联合卫星重力和卫星测高资料 研究热容海平面季节性变化_

1、第 27卷第 5期2007年 10月大 地 测 量 与 地 球 动 力 学JOURNAL OF GEODESY AND GEODY NAM I CSVol . 27No . 5 Oct . , 2007 文章编号 :167125942(2007 0520044205联合卫星重力和卫星测高资料 1, 1 闫昊明 1 江 敏11 , 武汉 2 中国科学院研究生院 , 北京 100039摘 要 评估了重力卫星 GRACE 反演全球海水质量变化的能力 , 并结合卫星测高资料研究了 20032005年全 球热容海平面变化的分布情况 。 结果显示 , GRACE 重力卫星不仅能反映出全球海水质量的季节性变

2、化 , 而且如果 联合卫星测高手段 , GRACE 还能反映空间大尺度热容海平面的季节性变化 。关键词 GRACE 卫星测高 热容海平面 经验正交函数分析 季节性变化 中图分类号 :TP311 文献标识码 :AO N SEAS O NAL STER I C SEA L EVEL VAR I AT I O NS BY COM B I N I NGGRACE W I TH SATELL I TE AL T I M ETR Y DATAChang J inl ong1, 2, Zhong M in 1 , Duan J ianbin 1 , YanHaom ing1and J iang M in1

3、1 Institute of Geodesy and Geophysics, CAS, W uhan 4300772 Graduate School of Chinese A cade m y of Science, B eijing Abstract The ability of GRACEt o inverse the gl obal sea water mass variati ons is esti m ateed and by co mbiningsatellite alti m etry with GRACE the gl obal SS L (Steric Sea Level v

4、ariati on f or three years (fr om Jan . 2003t o Dec . 2005 is calculated . The conclusi on that GRACE not only can observe the seas onal ocean mass variati ons, but als o the combinati on of GRACE with alti m etry can p r ovide an ESS L (Esti m ated SS L that is cl oser t o SS L than using al 2ti m

5、etry al one is dra wn .Key words:GRACE (Gravity Recovery And Cli m ate Experi m ent , satellite alti m etry, SS L (Steric Sea Level , EOF (Emp irical O rthogonal Functi on analysis, seas onal variati on1 引言海平面变化主要分为两部分 :其中由海水温度 和盐度变化引起的海水体积膨胀和收缩 , 称之为热 容海平面变化 SS L; 另一部分是由海水质量分布变 化引起的海平面变化 , 包括由潮汐和大洋

6、环流引起的海水质量重新分布 、 海洋与陆地和大气的水循环 、 冰融化等引起的海水净质量变化 。卫星测高观测到的海平面变化 AS L (A lti m etry Sea Level 主 要 是 上 述 两 种 变 化 的 总 和 。由 于 GRACE 重力卫星的成功发射 , 使得评估海水质量变化引起的海平面变化成为可能 1。在 W ahr 研究的3收稿日期 :2007204219基金项目 :国家自然科学基金 (40674038 ; 中国科学院方向项目 “海洋资料同化和临近预报研究 ” (KZCX2-Y W -202 ; 中国科学院院长科研启动专项 “ 全球海平面变化的机制研究 ”作者简介 :常金

7、龙 , 男 , 1979年生 , 硕士 , 主要从事卫星重力方面的研究。 E -mail:jlchang04asch . whigg . ac . cn 第 5期 常金龙等 :联合卫星重力和卫星测高资料研究热容海平面季节性变化基础上 , Jayne 等 2根据洋底压力数据模拟 GRACE观测结果 , 并结合卫星测高资料 , 估算了海洋热储量 (热容海平面 变化 。 在 GRACE 计划实施后 , Cha m 2bers 3和殷述广等4利用第一期观测数据 , 评估了GRACE 应用于海洋研究的能力 , 计算了海水质量变化引起的全球平均海平面变化 。本文采用 Jayne 的方法和 2007年最新公

8、布的 GRACE (第四期 观测资 料 , 结合卫星测高结果 , 估算了全球平均热容海平面 变化 ESS L (Esti m ated SS L , 并采用经验正交函数 EOF 方法对 AS L, SS L, ESS L 的全球空间分布规律做了分析 。2 原理 到5:SSL (, , t =0-h(, , t, z, T, S -0d z(1其中 , 和 是网格点的余纬和经度 , t 是时间 , z 是海水深度 , 0是海水的平均密度 , T 、 S 分别表示海水 温度和盐度 。海水质量变化引起的海平面变化由 GRACE 时 变重力场系数计算得到 4:mass (, , t =a E E 3W

