基于多源数据的全球比容海平面变化研究

李洪超，文汉江，师军良

(1.黄河水利职业技术学院，河南 开封 454003；2.中国测绘科学研究院，北京 100830)

全球约有10%的人口分布在海拔较低的沿海地带，海平面的上升将对这些地区的居民生存产生极大的影响。在过去几十年间，由气候变暖等因素导致全球海平面持续上升。IPCC(Intergovernmental Panel on Climate Change)第四次评估报告表明：20世纪全球海平面以1.7 mm/a的速度上升。

全球海平面变化主要有两方面因素构成：一是海水温度和盐度变化导致的海水体积变化，这部分称为比容海平面变化；一是陆地冰川、极地冰盖等消融导致的海水质量变化。以前由于监测手段的限制，监测海平面变化只能依靠验潮站进行，精度低且成本较高。卫星测高、卫星重力和海洋浮标技术的发展为监测海平面变化提供新的方式。当前，获取比容海平面变化的方式主要有两种：①联合卫星测高和卫星重力数据。利用卫星测高技术可以获取总体海平面变化，利用卫星重力数据可以获取海水质量变化引起的海平面变化，两者差值即为比容海平面变化。②利用海洋温度和盐度的剖面数据直接计算得出比容海平面变化。

1 数 据

1.1 卫星测高数据

卫星数据选取法国海洋卫星数据处理中心AVISO提供的海面高异常数据产品，该数据融合了Topex/Poseidon、Envisat、ERS-1、ERS-2、Jason-1、Jason-2等多颗测高卫星，较单颗卫星数据相比空间分辨率和时间分辨率具有较大的提高。该海面高异常数据的空间分辨率为0.25°×0.25°，时间分辨率为7 d。时间跨度为2005-01—2009-12共60个月数据。

1.2 卫星重力数据

利用GRACE卫星重力数据反演海水质量变化，GRACE数据采用美国德克萨斯空间研究中心(CSR)发布的GRACE RL05 Level-2版本重力场球谐系数模型，RL05版本数据对RL04版本数据中个别错误的地方进行了替换如2004-07、2004-10、2005-03和2006-02的数据，RL05版本数据与RL04版本数据相比噪声水平明显降低[6]， C20项的数据质量也有提高。RL05版本数据不仅提供60阶还提供96阶的重力场球谐系数模型。采用60阶的重力场球谐系数模型，时间跨度为2005-01—2009-12共60个月的数据。

1.3 海洋数据

作为全球海洋观测业务系统计划(Global Ocean Observing System，GOOS)中的一个针对深海区温盐结构观测的子计划(Array for Real-time Geostrophic Oceanography，Argo)计划目前在全球海洋布设超过3 900个Argo浮标，每年约可提供10万条0～2 000 m海水剖面温、盐数据。我国于2002年加入Argo计划，截止目前已经在我国周边海域布设374个Argo浮标。采用Argo实时资料中心(http://www.argo.org.cn)提供的Argo浮标温、盐格网化产品，其分辨率为1°×1°；时间间隔为2005-01—2009-12共60个月的数据。

2 比容海平面计算方法

2.1 海水温、盐数据计算比容海平面的方法

海水任意位置处的比容海平面变化可沿剖面方向对海水密度变化积分[7]得到

(1)

2.2 联合卫星测高、卫星重力数据计算比容海平面变化

2.2.1 卫星重力数据反演海水质量变化

由时变地球重力场球谐系数残差(ΔClm(t),ΔSlm(t))计算地球表面质量变化(以等效水高表示)的算式[7]为

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

(2)

式中:ρE为地球的平均密度(5517 kg·m-2)；ρW为纯水的密度(1 000 kg·m-2)；kl为负荷勒夫数(load Lover numbers)；Wl为空间平滑函数。

在利用GRACE重力场模型球谐系数计算海水质量变化时，对数据进行以下处理[7]：首先，采用Chen等[10]提出的地心改正模型对一阶项球谐系数进行改正；用卫星激光测距(SLR)得到的C20项代替GRACE球谐系数的C20项；将GAC文件的球谐系数添加到GSM文件的球谐系数中，以恢复AOD1B模型影响；从GSM文件的重力场球谐系数中扣除重力场球谐系数的平均值，获得重力场球谐系数的残差；对重力场球谐系数残差进行去相关误差滤波处理，消除高阶项系统误差；对重力场球谐系数残差进行空间平均(平滑半径为500 km)得到海水质量变化。利用GRACE时变重力场模型反演海水质量变化时，冰川均衡调整(Glacial Isostatic Adjustment，GIA)模型的选择是一个重要的影响因素，本文采用Paulson2007[10]模型。

