近百年全球平均海平面变化重构研究进展与分析.pdf 7页

'中国科技论文在线http://www.paper.edu.cn近百年全球平均海平面变化重构研究进展#与分析1,211*金涛勇，肖明宇，王锴5（1.武汉大学测绘学院，武汉430079；2.地球空间环境与大地测量教育部重点实验室，武汉430079）摘要：联合验潮站和卫星测高数据进行重构是目前获取长时间全球平均海平面变化序列的主要方法。本文对目前这一方法的研究进展进行了较为系统的总结，指出了重构中存在的主要10问题，并选取了两个典型的重构结果，针对其确定的海平面变化速率，利用多源测高数据确定的1993年至今海平面变化序列，和经过垂直运动改正后的验潮站数据确定的海平面变化进行了比较和验证。结果表明，在重构中获取的海平面变化速率还存在一定的不确定性，对所选取参与重构的验潮站数据有较强依赖。关键词：卫星测高；验潮站；海平面变化；重构15中图分类号：P228Progressandanalysisofthereconstructedglobalmeansealevelchangeinrecentlyonehundredyears1,211JINTaoyong,XIAOMingyu,WANGKai20(1.SchoolofGeodesyandGeomatics,WuhanUniversity,Wuhan430079;2.KeyLaboratoryofGeospaceEnvironmentandGeodesy,MinistryofEducation,Wuhan430079)Abstract:Itisthemainmethodtoobtainthelongtimeseriesofglobalmeansealevelchange(GMSL)bycombingthetidegaugeandsatellitealtimetrydata.Thispapersummarizesthecurrentresearch25progressofthereconstructionmethod,pointsoutthemainproblemsexistinginthereconstruction.Andtwotypicalreconstructionresultsareselectedtobecomparedandanalyzedbypuresatellitealtimetryandtidegaugedata.Aimingattherateofsealevelchange,thetimeseriesofsealevelchangedeterminedbyusingmulti-altimetrydatasince1993,andtheresultoftidegaugesaftercorrectedfortheverticalmotions,arecomparedandverified.Theresultsshowthatthereisstillsomeuncertaintyinthe30resultsobtainedbyreconstruction,andwhichhaveastrongdependenceontheselectionoftidegaugedataparticipatedinthereconstruction.Keywords:satellitealtimetry;tidegauge;sealevelchange;reconstruction0引言35卫星测高和验潮站是目前确定海平面变化的两种主要技术。在过去30多年，卫星测高技术提供了丰富的海平面变化观测信息，取得了季节性和周年变化特征等重要研究成果。然而，要充分认识并预测海平面变化趋势，需要有更长时间跨度高时空分辨率的监测数据，从而可以研究海平面变化演变全过程中各种时间尺度的变化特性。长时间积累的卫星测高观测序列能够精确提供全球平均海平面变化，但由于迄今为止的卫星测高观测总时间跨度仍较40短，不能分离长达几十年周期的海平面变化特征。与卫星测高技术相比，传统的验潮站观测数据具有长时间跨度的连续性，其最长观测时间已达近200年，可用于分析海平面变化的年代际周期特征及长时间尺度变化趋势，但其观测记录受地壳垂直运动影响无法获得绝对的海平面变化，且观测点位离散，分布不均匀，单个验潮站观测数据受其所处海陆交界环境影响，基金项目：高等学校博士学科点专项科研基金(20130141120002)；国家自然科学基金（41304003）作者简介：金涛勇（1982-），男，副教授，主要研究方向为卫星大地测量学.E-mail:tyjin@sgg.whu.edu.cn-1- 中国科技论文在线http://www.paper.edu.cn含有较大的局部季节性周期扰动信号，通过这些离散不均匀分布的观测数据难于获得可靠的45全球平均海平面变化时间序列，而卫星测高技术不存在这些局限，因此，联合卫星测高和验潮站观测数据成为获得长时间高精度全球平均海平面变化时间序列的一种主要方法。