9、 120l =0 l m =0(1+k l W l P m (cos C l m (t cos m +S l m (t sin m (2 其中 , a E 是地球的平均半径 , E 是地球的平均密度 ,W 是纯水密度 , P l m 为归一化的缔合勒让德多项式 , C l m 和 S l m 是一组无量纲的球谐系数变化量 , 其中l 、 m 分别表示阶数和次数 , k l 表示对应 l 阶的负荷Love 数 , 代表固体地球对表面负荷的响应 。 W l 是高斯平滑核函数1。估算的热容海平面变化由 GRACE 结合卫星测 高计算得到 6:ESSL (, , t =ASL (, , t -mass

10、 (, , t (3 ASL (, , t 表示卫星测高得到的海平面变化 。3 数据处理3. 1 卫星测高数据本文所采用的卫星测高数据由 AV I S O (A rchiv 2ing, Validati on and I nter p retati on of Satellite Oceano 2graphic data 提供 , 联合多颗卫星 (T/P or Jas on -1+ERS -1/2or Envisat 观测 , 已网格化的海平面异常数据 , 其时空分辨率为 0. 25°×0. 25°×7d, 纬向 范围为 66. 5°S 66.

11、 5°N (本文所选的近全球海洋范围 。 所有标准的地球物理和大气的改正都已应 用 , 包括移去海洋极潮和反变气压计改正等 。3. 2 ECCO 海洋模式数据海洋模式数据来自 ECCO (Esti m ating the Circu 2lati on and Cli m ate of the Ocean 计划 。其纬向范围 为 80°S 79°N, 经向网格为 1°, 纬向网格从高纬度 的 1°到赤道附近的 1/3°, 垂直分为 46层 , 深度从 5m 5641m , 时间间隔 10天 海洋模式数据 (、 盐度和环流 ( 3. 3本

12、文采用的是 CSR 2007年 2月公布的 Release _04时变重力场系数 , 时间范围从 2003年 1月到 2005年 12月 (2003年 6月 、 2004年 1月系数没有提供 共 34个月的数据 , 最大阶数 60阶 。 GRACE数据解算的重力场系数不包括 1阶项 , 且确定的精 度相对较低 , 因此本文在计算时加入了依据 Chen J L 6的地心模型计算的 1阶项 , 并采用了 M Cheng &J R ies 提供的由 5颗 S LR 卫星 (Lageos -1and 2, Starlette, Stella and A jisai 得到的 C 20进行替换 。

13、由 GRACE 原始观测数据解算 GS M 重力场模型时 , 已经利用相应的背景重力场模型将非潮汐大气和高频海洋信号以及各种潮汐的影响扣除 , 包括海潮 、 固体 潮 、 海洋极潮 。 此外 , 因为本文采用的高斯平滑半径 是 750k m , 所以在距陆地海岸线 750k m 范围的海 洋区域存在着陆地水信号泄露的问题 , 为了减小这 一问题所带来的影响 , 本文屏蔽了陆地沿海 750km 范围内的海洋网格 , 但小的岛屿沿岸不在其列 。3. 4 EO F 经验正交函数分析方法E OF 经验正交函数分析方法 , 也称为特征向量 分析 EA (Eigenvect or Analysis 或者主

14、成分分析 PCA (Princi pal Component Analysis , 是一种分析矩阵数据中的结构特征 、 提取主要数据特征量的一种方法 。 EOF 可由一组网格值的时间序列确定 (如 h (, ,t , 是将其信号分离为空间模态和时间系数 , 时间系数表示着空间分布特征的时间变化 , 因此 :h (, , t = Nk =1k (, k (t (4是网格的余纬 , 是网格的经度 , t 是时间 , k 是EOF 模态个数 , N 是模态的最大数 , k 是第 k 个 EOF 模态 , k 是相关的模态的主成分 (时间系数 。 本文采用 E OF 方法提取信号的季节性变化 , 是因

15、为 在季节性变化尺度上采用 EOF 分析相比谐波分析 可以显示更为详细的信息 , 它的时间变化曲线不是 严格的正弦曲线 , 而且周年振荡不止一个模态的变化 , 每个模态都有各自的位相 7。54 大地测量与地球动力学 27卷4 结果分析4. 1 海水质量引起的全球平均海平面变化为了分离出 AS L 中的热容海平面变化 , 首先需 计算海水质量 。为此 , 本文首先分析和讨论了海水 质量引起的近全球平均海平面变化 , 以及低阶系数 对结果的影响 ,并与卫星测高扣除模式的结果 (ASL -SSL 进行比较 。图 1中虚线表示的是由 GRACE 时变重力场系 数 (不包括地心项和 C 20 计算的全球

16、平均海平面变 化 (质量部分 ; 换计算的结果 ; 结果 。二者在 好 ; 但 2005。 图 1 海水质量变化引起的近全球平均海平面变化Fig .1 Gl obal mean sea level variati ons caused by sea mails计算结果表明 , 全球海水质量变化作为全球水 循环的一部分 , 有明显的季节性 。最大值 (GRACE 周年振幅为 6. 8mm 约在每年的 9月中旬 , 说明每 年此时的海洋水储量达到最大 ; 最小值约在每年的 3月中旬 。 这与文献 3的结果 (分别为 10月初和 4月初 比较接近 (表 1 , 但也有差别 :振幅相差 1. 6mm

