2014, Vol. 29
在全球气候变化背景下，人们更为关注全球海平面的年际变化和长期趋势变化.随着卫星测高数据、GRACE卫星重力数据和全球Argo浮标实测温盐资料的积累，国内外学者开始在年际尺度上探讨比容海平面和海水质量变化在全球海平面变化中的贡献.理想情况下，GRACE观测的海水质量变化加上Argo浮标观测的比容海平面变化，应等于测高观测的全球总海平面变化.Lombard等(2007)的研究发现，2002-2006年，从测高中扣除GRACE观测的海水质量变化后得到的全球比容海平面上升速率为1.9±0.2 mm/yr，但是同时期基于Ishii温盐数据集计算的比容海平面却以-2.8±0.2 mm/yr的速率下降，即两种独立手段观测结果存在显著差异.Lyman等(2006)的研究也发现，2003-2005年的全球海洋热含量减少了3.2±1.1×1022 J，即热比容海平面自2003年以来持续下降了5 mm以上.然而，进一步的研究表明，Lombard等(2007)和Lyman等(2006)使用的温盐数据中存在系统误差，这是由于部分抛弃式深度温度计(XBTs)、机械式深度温度计(MBTs)和部分Argo浮标存在仪器偏差所导致的(Ishii and Kimoto， 2009; Willis et al., 2009).Willis等(2008)对Argo浮标数据进行重新校正后，再结合卫星测高和GRACE数据，计算了2003-2007年的海平面变化.其研究结果表明，卫星测高、GRACE和Argo三种独立观测结果，在季节尺度上吻合得较好，但在趋势变化上的差异较大，无法相互验证.其结果表明，GRACE和Argo观测的总海平面变化趋势为0.3±0.6 mm/yr，与测高观测的3.6±0.8 mm/yr差异显著.与Willis等(2008)的结果不同，Leuliette等(2009)计算得到2004-2007年卫星测高、GRACE和Argo观测得到的总海平面、海水质量和比容海平面的变化趋势分别为2.4±1.1 mm/yr、0.8±0.5 mm/yr和0.8±0.8 mm/yr.GRACE和Argo观测的总海平面变化趋势为1.5±1.0 mm/yr，与测高的结果比较一致.由于研究的时间段和数据处理方法不同，Willis等(2008)与Leuliette等(2009)的测高结果存在差异.此外，两者计算的比容海平面变化也存在显著差异.这主要是由于Willis等(2008)使用的2003-2004年的Argo浮标数据的全球覆盖率较低，同时两者使用的气候态温盐数据不一致.Cazenave等(2009)进一步研究了2003-2008年的海平面变化，发现卫星测高、GRACE和Argo三种独立观测结果在年际尺度上相互吻合.与其他研究者所采用的Paulson等(2007)计算的冰川均衡调整(GIA)模型不同(~1.0 mm/yr)，Cazenave等(2009)在考虑GIA对GRACE观测的改正时，采用了Peltier等(2009)给出的考虑地球自转回馈效应的GIA模型(~2.0 mm/yr).然而，Chambers等(2010)的研究表明，Peltier等(2009)的GIA模型中的全球质量不守恒且2阶1次球谐系数存在问题，而Paulson模型可以更好地用于改正GRACE数据.因此，Cazenave等(2009)过高地估计了海水质量变化的趋势，GRACE和Argo观测的总海平面变化趋势仍低于卫星测高的结果，即三种独立观测结果在年际尺度上仍不能相互吻合.近期的研究发现，近年的测高数据也存在问题.最新的Jason-1 GDR-C卫星测高数据较早期的GDR-B版本在数据处理和改正算法方面有所改进.利用改进的卫星测高数据计算 2003-2007年的海平面变化趋势较之前的结果减小了0.7 mm/yr(Chambers et al., 2010).Leuliette(2012)采用最新的测高数据得到2005-2011年的海平面变化趋势为1.6±0.8 mm/yr，与GRACE加Argo观测的1.2±0.9 mm/yr符合得很好.文汉江等(2012)利用2004-2010年的测高、GRACE和Argo资料也得到了类似的结论.