本文对联合卫星测高和验潮站数据重构长期全球海平面变化序列的研究进展进行了总结，并选取两个较为典型的重构结果，利用1993年至今多源测高数据确定的海平面变化序列，并优选若干验潮站观测数据，采用冰后回弹模型和GPS观测数据改正其地壳垂直运动，50获得绝对海平面变化速率，对重构海平面变化速率进行了比较和分析。1联合卫星测高和验潮站重构近百年全球平均海平面变化研究进展目前联合验潮站和卫星测高或模型重构全球平均海平面变化的研究方法主要有两种，一[1-3]是以Churchetal.为代表的EOF（EmpiricalOrthogonalFunction）重构方法；二是以Hamlingtonetal.为代表的CSEOF（CyclostationaryEmpiricalOrthogonalFunction）重构方法[4-6]55。重构的原理都是将卫星测高或模型数据得到的全球格网海平面变化序列进行EOF或CSEOF分解，以得到表征空间变化特征的模态和表征时间变化特征的主成分，然后假定空间变化特征模态在一定程度或时间上是稳定的，进而选取长时间观测的验潮站数据，同样将其进行编辑选取后计算相同格网内的平均海平面变化序列，再代入一定个数的假定稳定的空间变化模态，联合列立方程采用最小二乘平差求解验潮站数据对应的表征时间变化特征的主60成分，最后重构空间模态和主成分得到验潮站数据有效时间内的全球格网海平面变化序列，继而得到全球平均海平面变化序列。重构中实际需要的数据有两种，一是用于确定海平面变化空间模态特征的格网海平面变化序列，二是长时间观测的验潮站数据，其中，海平面变化的空间模态特征，可来源于卫星测高数据、海水温度和盐度观测数据、海洋学模型等。基于卫星测高数据的全球格网海平面65变化序列，一方面可利用T/P系列卫星观测数据，进行各项误差处理和框架统一后计算得到[1-3][7]的1993年后1°×1°月平均格网海平面变化时间序列，另一方面可直接采用法国AVISO[4-6]等机构提供的多星联合确定的1/4°×1/4°每周平均格网海平面变化时间序列。采用的验潮站数据基本都来源于全球海平面常设服务机构PSMSL，验潮站数据一般受到板块垂直运动的影响，其改正方法有长期地质观测数据、冰后回弹模型和GPS板块运动监测数据，由于70不能获得所有验潮站位置处的地质数据和GPS观测数据，目前通常采用冰后回弹模型进行[1-3][4-6]改正，Churchetal.采用了MitrovicaGIA模型，Hamlingtonetal.等采用了ICE系列模型。另外，由于卫星测高数据一般都进行了逆气压改正，验潮站数据也要进行相应改正以获取与卫星测高相同的海平面变化信号。由于海平面变化的趋势随时间发生变化，并没有一个对应的较为稳定的空间模态。因此，75两种方法都在重构之前移去了卫星测高海平面变化数据的趋势项，导致无法直接得到重构海平面变化的趋势特征。由此，Church采用的方法是，在测高数据提取的EOF模态中添加EOF0常数项，在空间上用一个常数表达趋势项，可认为海平面变化线性趋势在空间上无差别，然后联合其他EOF模态，以验潮站数据的一阶差分进行最小二乘求解，得到各EOF模态对应的主成分。Hamlington在处理趋势项上采用了不同的方法，在重构之前移去了所有验潮站数80据的趋势项，重构之后的海平面变化序列无趋势特征。重构后采用验潮站数据进行校正，将重构后的格网海平面变化序列内插到验潮站位置上，得到每个验潮站处无趋势特征的重构海平面变化序列，然后与原始验潮站观测序列进行对比，改正后获取重构全球平均海平面变化-2- 中国科技论文在线http://www.paper.edu.cn的趋势项。总体而言，联合卫星测高和验潮站数据重构长时间全球平均海平面变化序列研究的主要85问题在于，对基于卫星测高数据所得表征空间变化特征的正交基函数，作了具有稳定性重要假设，然而，导出该正交基函数所采用的全球格网海平面变化时间序列，仅限于1993年至今近20多年测高数据计算得到，其时间跨度相对百年尺度显得太短，所作稳定性假设缺乏可靠性充分依据；此外，重构中采用的长时间观测验潮站数据在全球分布很不均匀，特别是1950年之前的观测数据很少，某些验潮站在这一时间段内还存在一些数据空白，各验潮站90数据在重构中的定权方法也会有差异，以及重构方法的侧重点不同，都会对重构结果有影响。2重构海平面变化验证与分析2.1重构海平面变化结果比较针对卫星测高和验潮站数据联合重构全球平均海平面变化的研究进展，本文选取了Church与Hamlington等人确定的两个典型重构结果进行比较分析，分别由澳大利亚联邦工95业组织（CSIRO）和美国宇航局喷气推进实验室物理海洋数据分发存档中心（PODAAC）提供。其中，前者提供了1880-2013年的重构全球月平均海平面变化序列，后者提供了1950-2009年重构全球0.5°×0.5°格网月平均海平面变化序列。