17、, 相位相差 13°, 可能与两者采用的 GRACE 数据时间段 、 地心模型和高斯平滑半径不同有关 。另外 , 本文还讨论了地心项和 C 20系数对计算结 果的影响 , 结果显示加入地心项和替换 C 20项使得全球平均海平面变化 (质量部分 曲线与卫星测高扣 除模式结果符合得更好 (图 1 。 另外就周年振幅而 言 (表 1 , 不包括地心项和 C 20项的周年振幅是 4. 2mm , 加入地心项和替换后振幅达到 6. 8mm , 与卫星测高扣除模式的结果 7. 1mm 更为接近 。 另外 , 采用 GRACE 原有项的计算结果显示 (表 1 , 周年振幅偏小 , 位相与卫星测高扣

18、除模式的结 果符合比较好 , 但 GRACE 观测无法给出地球质心 变化的影响 , 然而这一影响对全球平均海平面变化(质量部分 具有比较重要的作用 。表 1 全球平均海平面变化 (质量部分 的周年振幅和位相Tab . 1 Annua l am plitudes and pha ses of globa l m ean sea llevel var i a ti on s数据源振幅 ( 位相 ( GRACE (无地心项和 C 20 4. 2288GRACE (无地心项和有 C 20 5. 2275GRACE (有地心项和无 C 20 5. 3257(C 6. 8253 7. 12792038.

19、426633的结果4. 2 全球平均热容海平面变化AS L 扣除前面 GRACE 得到的质量部分 , 即是我们需要的热容部分 (ESS L 。 图 2是 ESS L 与 EC 2CO 模式 SS L 的比较 , 另外 , 我们还与 AS L 也做了比 较 。图 2 ESS L 、 SS L 与 AS L 的全球平均变化Fig . 2 Gl obal mean variati ons of ESS L, SS L and AS L从全球平均的角度来看 , ESS L 和 SS L 与 AS L 在季节变化上几乎反相 。 ESS L 和 SS L 在 20032004年期间符合度尚可 ; 从 3年

20、平均的角度来分 析 , 由于两者在 2005年存在较大的差异 , 导致 ESS L 的振幅 、 位相与 ECCO 海洋模式 SS L 的结果不能取 得较好的统一 (表 2 , 是否与 2005年的卫星测高数 据有关 , 我们将进一步查证 。表 2 估算热容 (ESS L 、 ECCO 模式 (SS L 和卫星测高(AS L 全球平均变化的周年振幅和位相Tab . 2 Annua l am plitudes and pha ses of globa l m ean ES 2S L, SS L and AS L var i a ti on s数据源振幅 (mm 位相 (°估算热容 (ES

21、S L 4. 724ECCO 模式 (SS L 2. 765卫星测高 (AS L 5. 129664 第 5期 常金龙等 :联合卫星重力和卫星测高资料研究热容海平面季节性变化4. 3 利用 EO F 方法分析全球热容海平面季节性变化 为了描述海平面高季节性变化规律 , 本文对 SS L 、 AS L 和 ESS L 数据进行了 EOF 时空分解 。图 3表示的是 SS L 、 AS L 和 ESS L 的 E OF 第一模态空间 分布 , 图 4是与第一模态对应的时间系数 。 SS L 、 AS L 和 ESS L 第 一 模 态 的 方 差 贡 献 率 分 别 为 65. 3%, 67. 3

22、%和 48. 8%(表 3 , 均占各自总方差的 一半或更多 , 所以本文仅对第一模态进行分析。 图 3 SS L (a 、 AS L (b 、 ESS L (c 的第一空间 E OF 模态Fig . 3 The first leading s patial E OF modes f or SS L (a ,AS L (b and ESS L (c 表 3 SS L 、 AS L 和 ESS L 的前 3个模态的方差贡献率 (%Tab . 3 The var i a nce con tr i buti on ra ti os of the three lead 2i n g m odes of

23、 SS L, AS L and ESS L (%模态 ECC O 模式 (SS L 卫星测高 (AS L 估算热容 (ESS L 165. 367. 348. 8219. 212. 711. 735. 44. 46. 9 从 SS L 、 AS L 、 ESS L 的第一空间模态及相应时间 系数变化 (图 3、 图 4 可以看出 :三者的空间分布大 体呈南升 (降 北降 (升 , 时间变化表现出明显的周 年循环 , 其正峰值约在每年的 10月初 , 负峰值约在 每年的 4月初。图 4 与第一模态对应的时间系数Fig . 4 Ti m e para meters of E OF Mode 1经过