从以上的全球海平面变化研究进展可以发现，无论是实测温盐数据、GRACE卫星重力数据还是卫星测高数据，都可能存在较大的不确定性.只有联合三种独立观测手段，进行相互验证，我们才能得到较为可靠的全球海平面变化信息，进一步加深对海平面变化机制的理解.目前，GRACE数据处理中心已发布了最新的RL05数据.该版本数据较RL04数据有较大改进(Chambers and Bonin， 2012).全球Argo浮标观测的温盐数据自2005年以来已经覆盖了全球大部分海洋区域.结合国内外最新研究进展，本文采用卫星测高、GRACE卫星重力和Argo浮标温盐数据，对2005-2013年的全球海平面变化及其规律进行了研究. 1 数据处理 1.1 GRACE时变重力场数据
本文采用美国德克萨斯大学空间研究中心CSR(Center for Space Research，University of Texas at Austin)提供的2005年1月至2013年7月共98个月的GRACE level-2(Release 05，RL05)月重力场模型.数据为60阶正则化球谐系数，并扣除了非潮汐大气、高频海洋信号、各种潮汐、固体潮和固体极潮的影响(Bettadpur，2007).为了与经过反变气压计改正的卫星测高数据匹配，加回了GAD海洋大气模型，并扣除了大气质量在海洋上月平均值的时变部分(Kuo et al., 2008; Willis et al., 2008).
受GRACE卫星轨道设计和观测精度的制约，原始数据中的高阶球谐系数存在较大噪声，同时还存在南北方向的“条带”误差.为此，我们采取如下处理步骤：从球谐系数中，扣除该段时间的平均值；加回了卫星激光测距(SLR)观测的C20项(Cheng and Tapley， 2004)和Swenson等(2008)计算的地心改正项；采用了Chambers等(2006)提出的滑动窗口方法分别去除同一次的奇数阶和偶数阶球谐系数的相关性，减少“条带”误差的影响；使用300 km高斯平滑来降低高阶球谐系数的噪声(Jekeli，1981)；采用Wahr等(1998)提出的方法扣除陆地信号在海洋上的“泄漏”影响；最后将球谐系数转化为1°×1°的全球分布的等效水柱高变化(Wahr et al., 1998).我们利用Paulson模型扣除了地壳均衡调整(GIA)导致的大地水准面长期变化趋势(Paulson et al., 2007).受观测的地理分布限制，卫星测高和温盐实测数据限制在南北纬66°之间.为了保持一致，本文利用GRACE数据计算了南北纬66°之间的海水质量变化时间序列.
1.2 卫星测高数据
本文采用的卫星测高数据为法国AVISO(Archiving，Validation and Interpretation of Satellite Oceanographic)提供的格网化数据(MSLA)(Ducet et al., 2000).该数据融合了TOPEX/Poseidon、Jason-1/2和ERS等多颗卫星的测高资料.数据时间分辨率为7天，空间分辨率为1°×1°，时间跨度为2005年1月至2013年7月.数据经过了必要的标准改正，如电离层延迟改正、对流层干湿分量改正、固体潮和海潮改正、海洋负荷潮汐改正、极潮改正、电磁偏差改正、仪器改正和反变气压计改正等(Minster et al., 1999).我们对数据进行了必要的月平均.受地壳均衡调整(GIA)的影响，海洋盆地存在长期形变.为了扣除这部分影响，我们在测高得到的时间序列中加入了0.3 mm/yr的GIA改正(Chambers et al., 2010).为了使测高结果的空间分辨率与GRACE相匹配，我们对测高结果进行了300 km的空间高斯平滑处理. 1.3 Argo浮标数据
