基于Argo浮標(biāo)的比容海平面變化的研究

吳 迪，滕春江

(1.陜西鐵路工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院測(cè)繪工程系，陜西渭南 714000；2.陜西鐵路工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院就業(yè)處，陜西渭南 714000)

基于Argo浮標(biāo)的比容海平面變化的研究

吳 迪1，滕春江2

(1.陜西鐵路工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院測(cè)繪工程系，陜西渭南 714000；2.陜西鐵路工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院就業(yè)處，陜西渭南 714000)

通過對(duì)2005—2009年的Argo浮標(biāo)溫度、鹽度數(shù)據(jù)的分析計(jì)算，得出65°S—65°N比容海平面具有明顯的周年變化的規(guī)律。與WOA05所得的結(jié)果進(jìn)行比較，得出二者月平均比容海平面變化差異大部分地區(qū)為-3～3 cm。對(duì)比容海平面變化的時(shí)間序列進(jìn)行分析，得出比容海平面的振幅為4.2 mm，相位為94.8°，長(zhǎng)期趨勢(shì)項(xiàng)為0.36 mm/a，與William Llover利用Scripps中心所得的處理結(jié)果較為一致。

Argo；比容海平面；WOA05；GRACE；衛(wèi)星測(cè)高

一、引 言

溫度和鹽度變化導(dǎo)致的海水?dāng)U張或收縮會(huì)引起海平面變化，稱為比容海平面變化；海水質(zhì)量的重新分布或海水質(zhì)量變化也能引起海平面的變化，如全球性水循環(huán)或南極冰蓋的消融。目前，研究比容海平面變化的方法主要有兩種：①利用衛(wèi)星測(cè)高和衛(wèi)星重力數(shù)據(jù)，通過衛(wèi)星測(cè)高獲取總海平面變化，而由GRACE重力衛(wèi)星的時(shí)變重力場(chǎng)數(shù)據(jù)反演獲得的是因海水質(zhì)量變化引起的海平面變化，二者之差就是比容海平面變化；②利用觀測(cè)的海水溫度、鹽度數(shù)據(jù)計(jì)算比容海平面變化，Argo觀測(cè)網(wǎng)建立以前，較大區(qū)域或全球范圍內(nèi)難以獲得大量的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，因此本方法應(yīng)用較少，但目前隨著Argo觀測(cè)網(wǎng)的建成，可以大范圍、動(dòng)態(tài)地獲取海水溫度、鹽度資料，為研究全球比容海平面變化提供了豐富的數(shù)據(jù)。

國(guó)內(nèi)外很多學(xué)者分別利用不同數(shù)據(jù)和方法對(duì)比容海平面變化這一熱點(diǎn)問題進(jìn)行了研究。Chambers[1]、Cazenave[2]等利用Jason-1和GRACE數(shù)據(jù)研究了比容海平面的變化，得出海平面上升速度、海水質(zhì)量變化的相關(guān)結(jié)論。William Llover[3]綜合利用測(cè)高數(shù)據(jù)計(jì)算總的海平面變化，利用GRACE和Argo浮標(biāo)數(shù)據(jù)研究全球或區(qū)域海平面變化，證實(shí)了在不同處理中心Argo浮標(biāo)處理所得的比容海平面變化在振幅和相位上較為一致。國(guó)內(nèi)一些學(xué)者也進(jìn)行了跟蹤研究，常金龍[4](2007年)和蔣濤[5](2010年)等利用Jason-1和GRACE數(shù)據(jù)分析了比容海平面變化，驗(yàn)證了聯(lián)合利用測(cè)高和GRACE重力數(shù)據(jù)研究比容海平面變化的可行性。

二、Argo全球海洋觀測(cè)網(wǎng)計(jì)劃

1998年，美國(guó)等國(guó)家的大氣、海洋科學(xué)家提出了“Argo全球海洋觀測(cè)網(wǎng)計(jì)劃[5]”，計(jì)劃在全球大洋以3°×3°的空間分辨率布設(shè)共計(jì)3000個(gè)Argo剖面浮標(biāo)。直至2007年才基本達(dá)到了設(shè)計(jì)的浮標(biāo)布設(shè)密度，主要分布在65°S—65°N的范圍內(nèi)，部分年Argo浮標(biāo)的全球分布如圖1所示。我國(guó)2001年正式加入該計(jì)劃，已經(jīng)在太平洋、印度洋等海域共投放89個(gè)Argo浮標(biāo)，其中48個(gè)仍在正常工作。