24、具体比较 , 我们可以发现 , ESS L 与 SS L 的 第一空间模态强度除去大西洋西北区域存在 2个单 位的差别之外 , 其他区域几乎一致 。 ESS L 和 SS L 与 AS L 比较 , 在北太平洋的西北区域以及印度洋的东北区域 , 第一空间模态的强度都要小于 1个单位 。 由于它们所对应的时间系数变化的相位非常一致 , 那么很可能意味这两个区域存在较大的海水质量周 年变化信息 , 因为只有这样才会使热容海平面升高(或降低 达到测高卫星测得的高度 。SS L 和 AS L 第一空间模态的强度在大西洋西北区域存在 12个单位的差别 , 意味着该区域也存在 较大的海水质量周年变化信息

25、, 不过 ESS L 的结果 未显示如此明显的差异 , 需要今后详细分析 。5 结论综合上述对比分析显示 , GRACE 重力卫星不仅能够给出全球海水质量的季节变化 , 而且如果联合 卫星测高手段 , GRACE 能客观反映空间大尺度热容 海平 面 季 节 性 变 化 的 分 布 规 律 。理 论 上 , 利 用 GRACE 和卫星测高这两种空间大地测量手段联合反演热容海平面变化 , 可以充分体现海洋与陆地水 循环的作用 , 而目前有一些海洋模式缺乏这样的物 理机制8。 当然 , 由于 GRACE 目前的空间分分辨率极限只能达到 500k m 左右 , 未能尽显 GRACE 应 用的优势 。

26、第二代 GRACE 重力卫星比第一代的轨 道设计高度降低一倍 , 约为 250k m , 双星测距利用 激光干涉手段代替微波手段 , 空间分别率可达到 200k m 左右 , 观测精度提升 2个量级 , 将极大地提74 大地测量与地球动力学 27卷高 GRACE 卫星重力在海洋 、 水文 、 大气等研究领域 的应用能力 。References1 W ahr J, Molenaar M and B ryan F . Ti m e variability of the Earth s gravity field :Hydr ol ogical and oceanic effects and the

27、ir possible detecti on using GRACE J .J. Geophys . Res . 1998, 103(B12 :30205-30229.2 Jayne S R ,W ahr J, et al . Observing ocean heat content u 2 sing satellite gravity and alti m etry J .J. Geophys Res . , 2003, 108(C2, 3031 :10. 1029/2002JC001619.3 Cha mbers D P, W ahr J and Nere m R S . inary va

28、ti on of gl obal ocean GRACE Geophys . . . , 10. / 2004G .4 殷述广 , 等 . J .大地测量与地球 动力学 , 2005, 25(4 :3337.4 Yin Shuguang, et al . Study on seas onal variati ons of gl obalocean mass J .Journal of Geodesy and Geodynam ics, 2005, 25(4 :33-37. (in Chinese 5 Chen J L , W ils on C R, et al . Seas onal gl o

29、bal mean level change fr om satellite alti m eter, GRACE, and geophysical modelsJ .J. Geodesy, 2005, 79(9 :532-539.6 Chen J L ,W ils on C R, et al . Geophysical inter p retati on of observed geocenter variati ons J .J. Geophys . Res . , 1999, 104(B2 :2683-2690.7 闫昊明 , 钟敏 , 朱耀仲 . WH I GG F90L I B J ,

30、 2006, 26 114.7and Zhu Yaozhong . Scientific Com 2 L ibrary WH I GG F90L I B and It s App licati on in Geosciences J .Journal of Geodesy and Geodynam ics, 2006, 26(1 :109-114. (in Chinese 8 Chambers D P . Observing seas onal steric sea level variati ons with GRACE and satellite alti m etry J .J. Geo

31、phys . Re 2 search, 2006, 111(C03010 :10. 1029/2005JC002914.(上接第 43页 Science Bulletin, 2002, 47(19 :1664-1 668.14 申文斌 . 引力位虚拟压缩恢复法 J .武汉大学学报 (信息科学版 , 2004, 29(6 :720724.14 Shen W enbin . The fictiti ous comp ress recovery of the gravi 2 tati onal potentialJ .Journal of W uhan University (I nf or 2 m

32、ati on Science , 2004, 29(6 :720-724. (in Chinese 15 魏子卿 . GPS 重力位水准 J .大地测量与地球动力学 , 2007, 27(4 :17.15 W ei Ziqing . GPS gravity 2potential leveling J .Journal of Geodesy and Geodyna m ics, 2007, 27(4 :1-7. (in Chi 2 nese 16 Moritz H. Geodetic reference system 1980J .Journal of Geodesy, 2000, 74(1 :128-133.17 郭俊义 . 物理大地测量学基础 M.武汉 :武汉测绘科 技大学出版社 , 19