2.2.2 卫星测高数据的处理

首先应将空间分辨率为0.25°×0.25°、时间分辨率为7 d卫星测高数据加权平均以获取空间分辨率为1°×1°、时间分辨率为1月的海面高异常数据。

同时，为与GRACE的处理过程保持一致性，在联合GRACE和卫星测高数据计算比容海平面时，应将对卫星测高数据进行同GRACE数据相同的平滑处理。本文采用与Chambers(2006)相同的处理方法：

(3)

式中：Ω表示对地球整个球面进行积分，利用式(3)计算时要求数据在全球范围内是连续的，因此将陆地和没有数据的海洋点的值设为零。

2)将上步得到的球谐系数残差代入式(4)，并进行同GRACE数据一样的平滑处理，则

(4)

式中：Δηalti(φ,λ,t)表示经过平滑处理后的海面高异常网格数据值。

3 比容海平面变化分析

利用Argo温、盐数据和联合卫星测高、GRACE卫星数据两种相对独立的方法分别计算了全球66°S～66°N范围内2005—2009年共5年的月比容海平面变化，如图1所示(限于篇幅，此处仅列出2006年3月和9月的比容海平面变化)。图1中可以看出全球比容海平面变化基本在-8～8 cm，局部海域比容海平面变化幅度较大如太平洋的中南部、西北部和中东部区域。比较两种方法得到的比容海平面变化可以发现二者的整体变化趋势较为一致，但局部存在着较大差异。GRACE时变重力场数据仅能探测出2～3 cm等效水高的海平面变化[3]以及数据处理过程中引入的各种误差都可能使联合卫星测高数据得到的比容海平面变化同利用Argo数据所得的比容海平面存在着空间分布上的差异。通过比较2006-03和2006-09的比容海平面变化的空间分布特点，可以发现2006-03的比容海平面北半球较5年的平均比容海平面为负值，南半球则为正值；2006-09则是北半球为正值，南半球为负值。3月北半球海水温度较平均值低，使得比容海平面较平均值为负，南半球情况相反。

图1 全球比容海平面变化

将两种方法计算得到的空间分布的月比容海平面变化，按纬度进行全球加权平均可以得到各月的全球平均比容海平面变化，如图2所示。从图中可以看出比容海平面表现出强烈的年周期变化，且利用两种方法得到的全球平均比容海平面变化的周期吻合较好，极大值一般在2月，极小值一般在8月；二者具有较强的相关性，相关系数为0.86。对全球平均比容海平面变化进行谐波分析可得，基于Argo数据得到的全球平均比容海平面变化振幅为4.3 mm，联合卫星测高和GRACE得到的全球平均比容海平面变化振幅为10.5 mm。

图2 全球平均月比容海平面变化

对全球月比容海平面变化数据进行时间序列分析，可以得出利用两种不同方法获得的比容海平面长期变化趋势，如图3所示。图中可以看出全球大部分海域的比容海平面呈上升状态，局部海域呈下降趋势如太平洋中部。比较图3(a)、图3(b)两幅图可以发现二者的整体变化趋势较为一致，但联合卫星测高和GRACE图3(a)得到的比容海平面的年变化速率明显大于基于Argo数据图3(b)计算得到的比容海平面年变化速率。按纬度进行全球加权平均可以得到联合卫星测高和GRACE得到的比容海平面全球平均变化速率是 1.63 mm/a；基于Argo数据的比容海平面全球平均变化速率是0.32 mm/a。造成二者差别的部分原因可能是由GRACE所能探测到的海水质量变化的精度(仅能探测到2～3 cm等效水高的海水质量变化)、数据处理误差等引起的，具体原因仍需做进一步的研究。

图3 2005—2009年全球比容海平面长期变化趋势

4 结束语

1)联合卫星测高、GRACE和Argo数据，通过两种独立的方法计算得到的比容海平面变化具有较好的一致性，均呈现明显的年周期变化；验证了联合卫星测高和GRACE重力卫星计算比容海平面变化的可行性。

2)联合卫星测高、GRACE数据得到的比容海平面变化振幅(10.5 mm)较Argo数据得到的比容海平面变化振幅(4.3 mm)大，具体原因仍需做进一步研究。

3)两种方法获得的比容海平面变化整体趋势较一致，但局部存在较大差异。

参考文献：

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