因前者没有提供海平面变化格网分布结果，本文将后者进行了全球平均，得到了1950-2009年全球月平均海平面变化序列，然后联[8-9]合AVISO提供的1993年至今利用多源卫星测高数据确定的全球平均海平面变化，分别100在1950-2009年、1993-2009年及1993-2013年的共同时间段内，对三个时间序列计算给出其全球平均海平面变化速率进行比较分析。图1给出了1950-2009年两种重构全球平均海平面变化序列，图2给出了1993-2009年测高确定海平面变化与重构海平面变化的三种序列，这三种序列在不同时间段计算的海平面变化速率如表1所示。从表中可以看出，与卫星测高数据确定全球平均海平面变化相比，在1993-2009年期间，Church等人重构的结果更为符合，105但在1993-2013年期间，该结果也存在一定的不稳定性跳变，而在1950-2009年期间，由验[10-11]潮站数据确定的全球平均海平面变化约为1.8mm/yr，因此，仍然是Church等人的重构结果更为一致。该结果表明，在确定重构长期海平面变化速率方面，通过引入EOF0基函数的方法较为合适，而Hamlington等人在确定海平面变化趋势上，主要依靠有限的验潮站数据，其选取标准和空间分布及定权策略对最终结果都有较大影响，导致与卫星测高和验潮站110结果存在一定差距。表1几种全球平均海平面变化序列在不同时间段的变化速率统计（单位：mm/yr）Tab1StatisticsoftheratesofseveralGMSLtimeseriesindifferenttimespan(Unit:mm/yr)海平面变化序列1950-20091993-20091993-2013Churchetal.1.84±0.023.08±0.073.56±0.06Hamlingtonetal.1.52±0.022.68±0.16--AVISO--2.95±0.032.93±0.02-3- 中国科技论文在线http://www.paper.edu.cn115图11950-2009年间两种重构全球平均海平面变化序列Fig1TwotimeseriesofreconstructedGMSLin1950-2009图21993-2009年间测高及重构全球平均海平面变化序列Fig2TimeseriesofGMSLbysatellitealtimetryandreconstructionin1993-20091202.2重构海平面变化与验潮站结果比较为对上述重构长期海平面变化数据做进一步验证，本文还选取了21个全球分布验潮站观测数据，通过将Hamlington等人重构的格网海平面变化内插到验潮站位置，获取相应海平面变化序列，从而对重构结果进行比较验证。其中，验潮站数据来自于两个数据集，第一125个是沿海水域观测系统SONEL（http://www.sonel.org/）提供的具有GPS观测的验潮站数据，同时给出了验潮站确定的相对海平面变化速率，及GPS观测计算的验潮站所处板块垂直运动速率，从而可获得验潮站数据确定的绝对海平面变化速率，由于GPS观测数据时间不统一，该数据集将所提供速率都归算到1960-2013年。基于该数据集，在选取中尽量保证验潮站与GPS点位距离小，并在全球分区域选取了9个代表点，如图3中五角星标示点位分布。130第二个是PSMSL（http://www.psmsl.org/）提供的RLR数据集。在选取中要求验潮站有效观测数据大于70%，时间跨度在80年以上，并删除了确定相对海平面变化速率和误差较大的点，最终在全球分区域选取了13个代表点，如图3中三角形标示点位分布，由于这些点及-4- 中国科技论文在线http://www.paper.edu.cn其附近并不一定有相应的GPS观测数据，因此，其板块垂直运动采用ICE5G冰后回弹模型[12]改正。135图3选取的验潮站观测点位分布，三角形和五角星分别表示采用GIA模型和GPS改正垂直板块运动Fig3Thedistributionofselectedtidegaugesforvalidation.ThetriangleandstarrepresenttheverticalmotioncorrectedbyGIAmodelandGPSrespectively140然后利用上述选取的验潮站点位位置，将Hamlington等人重构的格网海平面变化内插获得验潮站位置的重构海平面变化序列，同时计算验潮站点位处两种数据的海平面变化速率，其中，验潮站确定的相对海平面变化速率，通过冰后回弹模型或邻近GPS观测数据进行板块垂直改正，得到绝对海平面变化速率结果如表2所示。