變化整體趨勢較一致，但局部存在較大差異。

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