基于GRACE重力衛(wèi)星資料和驗(yàn)潮站數(shù)據(jù)的南極海平面變化分析與研究

楊軍

簡(jiǎn)要介紹南極冰蓋消融和南極海平面變化的現(xiàn)狀及其影響，基于德克薩斯州大學(xué)奧斯汀分校提供的GRACE全球質(zhì)量變化時(shí)間序列，以及平均海面常設(shè)業(yè)務(wù)處（PSMSL）提供的南極驗(yàn)潮站月均數(shù)據(jù)，得到南極冰蓋質(zhì)量和南極區(qū)域海平面的長(zhǎng)期變化。結(jié)果表明，2002～2017年間，南極洲冰蓋質(zhì)量變化速率為-92.4±11.5Gt/a，對(duì)全球海平面變化的貢獻(xiàn)為-0.256±0.03mm/a；南極區(qū)域海平面從2002～2012年間，上升速率為3.6mm/a；對(duì)于南極局部區(qū)域的計(jì)算表明，南極冰蓋質(zhì)量與海平面變化呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)為-0.77。

1 引言

海平面變化與人們的生活密切相關(guān)，冰川減少、海平面上升，這些看似與普通人沒(méi)有關(guān)系，但它帶來(lái)的是極端天氣的增加。據(jù)報(bào)告統(tǒng)計(jì)，從上世紀(jì)50年代開(kāi)始，地球上的極端天氣就已開(kāi)始增多，包括強(qiáng)降雨、熱浪、洪水、干旱等，正不斷給人類帶來(lái)災(zāi)害。

海平面變化是全球氣候變化的一個(gè)重要部分，極地冰層被公認(rèn)為是全球氣候變化研究中極為敏感和關(guān)鍵的區(qū)域，對(duì)全球海平面變化的貢獻(xiàn)越來(lái)越顯著，特別是南極和格陵蘭冰體流動(dòng)造成的變化是海平面上升預(yù)估不確定性的一個(gè)主要原因。海平面在過(guò)去一個(gè)世紀(jì)的上升速率達(dá)到了1.7mm/a[1]，在1993～2003年間，海平面上升速率為2.4inm/a， Cazenave等估計(jì)南極冰蓋在2003-2008年期間平均每年物質(zhì)流失（198±22）Gt[2]，如果南極冰蓋全部融化，將使海平面上升56.6m。

目前對(duì)于南極冰蓋質(zhì)量變化，主要使用重力反演與氣候?qū)嶒?yàn)（GRACE）衛(wèi)星精確測(cè)量冰蓋的重力場(chǎng)變化，從而獲得冰蓋質(zhì)量的變化[3]；而對(duì)于海平面高度的變化，則依賴于各地的驗(yàn)潮站數(shù)據(jù)，本文所使用的即為這兩種數(shù)據(jù)。國(guó)內(nèi)外基于GRACE和驗(yàn)潮站數(shù)據(jù)進(jìn)行海平面變化的研究已有一定歷史，但針對(duì)南極區(qū)域的卻有所缺乏，因此本文特將相關(guān)方法用于南極區(qū)域，初步分析和研究其海平面的變化情況。

2 數(shù)學(xué)模型

本文在GRACE和驗(yàn)潮站數(shù)據(jù)的預(yù)處理以及分析中，用到了許多數(shù)學(xué)模型，這里著重介紹利用GRACE數(shù)據(jù)得到等效水柱高時(shí)所使用的月重力場(chǎng)反演模型。根據(jù)Wahr等（1998）的理論，GRACE重力場(chǎng)模型能夠反演得到地球表面質(zhì)量薄層上任意一點(diǎn)的面密度變化：

其中，θ和Φ分別為地心余緯和東經(jīng)，a為地球平均半徑，ρa(bǔ)vg為地球平均密度，1和m為階次，Pm為正規(guī)化的連帶勒讓德函數(shù)，k1為載荷勒夫數(shù)，ΔC1m和ΔS1m分別為時(shí)變重力場(chǎng)模型的無(wú)量綱正規(guī)化球諧系數(shù)。質(zhì)量變化的結(jié)果通常以等效水柱高Hw（θ，Φ）表示： Hw（θ，Φ）=Δσ（θ，Φ）/ρw，其中ρw為水密度。

3 數(shù)據(jù)處理與分析

3.1 南極GRACE重力數(shù)據(jù)

本文采用的GRACE數(shù)據(jù)為德克薩斯州大學(xué)奧斯汀分校公布的經(jīng)過(guò)初步處理的RL05月重力場(chǎng)模型數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)的時(shí)間分布范圍是2002～2017年，空間分辨率為0.5°×0.5°。對(duì)比RL04數(shù)據(jù)，RL05所反映的信號(hào)沒(méi)有改變，但是精度有顯著的提高，降低了條帶誤差。所有月重力場(chǎng)模型球諧系數(shù)截?cái)嗟?0階，并且扣除了非潮汐大氣、高頻海洋信號(hào)、固體潮等的影響。受GRACE衛(wèi)星軌道設(shè)計(jì)的制約，模型中球諧系數(shù)C20項(xiàng)解算精度較低，因此用SLR所解算的C20項(xiàng)替代。

在去除了干擾因素并進(jìn)行誤差改正后，得到了南極冰蓋質(zhì)量變化時(shí)間序列。圖一、圖二分別為2002年和2017年南極冰蓋的等效水柱高，圖三為2017年等效水柱高減去2002年的差值。從圖一圖二可以看出，南極冰蓋等效水柱高從2002～2017年間明顯的減少，這表明南極冰蓋一直以來(lái)處于消融狀態(tài)，其陸地冰川質(zhì)量正在逐年減少；從圖三中可以看出，南極北部區(qū)域的冰蓋質(zhì)量基本處于穩(wěn)定狀態(tài)，冰川消融主要集中在南部區(qū)域，特別是西南區(qū)域的近海冰川在過(guò)去的16年中呈現(xiàn)出急劇消減的趨勢(shì)。

