基于GRACE重力衛星資料和驗潮站數據的南極海平面變化分析與研究

楊軍

簡要介紹南極冰蓋消融和南極海平面變化的現狀及其影響，基于德克薩斯州大學奧斯汀分校提供的GRACE全球質量變化時間序列，以及平均海面常設業務處（PSMSL）提供的南極驗潮站月均數據，得到南極冰蓋質量和南極區域海平面的長期變化。結果表明，2002～2017年間，南極洲冰蓋質量變化速率為-92.4±11.5Gt/a，對全球海平面變化的貢獻為-0.256±0.03mm/a；南極區域海平面從2002～2012年間，上升速率為3.6mm/a；對于南極局部區域的計算表明，南極冰蓋質量與海平面變化呈現負相關關系，相關系數為-0.77。

1 引言

海平面變化與人們的生活密切相關，冰川減少、海平面上升，這些看似與普通人沒有關系，但它帶來的是極端天氣的增加。據報告統計，從上世紀50年代開始，地球上的極端天氣就已開始增多，包括強降雨、熱浪、洪水、干旱等，正不斷給人類帶來災害。

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

目前對于南極冰蓋質量變化，主要使用重力反演與氣候實驗（GRACE）衛星精確測量冰蓋的重力場變化，從而獲得冰蓋質量的變化[3]；而對于海平面高度的變化，則依賴于各地的驗潮站數據，本文所使用的即為這兩種數據。國內外基于GRACE和驗潮站數據進行海平面變化的研究已有一定歷史，但針對南極區域的卻有所缺乏，因此本文特將相關方法用于南極區域，初步分析和研究其海平面的變化情況。

2 數學模型

本文在GRACE和驗潮站數據的預處理以及分析中，用到了許多數學模型，這里著重介紹利用GRACE數據得到等效水柱高時所使用的月重力場反演模型。根據Wahr等（1998）的理論，GRACE重力場模型能夠反演得到地球表面質量薄層上任意一點的面密度變化：

其中，θ和Φ分別為地心余緯和東經，a為地球平均半徑，ρavg為地球平均密度，1和m為階次，Pm為正規化的連帶勒讓德函數，k1為載荷勒夫數，ΔC1m和ΔS1m分別為時變重力場模型的無量綱正規化球諧系數。質量變化的結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 數據處理與分析

3.1 南極GRACE重力數據

本文采用的GRACE數據為德克薩斯州大學奧斯汀分校公布的經過初步處理的RL05月重力場模型數據，數據的時間分布范圍是2002～2017年，空間分辨率為0.5°×0.5°。對比RL04數據，RL05所反映的信號沒有改變，但是精度有顯著的提高，降低了條帶誤差。所有月重力場模型球諧系數截斷到60階，并且扣除了非潮汐大氣、高頻海洋信號、固體潮等的影響。受GRACE衛星軌道設計的制約，模型中球諧系數C20項解算精度較低，因此用SLR所解算的C20項替代。

在去除了干擾因素并進行誤差改正后，得到了南極冰蓋質量變化時間序列。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處于消融狀態，其陸地冰川質量正在逐年減少；從圖三中可以看出，南極北部區域的冰蓋質量基本處于穩定狀態，冰川消融主要集中在南部區域，特別是西南區域的近海冰川在過去的16年中呈現出急劇消減的趨勢。

更進一步，求取整個南極冰蓋的等效水柱之和，其變化曲線如圖四所示。可以明顯的看出，南極冰蓋從2002到現在一直處于消融狀態。由等效水柱高可以計算得到南極冰蓋的等效變化質量，其質量變化速率為-92.4±11.5Gt/a，相當于海平面上升速率0.256±0.03mm/a.而海平面在過去一個世紀的平均上升速率為1.7mm/a，南極冰蓋消融對海平面變化的影響達到了15%。

3.2 南極驗潮站數據

驗潮站數據來自PSMSL。雖然幾個世紀以來，全球范圍內許多機構收集了大量的驗潮站數據，其空間分布廣泛而密集，時間覆蓋范圍大，但是對于南極區域的海平面記錄卻十分欠缺。因此考慮到數據的完整性和時間跨度的要求，本文僅選取了兩個驗潮站點（其位置如圖八所示），代表南極局部區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域，因此選擇這兩個站點能夠便于驗潮站和重力數據的聯合分析。

在對驗潮站數據進行缺失數據插值補全后，用兩個驗潮站的平均值作為研究區域的海平面變化，其變化曲線如圖五所示。圖五代表的是選擇區域2002～2012年間海平面高度月變化，其呈現出明顯的季節和年際變化周期。

進一步的，計算出選擇區域海平面高度的年際變化曲線（圖六）。可以看出選擇區域2002～2012年間，海平面高度呈現出上升的趨勢，其上升速率為3.6mm/a。

3.3 GRACE數據與驗潮站數據聯合分析

由于影響海平面高度變化的一個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得到的南極冰蓋質量變化數據和驗潮站數據，可以分析南極冰蓋消融與海平面高度變化之間的關系。為了使兩者數據完整且匹配，數據的時間范圍選擇2003～2012年。同時，為了保證分析結果的有效性，重力數據選擇與驗潮站臨近的匯水區域。圖七為利用南極DEM數據計算出的南極匯水區域，然后選擇距離驗潮站最近的匯水區域作為研究區（如圖八所示）。

為了研究冰蓋質量變化與海平面高度的相關性，在對數據進行矯正和補全之后，分別對得到的等效水柱與驗潮站數據進行歸一化處理，處理后的年際變化趨勢圖如圖九所示。

可以看出，研究區域的冰蓋質量變化與海平面高度變化呈現出負相關性，利用相關性計算方法可以得到其相關系數為-0.77，表明兩者有較強的相關性。

全球變暖是當今世界面臨的最大的氣候問題之一，其帶來的最直接的影響就是冰川的融化和海平面的上升，其對人們的生活和人類的發展有著不可輕視的影響。本文采用GRACE重力數據得出南極冰蓋質量在2002-2017年的變化，其變化速率為-92.4±11.5Gt/a，利用驗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；通過進一步的分析，得出這兩者之間存在較強的相關性，這表明南極冰蓋的消融是南極乃至全球范圍內海平面常年上升的一個重要原因，這也說明了遏制全球氣溫變暖，阻止冰川消融是全世界的當務之急。

參考文獻

[1]張棟，孫波，柯長青，等.南極冰蓋物質平衡與海平面變化研究新進展[J].極地研究，2010，22（3）：296-305.

[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重力衛星探測南極冰蓋質量平衡及其不確定性[J].地球物理學報，2015， 58（3）：780-792.