基于GRACE重力卫星资料和验潮站数据的南极海平面变化分析与研究

杨军

简要介绍南极冰盖消融和南极海平面变化的现状及其影响，基于德克萨斯州大学奥斯汀分校提供的GRACE全球质量变化时间序列，以及平均海面常设业务处（PSMSL）提供的南极验潮站月均数据，得到南极冰盖质量和南极区域海平面的长期变化。结果表明，2002～2017年间，南极洲冰盖质量变化速率为-92.4±11.5Gt/a，对全球海平面变化的贡献为-0.256±0.03mm/a；南极区域海平面从2002～2012年间，上升速率为3.6mm/a；对于南极局部区域的计算表明，南极冰盖质量与海平面变化呈现负相关关系，相关系数为-0.77。

1 引言

海平面变化与人们的生活密切相关，冰川减少、海平面上升，这些看似与普通人没有关系，但它带来的是极端天气的增加。据报告统计，从上世纪50年代开始，地球上的极端天气就已开始增多，包括强降雨、热浪、洪水、干旱等，正不断给人类带来灾害。

海平面变化是全球气候变化的一个重要部分，极地冰层被公认为是全球气候变化研究中极为敏感和关键的区域，对全球海平面变化的贡献越来越显著，特别是南极和格陵兰冰体流动造成的变化是海平面上升预估不确定性的一个主要原因。海平面在过去一个世纪的上升速率达到了1.7mm/a[1]，在1993～2003年间，海平面上升速率为2.4inm/a， Cazenave等估计南极冰盖在2003-2008年期间平均每年物质流失（198±22）Gt[2]，如果南极冰盖全部融化，将使海平面上升56.6m。

目前对于南极冰盖质量变化，主要使用重力反演与气候实验（GRACE）卫星精确测量冰盖的重力场变化，从而获得冰盖质量的变化[3]；而对于海平面高度的变化，则依赖于各地的验潮站数据，本文所使用的即为这两种数据。国内外基于GRACE和验潮站数据进行海平面变化的研究已有一定历史，但针对南极区域的却有所缺乏，因此本文特将相关方法用于南极区域，初步分析和研究其海平面的变化情况。

2 数学模型

本文在GRACE和验潮站数据的预处理以及分析中，用到了许多数学模型，这里着重介绍利用GRACE数据得到等效水柱高时所使用的月重力场反演模型。根据Wahr等（1998）的理论，GRACE重力场模型能够反演得到地球表面质量薄层上任意一点的面密度变化：

其中，θ和Φ分别为地心余纬和东经，a为地球平均半径，ρavg为地球平均密度，1和m为阶次，Pm为正规化的连带勒让德函数，k1为载荷勒夫数，ΔC1m和ΔS1m分别为时变重力场模型的无量纲正规化球谐系数。质量变化的结果通常以等效水柱高Hw（θ，Φ）表示： Hw（θ，Φ）=Δσ（θ，Φ）/ρw，其中ρw为水密度。

3 数据处理与分析

3.1 南极GRACE重力数据

本文采用的GRACE数据为德克萨斯州大学奥斯汀分校公布的经过初步处理的RL05月重力场模型数据，数据的时间分布范围是2002～2017年，空间分辨率为0.5°×0.5°。对比RL04数据，RL05所反映的信號没有改变，但是精度有显著的提高，降低了条带误差。所有月重力场模型球谐系数截断到60阶，并且扣除了非潮汐大气、高频海洋信号、固体潮等的影响。受GRACE卫星轨道设计的制约，模型中球谐系数C20项解算精度较低，因此用SLR所解算的C20项替代。

在去除了干扰因素并进行误差改正后，得到了南极冰盖质量变化时间序列。图一、图二分别为2002年和2017年南极冰盖的等效水柱高，图三为2017年等效水柱高减去2002年的差值。从图一图二可以看出，南极冰盖等效水柱高从2002～2017年间明显的减少，这表明南极冰盖一直以来处于消融状态，其陆地冰川质量正在逐年减少；从图三中可以看出，南极北部区域的冰盖质量基本处于稳定状态，冰川消融主要集中在南部区域，特别是西南区域的近海冰川在过去的16年中呈现出急剧消减的趋势。

更进一步，求取整个南极冰盖的等效水柱之和，其变化曲线如图四所示。可以明显的看出，南极冰盖从2002到现在一直处于消融状态。由等效水柱高可以计算得到南极冰盖的等效变化质量，其质量变化速率为-92.4±11.5Gt/a，相当于海平面上升速率0.256±0.03mm/a.而海平面在过去一个世纪的平均上升速率为1.7mm/a，南极冰盖消融对海平面变化的影响达到了15%。

3.2 南极验潮站数据

验潮站数据来自PSMSL。虽然几个世纪以来，全球范围内许多机构收集了大量的验潮站数据，其空间分布广泛而密集，时间覆盖范围大，但是对于南极区域的海平面记录却十分欠缺。因此考虑到数据的完整性和时间跨度的要求，本文仅选取了两个验潮站点（其位置如图八所示），代表南极局部区域的海平面高度变化。从前文的分析我们得知，南极的冰盖消融主要集中在南部区域，因此选择这两个站点能够便于验潮站和重力数据的联合分析。

在对验潮站数据进行缺失数据插值补全后，用两个验潮站的平均值作为研究区域的海平面变化，其变化曲线如图五所示。图五代表的是选择区域2002～2012年间海平面高度月变化，其呈现出明显的季节和年际变化周期。

进一步的，计算出选择区域海平面高度的年际变化曲线（图六）。可以看出选择区域2002～2012年间，海平面高度呈现出上升的趋势，其上升速率为3.6mm/a。

3.3 GRACE数据与验潮站数据联合分析

由于影响海平面高度变化的一个重要因素是陆地冰川的消融，而其中南极冰盖的影响最大。因此利用GRACE得到的南极冰盖质量变化数据和验潮站数据，可以分析南极冰盖消融与海平面高度变化之间的关系。为了使两者数据完整且匹配，数据的时间范围选择2003～2012年。同时，为了保证分析结果的有效性，重力数据选择与验潮站临近的汇水区域。图七为利用南极DEM数据计算出的南极汇水区域，然后选择距离验潮站最近的汇水区域作为研究区（如图八所示）。

为了研究冰盖质量变化与海平面高度的相关性，在对数据进行矫正和补全之后，分别对得到的等效水柱与验潮站数据进行归一化处理，处理后的年际变化趋势图如图九所示。

可以看出，研究区域的冰盖质量变化与海平面高度变化呈现出负相关性，利用相关性计算方法可以得到其相关系数为-0.77，表明两者有较强的相关性。

全球变暖是当今世界面临的最大的气候问题之一，其带来的最直接的影响就是冰川的融化和海平面的上升，其对人们的生活和人类的发展有着不可轻视的影响。本文采用GRACE重力数据得出南极冰盖质量在2002-2017年的变化，其变化速率为-92.4±11.5Gt/a，利用验潮站得到的南极海平面高度在2002-2012年间的上升速率为3.6mm/a；通过进一步的分析，得出这两者之间存在较强的相关性，这表明南极冰盖的消融是南极乃至全球范围内海平面常年上升的一个重要原因，这也说明了遏制全球气温变暖，阻止冰川消融是全世界的当务之急。

参考文献

[1]张栋，孙波，柯长青，等.南极冰盖物质平衡与海平面变化研究新进展[J].极地研究，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，陆洋，张子占，等.GRACE重力卫星探测南极冰盖质量平衡及其不确定性[J].地球物理学报，2015， 58（3）：780-792.