自沉浮式剖面探測(cè)浮標(biāo)作為一種海洋觀測(cè)平臺(tái)，因首先應(yīng)用在國(guó)際Argo計(jì)劃，故又稱之為Argo浮標(biāo)，是專門用于海洋次表層溫、鹽、深剖面測(cè)量的儀器。儀器布放后自行潛入2000 m深處的等密度層中工作3～5年，直至電源耗盡。到達(dá)預(yù)訂時(shí)間儀器自動(dòng)上浮至水面，在此過程中進(jìn)行溫度、鹽度剖面等測(cè)量，然后將觀測(cè)數(shù)據(jù)傳送給用戶。

三、溫、鹽數(shù)據(jù)計(jì)算比容海平面的方法

1.溫、鹽數(shù)據(jù)計(jì)算比容海平面變化

沿海水柱體對(duì)海水密度變化求積分，可計(jì)算任意位置處的比容海平面的變化

圖1 全球Argo浮標(biāo)分布

可依據(jù)海水溫度、鹽度、壓力等計(jì)算海水的密度，公式如下

ρ(S，T，P)＝ρ(S，T，0)/[1-P/K(S，T，P)](2)

式中，P、ρ(S，T，0)、K(S，T，P)分別為壓力、標(biāo)準(zhǔn)海水密度和海水割線模量；其余符號(hào)意義同式(1)；ρ(S，T，0)等的計(jì)算見文獻(xiàn)[7]。

2.Argo浮標(biāo)數(shù)據(jù)介紹

本文利用Argo實(shí)時(shí)資料中心提供的Argo浮標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行比容海平面變化的研究，產(chǎn)品的分辨率為1°×1°，按深度共分為26層，見表1。選取2005年1月至2009年12月共60個(gè)月的數(shù)據(jù)。

表1 Argo浮標(biāo)格網(wǎng)化數(shù)據(jù)分層 m

3.WOA05海洋數(shù)據(jù)集

WOA05(world ocean atlas 2005)海洋模型是由美國(guó)海洋數(shù)據(jù)中心(NODC)發(fā)布的一套分析氣候領(lǐng)域的數(shù)據(jù)集合，包括海洋溫度、鹽度、溶解氧、磷酸鹽、硅酸鹽等參數(shù)。為驗(yàn)證上述Argo浮標(biāo)數(shù)據(jù)的計(jì)算結(jié)果，引入WOA05數(shù)據(jù)集。月、季度和年3種平均場(chǎng)數(shù)據(jù)均包含在本數(shù)據(jù)集合中，有1°×1°和5°×5°兩種空間分辨率。本文采用1°×1°分辨率的月和年平均場(chǎng)溫度和鹽度數(shù)據(jù)，24層深度數(shù)據(jù)，分層標(biāo)準(zhǔn)與Argo格網(wǎng)數(shù)據(jù)分層標(biāo)準(zhǔn)相同。

四、比容海平面變化分析

本文利用WOA05數(shù)據(jù)集計(jì)算了12個(gè)月的比容海平面變化，利用Argo數(shù)據(jù)計(jì)算了5年中65°S—65°N范圍內(nèi)的比容海平面變化，如圖2所示，圖中僅列出部分月份的比容海平面變化。從圖中可以看出，全球的比容海平面變化幅度為-10～10 cm，太平洋西北部和中南部、印度洋東北部、大西洋西北部和西南部為變化幅度較大的區(qū)域。對(duì)利用不同的數(shù)據(jù)得到的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行比對(duì)分析，可以看出大部分地區(qū)二者的差異在-3～3 cm之間，局部區(qū)域較大，如圖3所示。二者差異直方圖如圖4所示，統(tǒng)計(jì)可知-3～3 cm范圍內(nèi)的格網(wǎng)點(diǎn)數(shù)占總數(shù)的90%以上。由于WOA05數(shù)據(jù)集是多年的平均結(jié)果，沒有年際變化，而Argo數(shù)據(jù)有明顯的年際變化，利用這兩種數(shù)據(jù)計(jì)算出的結(jié)果也會(huì)具有一定的差異[8]。由以上分析可以，雖然利用不同數(shù)據(jù)分別計(jì)算出的比容海平面變化存在差異，但整體上具有一致性，可以驗(yàn)證利用Argo浮標(biāo)數(shù)據(jù)計(jì)算結(jié)果的正確性。