始于2000年的Argo计划在2007年11月达到其预定目标，即在全球布设超过3000个Argo浮标.Argo计划的实施极大地改善了温盐实测资料的全球分布，保证了南大洋有足够的温盐实测数据.本文采用了美国加州大学SCRIPPS海洋研究所、美国夏威夷大学国际太平洋研究中心(IPRC)和日本海洋地球科学技术中心(JAMSTEC)发布的格网化Argo资料.数据的时间分辨率为每月一值，空间分辨率为1°×1°，提供0~2000 m的三维温盐数据.由于早期Argo资料的质量和覆盖率较差，本文采用2005年以来的Argo数据来计算比容海平面变化，并取三家机构结果的平均值作为全球平均比容海平面变化时间序列的估计.为了与GRACE和测高结果进行比较分析，我们对利用Argo计算的比容海平面空间分布图也进行了300 km高斯平滑处理. 2 结果与讨论 2.1 全球海平面的周年变化
如图 1a所示，测高得到的全球海平面周年变化振幅较大的区域主要集中在全球主要的季节性海洋洋流地区.在太平洋北赤道暖流和赤道逆流、西北太平洋的黑潮、西北大西洋的墨西哥湾暖流、印度洋南赤道暖流和季风暖流等地区，海平面表现出明显的周年变化特征.这与Argo浮标观测的比容海平面周年变化特征基本一致(图 1c).在东南亚的泰国湾地区和澳大利亚北部的卡奔塔利亚湾地区，海平面也表现出强烈的周年变化，这与GRACE观测的海水质量周年变化特征一致(图 1e).从周年相位的地理分布上看，测高得到的全球海平面变化的周年相位表现出明显的南北半球季节性差异：北半球的海平面变化最大值一般出现在9-10月，南半球的海平面变化最大值一般出现在3-4月(图 1b).如图 1(d)所示，基于Argo温盐资料得到的比容海平面变化的周年相位与测高结果较为一致.如图 1(f)所示，GRACE观测的海水质量周年变化相位的空间分布在南北半球不存在明显的季节性差异，这主要是由于海洋对海水质量变化存在快速正压调整过程(Ponte，2006).
 | 图 1 2005-2013年，测高得到的海平面变化(a)周年振幅和(b)周年相位的地理分布，Argo数据得到的比容海平面变化 (c)周年振幅和(d)周年相位的地理分布，GRACE得到的海水质量变化的(e)周年振幅和(f)周年相位的地理分布Fig. 1 Geographic distribution of(a)amplitudes and (b)phases of annual sea level changes estimated from altimetry during 2005-2013，(c，d): Same as(a，b)，but for annual steric sea level changes estimated from Argo， (e，f): Same as(a，b)，but for annual ocean mass changes estimated from GRACE |
如图 2所示，我们进一步利用2005-2013年的卫星测高、GRACE卫星重力和Argo浮标数据，得到全球平均海平面变化、海水质量变化和比容海平面变化的时间序列.表 1给出了海平面变化不同分量的周年振幅和相位的统计信息.通过对三种独立观测手段得到的海平面变化结果的相互验证，我们可以发现：
(1)本文利用卫星测高计算的全球平均海平面变化与Willis等(2008)和Leuliette等(2009)的结果相比，在周年振幅上较为一致，在周年相位上存在一定差别.这与研究的时间段不同和测高数据来源不同有关.本文利用“GRACE+Argo”估计的总海平面变化的周年振幅则略大于测高观测的结果.
(2)由于使用的GRACE数据版本和时间段不同，本文基于GRACE数据计算的周年振幅略大于其他学者的早期结果.Chambers等(2004)利用测高和气候态温盐数据(WOA01)计算得到的海水质量周年变化与本文“测高-Argo”的结果符合得较好.全球平均海水质量变化在9月份达到最大.