145表2验潮站和重构海平面变化绝对速率比较（单位：mm/yr）Tab2ComparisonoftheabsoluterateofGMSLbytidegaugesandreconstruction(Unit:mm/yr)验潮站绝对海平面重构绝对海平面变垂直运动改经度(°)纬度(°)变化速率化速率正方法115.748139-32.0655562.57±0.172.58±0.11GIA模型285.98666740.7000001.89±0.151.39±0.045GIA模型139.61527835.1602784.47±0.111.99±0.07GIA模型170.513360-45.8786802.19±0.131.65±0.04GIA模型351.33333337.1000001.45±0.271.49±0.03GIA模型229.66666754.3166672.16±0.151.22±0.06GIA模型278.19333324.5550002.86±0.121.80±0.05GIA模型354.45716750.1030001.85±0.121.96±0.06GIA模型0.72378051.5144501.53±0.141.93±0.07GIA模型139.82500034.9188894.67±0.112.19±0.07GIA模型307.28333347.5666671.92±0.141.59±0.04GIA模型-5- 中国科技论文在线http://www.paper.edu.cn72.83333318.9166671.71±0.171.80±0.04GIA模型5.73012158.9743392.17±0.121.87±0.05GIA模型193.46330053.880000-1.50±0.301.20±0.05GPS改正241.50000034.0083002.66±0.101.28±0.07GPS改正354.45720050.1030001.61±0.141.96±0.06GPS改正354.68410035.8924000.62±0.521.35±0.03GPS改正141.68530045.4078005.07±0.171.54±0.04GPS改正158.65000052.983300-1.90±0.621.55±0.04GPS改正167.7350008.7317003.37±0.382.60±0.11GPS改正174.779800-41.2843000.31±0.171.90±0.05GPS改正通过上述比较，可以看出，两种方法确定绝对海平面变化速率在大西洋、印度洋的北岸和东岸的点位符合很好，在太平洋东岸、大西洋西岸符合也较好，但在太平洋西岸符合较差。由于验潮站位置多位于沿岸区域，而重构格网海平面变化数据主要依靠卫星测高的格网分布150情况，导致部分沿岸区域数据质量较差，此外，插值方法及其误差影响，以及近海区域不同海况的影响等，还有验潮站数据可能存在的观测空白，都会导致两者存在一定的误差。但少数点位的差值较大，其原因则可能主要是重构海平面变化的误差。3结论海平面变化的低频率多尺度特征一直是国际上研究的热点问题，获取长时间序列是研究155这一问题的唯一途径，联合验潮站和卫星测高等数据进行重构是目前获取长时间全球平均海平面变化序列的主要方法。本文对目前这一方法的国际研究进展进行了较为系统的总结，指出了重构中存在的主要问题，并选取了两个典型的重构结果，利用多源测高数据确定海平面变化序列，和经过垂直运动改正后的验潮站数据对其所确定的海平面变化速率进行了比较和验证，结果表明，在重构中获取的海平面变化速率还存在较大的不确定性，而且对所选取参160与重构的验潮站有较强的依赖，其观测时间长度，地理分布情况等对计算结果都有一定影响，这与直接利用验潮站数据确定全球平均海平面变化速率时基本一致。致谢感谢澳大利亚联邦工业组织（CSIRO）和美国宇航局喷气推进实验室物理海洋数据分发存档中心（PODAAC）提供的重构长期海平面变化数据，法国AVISO提供的多源测高数据165确定全球平均海平面变化序列，以及全球海平面常设机构PSMSL提供的长期验潮站观测数据，和SONEL提供的附加GPS板块垂直运动改正验潮站确定绝对海平面变化速率。[参考文献](References)[1]ChurchJ,WhiteN,ColemanR,etal.Estimatesoftheregionaldistributionofsealevelriseoverthe1950-2000period[J].JournalofClimate,2004,17(13):2609-2625.170[2]ChurchJandWhiteN.A20thcenturyaccelerationinglobalsea-levelrise[J].GeophysicalResearchLetters,2006,33(1):L01602.[3]ChurchJandWhiteN.Sea-levelrisefromthelate19thtotheearly21stcentury[J].SurveysinGeophysics,-6- 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