更進(jìn)一步，求取整個(gè)南極冰蓋的等效水柱之和，其變化曲線如圖四所示?？梢悦黠@的看出，南極冰蓋從2002到現(xiàn)在一直處于消融狀態(tài)。由等效水柱高可以計(jì)算得到南極冰蓋的等效變化質(zhì)量，其質(zhì)量變化速率為-92.4±11.5Gt/a，相當(dāng)于海平面上升速率0.256±0.03mm/a.而海平面在過(guò)去一個(gè)世紀(jì)的平均上升速率為1.7mm/a，南極冰蓋消融對(duì)海平面變化的影響達(dá)到了15%。

3.2 南極驗(yàn)潮站數(shù)據(jù)

驗(yàn)潮站數(shù)據(jù)來(lái)自PSMSL。雖然幾個(gè)世紀(jì)以來(lái)，全球范圍內(nèi)許多機(jī)構(gòu)收集了大量的驗(yàn)潮站數(shù)據(jù)，其空間分布廣泛而密集，時(shí)間覆蓋范圍大，但是對(duì)于南極區(qū)域的海平面記錄卻十分欠缺。因此考慮到數(shù)據(jù)的完整性和時(shí)間跨度的要求，本文僅選取了兩個(gè)驗(yàn)潮站點(diǎn)（其位置如圖八所示），代表南極局部區(qū)域的海平面高度變化。從前文的分析我們得知，南極的冰蓋消融主要集中在南部區(qū)域，因此選擇這兩個(gè)站點(diǎn)能夠便于驗(yàn)潮站和重力數(shù)據(jù)的聯(lián)合分析。

在對(duì)驗(yàn)潮站數(shù)據(jù)進(jìn)行缺失數(shù)據(jù)插值補(bǔ)全后，用兩個(gè)驗(yàn)潮站的平均值作為研究區(qū)域的海平面變化，其變化曲線如圖五所示。圖五代表的是選擇區(qū)域2002～2012年間海平面高度月變化，其呈現(xiàn)出明顯的季節(jié)和年際變化周期。

進(jìn)一步的，計(jì)算出選擇區(qū)域海平面高度的年際變化曲線（圖六）。可以看出選擇區(qū)域2002～2012年間，海平面高度呈現(xiàn)出上升的趨勢(shì)，其上升速率為3.6mm/a。

3.3 GRACE數(shù)據(jù)與驗(yàn)潮站數(shù)據(jù)聯(lián)合分析

由于影響海平面高度變化的一個(gè)重要因素是陸地冰川的消融，而其中南極冰蓋的影響最大。因此利用GRACE得到的南極冰蓋質(zhì)量變化數(shù)據(jù)和驗(yàn)潮站數(shù)據(jù)，可以分析南極冰蓋消融與海平面高度變化之間的關(guān)系。為了使兩者數(shù)據(jù)完整且匹配，數(shù)據(jù)的時(shí)間范圍選擇2003～2012年。同時(shí)，為了保證分析結(jié)果的有效性，重力數(shù)據(jù)選擇與驗(yàn)潮站臨近的匯水區(qū)域。圖七為利用南極DEM數(shù)據(jù)計(jì)算出的南極匯水區(qū)域，然后選擇距離驗(yàn)潮站最近的匯水區(qū)域作為研究區(qū)（如圖八所示）。

為了研究冰蓋質(zhì)量變化與海平面高度的相關(guān)性，在對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行矯正和補(bǔ)全之后，分別對(duì)得到的等效水柱與驗(yàn)潮站數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化處理，處理后的年際變化趨勢(shì)圖如圖九所示。

可以看出，研究區(qū)域的冰蓋質(zhì)量變化與海平面高度變化呈現(xiàn)出負(fù)相關(guān)性，利用相關(guān)性計(jì)算方法可以得到其相關(guān)系數(shù)為-0.77，表明兩者有較強(qiáng)的相關(guān)性。

全球變暖是當(dāng)今世界面臨的最大的氣候問(wèn)題之一，其帶來(lái)的最直接的影響就是冰川的融化和海平面的上升，其對(duì)人們的生活和人類的發(fā)展有著不可輕視的影響。本文采用GRACE重力數(shù)據(jù)得出南極冰蓋質(zhì)量在2002-2017年的變化，其變化速率為-92.4±11.5Gt/a，利用驗(yàn)潮站得到的南極海平面高度在2002-2012年間的上升速率為3.6mm/a；通過(guò)進(jìn)一步的分析，得出這兩者之間存在較強(qiáng)的相關(guān)性，這表明南極冰蓋的消融是南極乃至全球范圍內(nèi)海平面常年上升的一個(gè)重要原因，這也說(shuō)明了遏制全球氣溫變暖，阻止冰川消融是全世界的當(dāng)務(wù)之急。

參考文獻(xiàn)

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[2]Chen J L， Wilson C R， Blankenship D，et al. Accelerated Antarctic ice loss from satellitegravity measurements[J].Nature Geoscience，2009，2（12）：859-862.

[3]高春春，陸洋，張子占，等.GRACE重力衛(wèi)星探測(cè)南極冰蓋質(zhì)量平衡及其不確定性[J].地球物理學(xué)報(bào)，2015， 58（3）：780-792.