(3)基于Argo资料得到的比容海平面周年变化的振幅和相位与Willis等(2008)和Leuliette等(2009)的结果较为一致.“测高-GRACE”得到的比容海平面变化在周年振幅上略大于基于Argo资料计算的结果，但两者的周年相位较为符合.全球平均比容海平面变化在3月底达到最大，与海水质量变化相位相反.
 | 图 2 2005-2013年，(a)测高和“GRACE+Argo”得到的全球平均海平面变化时间序列；(b)GRACE和“测高-Argo”得到的海水质量变化时间序列；(c)Argo和“测高-GRACE”得到的比容海平面变化时间序列Fig. 2(a)Global mean sea level changes estimated from altimetry and “GRACE+Argo”，(b)Ocean mass changes estimated from GRACE and “altimetry-Argo”，(b)Steric sea level changes from Argo and “altimetry-GRACE” during 2005-2013 |
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表 1 由测高、Argo和GRACE得到的不同海平面变化分量的周年振幅(mm)和相位(°).本文、Leuliette等(2009)、 Willis等(2008)和Chambers等(2004)的研究时间段分别为2005.1-2013.7、2004.1-2007.12、2003.7-2007.6和2002.8-2003.12. Table 1 Annual amplitudes and phases of different sea level change components estimated from altimetry，Argo and GRACE. The time periods of this study，Leuliette et al.(2009)，Willis et al.(2008)， and Chambers et al. (2004)are 2005.1-2013.7，2004.1-2007.12，2003.7-2007.6， and 2002.8-2003.12 respectively |
我们对测高、GRACE、Argo和“GRACE+Argo”得到的全球平均海平面年际变化时间序列，扣除其季节变化，并进行了三个月滑动平均，得到年际变化时间序列.如图 3所示，2005-2013年，测高得到的全球平均海平面年际变化与“GRACE+Argo”得到的结果十分一致，两者的相关性达0.98(95%置信水平).如图所示，2005-2009年的全球平均海平面上升趋势较为平稳，测高、GRACE和Argo观测到的海平面变化速率分别为1.9±0.4 mm/yr、1.0±0.4 mm/yr和0.8±0.5 mm/yr.2010年，海平面急剧下降了约6 mm，并与GRACE观测到的海水质量年际变化在相位和振幅上吻合.这主要是由于2010-2011年强烈的La Nia现象导致了陆地水总量增加，海水质量则相应减少(Boening et al., 2012).2011年以来，全球平均海平面又呈快速上升趋势，测高、GRACE和Argo观测到的海平面变化速率分别为7.2±1.1 mm/yr、5.3±1.2 mm/yr和2.4±1.5 mm/yr.综合以上结果可以发现，在年际尺度上，比容海平面变化和海水质量变化对总海平面变化的贡献比例是随时间变化的.在年际尺度上，2005-2009年，海水质量变化和比容海平面变化对全球平均海平面变化的贡献基本相当；2010年以来，海水质量的增加对海平面上升的贡献占主导.
 | 图 3 2005-2013年，卫星测高、GRACE和Argo观测得到的全球平均海平面变化、海水质量变化和比容海平面变化.海水质量变化与比容海平面变化之和(“GRACE+Argo”)与测高结果在年际尺度上符合得很好(相关性为0.98).季节信号已从时间序列中扣除，并做了三个月的滑动平均.为了便于比较，我们对测高和“GRACE+Argo”的结果进行了向上平移Fig. 3 Time series of altimetry-derived global mean sea level changes，Argo-based steric sea level changes and GRACE-derived ocean mass changes during 2005-2013. Global mean sea level changes estimated from “GRACE+Argo” agree well with altimetry-derived result rather(correlation=0.98). Seasonal cycles are removed and a 3-month boxcar smoothing is applied to the time series. The time series based on altimetry and “GRACE+Argo” are shifted for legibility |
2005-2013年，测高得到的全球平均海平面变化趋势为2.6 ± 0.2 mm/yr；GRACE观测到的海水质量变化趋势为1.7±0.2 mm/yr；Argo浮标资料得到的比容海平面变化趋势为0.7±0.2 mm/yr.测高得到的总的海平面变化趋势中有约2/3可以由GRACE观测得到的海水质量变化解释，其余部分可以由比容海平面变化解释.“GRACE+Argo”得到的全球平均海平面变化趋势为2.5±0.3 mm/yr，与测高观测的结果一致.在年际尺度上，卫星测高、GRACE卫星重力和Argo浮标资料等三种独立观测手段计算的全球海平面变化相互吻合.
