基于多星融合高度計(jì)數(shù)據(jù)的太平洋海域海平面變化特征分析

李茂林，金國(guó)成，周立佳，李慶紅，張 磊

（1.海軍大連艦艇學(xué)院 軍事海洋系，遼寧 大連 116018；2.中國(guó)人民解放軍92899部隊(duì)，浙江 寧波 315200）

基于多星融合高度計(jì)數(shù)據(jù)的太平洋海域海平面變化特征分析

李茂林1，金國(guó)成2，周立佳1，李慶紅1，張 磊1

（1.海軍大連艦艇學(xué)院 軍事海洋系，遼寧 大連 116018；2.中國(guó)人民解放軍92899部隊(duì)，浙江 寧波 315200）

利用1993年1月—2012年12月共20 a的多星融合高度計(jì)數(shù)據(jù)，對(duì)太平洋海域海平面變化的空間分布、長(zhǎng)期趨勢(shì)等特征進(jìn)行了分析。結(jié)果表明：（1）太平洋海域海平面總體呈西升東降的形態(tài)；（2）太平洋海域平均海平面的上升速率為0.284 28 cm/a，譜分析的結(jié)果表明其變化以1 a周期信號(hào)為主，且各部分海域平均海平面上升速率的分析結(jié)果也呈現(xiàn)西部大于東部的特征；（3）EOF分析表明第一模態(tài)為年代際模態(tài)，且可以解釋原場(chǎng)的大部分，第二、第三模態(tài)為年際模態(tài)。

海平面變化；衛(wèi)星高度計(jì)；太平洋

海平面變化研究是衛(wèi)星高度計(jì)在海洋觀測(cè)研究中的一個(gè)典型應(yīng)用。研究結(jié)果表明，全球海平面變化的區(qū)域性很強(qiáng)[1-2]，太平洋由于其特有的地理環(huán)境和氣候特征，海平面變化表現(xiàn)出特有的規(guī)律和特征。目前關(guān)于太平洋海平面變化特征的研究多數(shù)是針對(duì)其局部海域海平面上升速率和變化時(shí)間尺度的單獨(dú)探討，且其利用的數(shù)據(jù)時(shí)間序列都較短[3-5]。本文利用1993年1月—2012年12月近20 a的多星融合高度計(jì)數(shù)據(jù)對(duì)太平洋海域海平面的時(shí)空變化特征進(jìn)行了分析，是對(duì)太平洋海域海平面變化特征研究的有益補(bǔ)充和完善。

1 數(shù)據(jù)來(lái)源及海域劃分

本文使用法國(guó)國(guó)家空間研究中心（CNES）的衛(wèi)星海洋學(xué)存檔數(shù)據(jù)中心（AVISO）提供的全球海面高度異常（SLA）數(shù)據(jù)，此數(shù)據(jù)融合了TOPEX/Poseidon、Jason-1/2、ERS-1/2、Envisat等衛(wèi)星高度計(jì)數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)網(wǎng)格為1/3（°）×1/3（°）的水平Mercator網(wǎng)格，時(shí)間間隔為1個(gè)月，以1993年1月—1999年12月的7 a平均值為參考面（reference level）[6]。

太平洋海域經(jīng)緯度范圍分別為99°10′E～78°08′W和85°33′S～65°44′N(xiāo)，在此區(qū)域內(nèi)共有548×722個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)。以160°E經(jīng)線以及南、北回歸線（23°26′S、23°26′N(xiāo)）為界，將太平洋海域劃分為太平洋西北部、太平洋東北部、太平洋中西部、太平洋中東部、太平洋西南部和太平洋東南部6個(gè)部分，分別簡(jiǎn)寫(xiě)為NW海域、NE海域、CW海域、CE海域、SW海域和SE海域，所包含的數(shù)據(jù)點(diǎn)個(gè)數(shù)分別為183×192，365× 192，183×145，365×145，183×385和365×385。