圖2 利用Argo浮標(biāo)數(shù)據(jù)和WOA05數(shù)據(jù)集得到的比容海平面變化

圖3 Argo數(shù)據(jù)與WOA05得到的比容海平面變化的差異

圖4 Argo數(shù)據(jù)與WOA05得到的比容海平面變化差異直方圖

按cos φ(φ為緯度)對(duì)月比容海平面變化進(jìn)行全球加權(quán)平均計(jì)算出各月平均比容海平面變化，如圖5所示。由圖5可看出，比容海平面變化具有明顯的特征，即以年為周期變化；而且兩種數(shù)據(jù)的計(jì)算結(jié)果具有較強(qiáng)的相似性，相關(guān)系數(shù)為0.82。

對(duì)全球月平均比容海平面變化的時(shí)間序列進(jìn)行分析，公式如下

式中，y為比容海平面變化；A為常數(shù)項(xiàng)；B為長(zhǎng)期趨勢(shì)項(xiàng)；t為時(shí)間；C為振幅；ω為周期；β為相位。

圖5 全球平均比容海平面變化曲線

計(jì)算的周期項(xiàng)為12個(gè)月，振幅為4.2 mm，相位為94.8°，長(zhǎng)期趨勢(shì)項(xiàng)為0.36 mm/a。將本文的處理結(jié)果與William Llover利用不同中心處理得到結(jié)果進(jìn)行比較，具體見表2。

表2 利用不同中心的Argo數(shù)據(jù)所得的處理結(jié)果

通過比較發(fā)現(xiàn)，利用SCRIPPS中心的Argo數(shù)據(jù)計(jì)算的結(jié)果在振幅、相位和長(zhǎng)期趨勢(shì)項(xiàng)都較為一致；另外，不同中心的Argo數(shù)據(jù)的計(jì)算結(jié)果也比較吻合，只是長(zhǎng)期趨勢(shì)項(xiàng)倡議較大[5，10]。

五、結(jié)束語(yǔ)

通過2005—2009年共60個(gè)月的Argo浮標(biāo)溫度、鹽度數(shù)據(jù)計(jì)算65°S—65°N范圍內(nèi)的比容海平面變化，結(jié)果表明比容海平面變化具有明顯的周年變化。與利用WOA05數(shù)據(jù)集計(jì)算的結(jié)果進(jìn)行比對(duì)，得出二者的差異基本在-3～3 cm范圍內(nèi)具有非常強(qiáng)的一致性；差異可能是由于WOA05數(shù)據(jù)不具備年際變化引起的[11]。利用SCRIPPS中心的Argo數(shù)據(jù)所得出的結(jié)果在振幅、相位、長(zhǎng)期趨勢(shì)項(xiàng)上與本文的結(jié)果都較為一致。各中心的結(jié)果在長(zhǎng)期趨勢(shì)項(xiàng)上具有較大差異，可能是由于各中心在處理數(shù)據(jù)時(shí)采用的算法和準(zhǔn)則不同，亦或是別的原因造成的，要探究造成該差異的真正原因仍需要作進(jìn)一步的研究。

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The Study of Steric Sea Level Variations by Using Argo Data

WU Di，TENG Chunjiang

P714

B

0494-0911(2014)07-0090-04

2013-07-04；

2013-07-16

吳 迪(1980—)，男，山東菏澤人，講師，主要從事工程測(cè)量及GPS方面的教學(xué)與研究工作。

吳迪，滕春江.基于Argo浮標(biāo)的比容海平面變化的研究[J].測(cè)繪通報(bào)，2014(7)：90-93.

10.13474/j.cnki.11-2246.2014.0234