图 4a进一步给出了测高得到的2005-2013年全球海平面变化趋势的地理分布.如图所示，尽管全球平均海平面呈上升趋势，但在地理分布上存在较大差异.在西太平洋暖池、黑潮和印度洋东部等地区，海平面呈显著上升趋势.但是在太平洋东南海域和赤道东太平洋等地区，海平面则呈下降趋势.比较图 4a和图 4b可以发现，基于Argo数据计算得到的比容海平面变化趋势与卫星测高的结果在空间分布上具有很好的一致性，但大部分区域的趋势估计值低于测高结果.如图 4c和图 4d所示，“测高-Argo”得到的海水质量变化趋势的空间分布与GRACE观测结果具有较大差异.例如，GRACE在太平洋北半球大部分海域观测到的海水质量增加信号，在“测高-Argo”的结果中并不显著.图 4(d)还清楚地揭示了由于2004年苏门答腊地震和2011年日本东北地震导致的重力长期变化信号(Han et al., 2006; Matsuo and Heki， 2011).这一地震引起的固体地球的重力变化信号与海水本身的质量变化信号无关.此外，虽然我们利用Wahr等(1998)提出的方法对陆地信号在海洋上的“泄漏”进行了修正，但是在格林兰岛和南极半岛周边海域，仍存在较大的陆地信号“泄漏”.这些信号也不是真正的海水质量变化信号.在太平洋东南海域，GRACE观测到了明显的海水质量减少信号，这与“测高-Argo”的结果在地理分布上是一致的.需要说明的是，由于受到测高数据和温盐数据覆盖范围的限制，在高纬度地区的海水质量变化信号无法从“测高-Argo”结果中获得.
 | 图 42005-2013年，(a)卫星测高得到的海平面变化趋势分布；(b)Argo数据得到的比容海平面变化趋势分布；(c)“测高-Argo”和(d)GRACE得到的海水质量变化趋势分布 Fig. 4 Geographic distribution of(a)total sea level trend from altimetry，(b)steric sea level trend from Argo data， and ocean mass change trend from(c)steric-corrected altimetry and (d)GRACE during 2005-2013 |
我们采用2005-2013年的卫星测高、GRACE卫星重力和Argo浮标数据，对全球海平面变化及其规律进行了研究.研究结果表明：
(1)在季节尺度上，卫星测高、GRACE卫星重力和Argo浮标资料无论是空间分布还是时间序列均吻合得较好.在空间分布上，卫星测高观测的海平面变化与Argo观测的比容海平面变化，在周年振幅和相位上具有很好的一致性，且与全球季节性海洋洋流特征一致.比容海平面变化的周年相位在南北半球相反：南半球在3-4月份达到最大，北半球在9-10月份达到最大.与比容海平面不同，海水质量变化的周年相位在全球较为一致，一般在9-10月份达到最大.海水质量周年变化较大的地区主要集中在泰国湾和卡奔塔利亚湾等浅海地区；
(2)在年际尺度上，比容海平面变化和海水质量变化对总海平面变化的贡献比例是随时间变化的.2005-2009年，海水质量变化和比容海平面变化对全球平均海平面变化的贡献基本相当.2010-2011年强烈的La Nia现象导致全球海平面下降了 6 mm左右，这与GRACE观测到的同期海水质量减少相一致.2011年以来，全球平均海平面又呈快速上升趋势，且以海水质量的贡献为主.2005-2013年，测高、GRACE和Argo得到的总海平面变化、海水质量变化和比容海平面变化的趋势分别为2.6±0.2 mm/yr、1.7±0.2 mm/yr和0.7±0.2 mm/yr，质量引起的海平面变化约占总变化趋势的三分之二；
(3)2005-2013年，GRACE观测的海水质量变化趋势的地理分布与“测高-Argo”结果仍存在较大差异.这说明，目前对海水质量变化趋势的地理分布的估计仍存在较大的不确定性.这与目前GRACE卫星的空间分辨率和观测精度无法与测高结果相匹配有关.这仍有待于未来重力卫星计划提供更高时空分辨率的全球重力场结果来进行验证分析.
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