2 海平面變化特征分析

2.1 海平面變化的空間分布

圖1為運(yùn)用簡(jiǎn)單平均的方法求得的太平洋海域每個(gè)空間網(wǎng)格的多年平均SLA，可以看出太平洋大部分海域的多年平均SLA為正值，只有很少一部分海域出現(xiàn)負(fù)值，最大為28.776 1 cm，最小為-15.823 8 cm。圖2為與圖1對(duì)應(yīng)的多年SLA變化率，圖中色標(biāo)由藍(lán)色至紅色表示多年SLA變化率由負(fù)值（海平面下降）到正值（海平面上升），單位為cm/a。從圖中可以發(fā)現(xiàn)其空間形態(tài)呈現(xiàn)較大差異，不同網(wǎng)格的海平面上升速度不同，總體呈西升東降的形態(tài)，最大為3.161 3 cm/a，最小-1.091 0 cm/a，且上升區(qū)域的面積和上升強(qiáng)度均遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)下降區(qū)域[7]。對(duì)比這兩幅圖，可以看出多年平均SLA大的海區(qū)一般多年SLA變化率也大，多年平均SLA小的海區(qū)一般多年SLA變化率也小。各部分海域海平面異常和變化率見(jiàn)表1。

圖1 太平洋海域多年平均SLA的空間分布圖（單位:cm）

圖2太平洋海域多年SLA變化率的空間分布圖（單位:cm/a）

表1 太平洋各部分海域海平面異常和變化率

西太平洋主要海域海平面呈上升趨勢(shì)，上升區(qū)域自北向南存在3個(gè)條帶的極值區(qū)域：第1條帶位于日本以東黑潮延伸體海域，即太平洋的NW海域，核心值達(dá)到3.161 3 cm/a；第2條帶位于西太平洋暖池延伸到夏威夷群島的大片海域和新西蘭附近的太平洋中緯度海區(qū)，即太平洋的CW海域，核心值達(dá)到1.206 7 cm/a；第3條帶位于SW海域的高緯地區(qū)，核心值達(dá)到1.345 5 cm/a。海平面下降的極值區(qū)（-1.091 0 cm/a）同樣位于日本以東黑潮延伸體海域，且較CW和SW海域大很多，說(shuō)明此海域海平面變化劇烈。這種變化規(guī)律主要受比容，特別是熱比容變化影響，文獻(xiàn)[8]指出太平洋海域比容海平面和同期海平面的線性速率空間分布相似，北太平洋上升較快的區(qū)域集中在西太暖池和黑潮延伸體南側(cè)，黑潮延伸體北側(cè)海平面有較大的下降速率。

東太平洋海平面呈上升趨勢(shì)的海域主要為西太平洋的第1和第2極值區(qū)域的延伸，而下降區(qū)域的極值自北向南分別位于NE海域的高緯地區(qū)、CE海域東側(cè)的中低緯地區(qū)和SE海域的高緯地區(qū)，其下降速率核心值分別為-0.625 6 cm/a、-0.487 7 cm/a和-1.086 1 cm/a。此特征主要是由于風(fēng)應(yīng)力的影響，文獻(xiàn)[8]指出，對(duì)于北太平洋，風(fēng)應(yīng)力旋度顯著的負(fù)值區(qū)在中緯度的東部和熱帶的中西部，顯著的正值區(qū)在副熱帶環(huán)流的中部和熱帶東太平洋，西太平洋和黑潮延伸區(qū)的風(fēng)應(yīng)力旋度變化不明顯，這種分布特征與海平面變化具有一定的一致性。而風(fēng)應(yīng)力對(duì)海表面高度動(dòng)力作用的最簡(jiǎn)單機(jī)制為局地Ekman抽吸。在此物理過(guò)程中，氣旋（反氣旋）式的風(fēng)應(yīng)力使得局地Ekman流產(chǎn)生輻散（輔合），使得海表面高度下降（上升）。同時(shí)，風(fēng)應(yīng)力產(chǎn)生的西傳Rossby波，可以使得遠(yuǎn)離該局地海域的海表面高度發(fā)生改變。

對(duì)比圖1和圖2可以發(fā)現(xiàn)，海平面異常大的海區(qū)一般海平面上升速率也大，海平面異常低的海區(qū)海平面上升速率也小。

2.2 海平面變化的長(zhǎng)期趨勢(shì)

圖3顯示了1993年1月至2012年12月太平洋海域的平均SLA，振幅約2.5 cm，結(jié)合譜分析的結(jié)果（見(jiàn)圖4），可以看出其具有明顯的年周期變化特征。這主要是由于太平洋比容是海平面長(zhǎng)期變化的主要因子[9]，而比容變化周期主要與太陽(yáng)輻射有關(guān)。太平洋海域平均SLA的最高值發(fā)生在每年的9、10月份，最低值發(fā)生在每年的3、4月份。利用時(shí)間序列分析方法，獲得的太平洋平均海平面的上升速率為0.284 28 cm/a。

分別對(duì)NW海域、NE海域、CW海域、CE海域、SW海域和SE海域1993年1月—2012年12月期間平均SLA的變化曲線進(jìn)行擬合，得到平均海平面的上升速率如表2所示，可以發(fā)現(xiàn)太平洋西部海域平均海平面的上升速率大于太平洋東部海域。

圖3 太平洋海域的平均SLA

圖4 太平洋海域平均SLA的譜分析

表2 太平洋各部分海域平均海平面上升速率

觀察NW海域和NE海域、CW海域和CE海域、SW海域和SE海域平均SLA變化對(duì)比圖（圖5（a）-（c）），可以看出太平洋各海域平均海平面變化幅度上，北太平洋海域最大，中太平洋海域次之，南太平洋海域最小，變化幅度大的位置正是黑潮延伸體、赤道流系等強(qiáng)流經(jīng)過(guò)之處。其中，在北太平洋海域，受黑潮延伸體強(qiáng)流的影響，NW海域平均海平面變化比NE海域劇烈，二者之間沒(méi)有相位差，基本與太平洋海域保持同步；在中太平洋海域，CW海域與CE海域平均海平面大體呈反相變化，CW海域與太平洋海域反相，CE海域與太平洋海域同相，可能受赤道海洋波動(dòng)的影響較大，特別是在厄爾尼諾年，CW海域海平面明顯降低，CE海域海平面明顯升高；在南太平洋海域，SW海域平均海平面變化比SE海域劇烈，在一定程度上顯示了南極繞極流的西向強(qiáng)化對(duì)海平面變化的影響，且二者之間沒(méi)有相位差，基本保持同步，但與太平洋海域反相[7]。

圖5 太平洋各部分海域平均SLA變化

2.3 海平面變化的EOF分析

對(duì)1993年1月至2012年12月太平洋海域的平均SLA進(jìn)行EOF分解，前10個(gè)模態(tài)所占的方差貢獻(xiàn)分別為21.47%、10.00%、6.09%、4.46%、2.35%、1.96%、1.82%、1.47%、1.12%和1.05%，占總方差貢獻(xiàn)的51.79%。

圖6 太平洋海域海平面變化第一模態(tài)的空間分布

圖7 太平洋海域海平面變化第一模態(tài)的功率譜

圖8 太平洋海域海平面變化第二模態(tài)的功率譜

第一模態(tài)的空間分布（見(jiàn)圖6）與圖1和圖2所示太平洋海域海平面變化長(zhǎng)期趨勢(shì)的空間分布圖很相似，這從側(cè)面說(shuō)明第一模態(tài)可以解釋原場(chǎng)的大部分。從圖中可以看出，西太平洋主要海域海平面為正相位，東太平洋主要海域海平面為負(fù)相位，自北向南存在與圖1相似的上升極值區(qū)和下降極值區(qū)。對(duì)時(shí)間系數(shù)進(jìn)行譜分析知該模態(tài)為年代際變化模態(tài)（見(jiàn)圖7）。對(duì)第二和第三模態(tài)也進(jìn)行功率譜分析（圖8和圖9），可知二者均為年際變化模態(tài)。

圖9 太平洋海域海平面變化第三模態(tài)的功率譜

3 結(jié) 論

本文利用法國(guó)國(guó)家空間研究中心（CNES）的衛(wèi)星海洋學(xué)存檔數(shù)據(jù)中心（AVISO）提供的1993年1月—2012年12月共20 a的多星融合高度計(jì)數(shù)據(jù)，對(duì)太平洋海域海平面變化的空間分布、長(zhǎng)期趨勢(shì)等特征進(jìn)行了分析，得到了以下結(jié)論：

（1）太平洋海域海平面空間形態(tài)呈現(xiàn)較大差異，總體看西太平洋上升速率大于東太平洋，且西太平洋上升區(qū)域自北向南存在3個(gè)條帶的極值區(qū)域，分別位于NW，CW，SW海域，東太平洋下降的極值區(qū)位于NE海域的高緯地區(qū)、CE海域東側(cè)的中低緯地區(qū)和SE海域的高緯地區(qū)；

（2）太平洋海域平均海平面的上升速率為0.284 28 cm/a，譜分析的結(jié)果表明其變化以1 a周期信號(hào)為主，且各部分海域平均海平面上升速率的分析結(jié)果也呈現(xiàn)西部大于東部的特征，同時(shí)在相位上也存在一定差異；

（3）EOF分析前10個(gè)模態(tài)占總方差貢獻(xiàn)的51.79%。第一模態(tài)為年代際模態(tài)，且可以解釋原場(chǎng)的大部分，第二、第三模態(tài)為年際模態(tài)。

致謝：感謝法國(guó)國(guó)家空間研究中心（CNES）的衛(wèi)星海洋學(xué)存檔數(shù)據(jù)中心（AVISO）提供的全球海面高度異常（SLA）數(shù)據(jù)。

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[2]Zuo Juncheng,Zhang Jianli,Du Ling,etal.GlobalSea LevelChangeand ThermalContribution[J].JournalofOcean University ofChina, 2009,8(1):1-8.

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Analysis on the Characteristics of Sea Level Change in the Pacific Ocean Based on Multi-Satellite Altimeter Data

LIMao-lin1,JIN Guo-cheng2,ZHOU Li-jia1,LIQing-hong1,ZHANG Lei1
1.Department ofMilitary Ocean,Dalian Naval Academy,Dalian 116018,Liaoning Province,China; 2.Troop 92899 of the PLA,Ningbo 315200,Zhejiang Province,China

Using the 20 years'multi-satellite altimeter data from Jan.1993 to Dec.2012,this paper analyzes the characteristics of sea level change in the Pacific Ocean,such as the spatial distribution and long-term trend.The results show the following facts:(1)the sea level of the Pacific Ocean rises in the west and drops in the east in general;(2)the rising rate of the average sea level is 0.28428 cm/a for the Pacific Ocean,and themajor variation period is 1 a according to spectrum analysis,and the analysis results for each part of the sea level also show that the rising rate at the west is larger than that at the east;(3)the first EOF mode is a decadalmode which can explainmost of the original field,and the second and thirdmodes are inter-annualmodes.

sea level change;satellite altimeter;Pacific Ocean

P73；P228.3

A

1003-2029（2017）01-0037-05

10.3969/j.issn.1003-2029.2017.01.007

2015-01-20

李茂林（1981-），男，博士，講師，主要從事海洋調(diào)查、海洋環(huán)境可視化研究。E-mail:limaolin1981611@sina.com.cn