海平面季节变化及比容贡献

第 31卷第 1期 2011年 1月 海 � 洋 � 测 � 绘 HYDROGRAPH IC SURV EY ING AND CHART ING V o l� 31, N o�1 Jan. , 2011 收稿日期: 2010�06�18; 修回日期: 2010�07�29 作者简介: 杨春辉 ( 1982�), 男,山东栖霞人, 助理工程师,硕士研究生,主要从事海平面变化研究。 海平面季节变化及比容贡献 杨春辉,郎咸瑞,许春艳,王振峰 (东海舰队 水文气象中心 ,浙江 宁波 � 315122) � � 摘要: 比容模型计算的带状平均海平面高度异常变化与高度计观测的海平面异常相符的很好,在南北半球都 显示了较强的季节信号。热膨胀对大尺度平均海平面季节变化起了很大作用, 尤其当对纬度带状区域取平均时, 在某些纬度带比容的贡献率达 80%以上, 甚至其决定的高度相当于或超过了高度计的观测。而在高纬和低纬地 区, 振幅和相位都有较大的差别。同时通过比容模型计算的 3月份海面高度异常在全球大部分区域也可以很好地 表现出 TOPEX /Pose idon、Jason�1的观测。 关键词: 海平面季节变化;高度计; SODA; 比容 中图分类号: P714+ �1� � � 文献标识码: B� � � 文章编号: 1671�3044( 2011) 01�0047�03 1� 引 � 言 全球海平面变化主要有两个原因。一个是由地 球系统水循环造成的海水总质量的变化, 包括结冰 融冰, 大气和陆地通过蒸发、降水和表面径流的质量 交换等。另一个是海水密度的变化, 主要是由温度 和盐度变化引起的,通常称为比容效应,这其中以温 度引起的比容变化 为主。 Chen 等 ( 1998 ) 和 M inster [ 4]等 ( 1999)使用 1994年世界海洋地图集 (WOA94)中的海洋温度数据研究了全球海平面变 化的比容贡献 [ 3- 4]。 Chen[ 5] 等 ( 2000 )同时使用 WOA94和卫星 SST观测数据计算了不同空间尺度 的比容海平面变化 [ 5]。这些研究只讨论了全球平 均比容效应, 本文将用简单海洋数据同化系统 ( SODA )温度场资料估计不同区域,包括各纬度带、 半球和全球范围的比容海平面变化, 结果将和对应 的 TOPEX /Poseidon( T /P )、Jason�1卫星高度计观测 的海平面异常进行比较, 以期较好地认识海平面季 节变化和比容贡献。 本文的海表面高度异常资料是从法国国家空间 研究中心的卫星海洋学存档数据中心 ( AV ISO )下 载,温度场数据是从马里兰大学的数据中心下载 SODA version1�4�3, 垂直方向取其中 11层 ( 5, 25, 46, 70, 96, 129, 171, 229, 317, 456, 729m )的温度场 数据, 所取 SODA资料和 T /P、Jason�1海表面高度异 常资料在时间上是同步的, 都是从 2000年 1月到 2004年 12月,数据格式为 NC格式。 2� 海表面高度异常及绘图比较 2�1� 海水的体积热膨胀系数及比容海平面的计算 如果某层海水的厚度是 H,平均温度是 T,平均 压力是 P, 则比容海平面变化 �H 是: �H = C (T, P ) ��T �H ( 1) 式中, C为体积热膨胀系数,总比容海平面高度变化 即将 11层变化简单地相加。温度变化值 �T ( �, , i, t)为各层 ( i)、各点 ( �, )、各月 ( t)的温度值减去 对应层的 5年平均值。 �H (�, , t) = 11 i= 1 C (T i, P i ) ��T ( �, , i, t) �H i ( 2) 2�2� 比容海表面高度异常与 T /P测量结果的比较 T /P观测和比容模型估计在全球平均海平面异 常 (M SLA )变化相位和振幅上的不同表明, 这两种 测定有一个系统性的差别。最主要的原因可能是海 洋、大气、陆地的水循环 (包括结冰与融冰 )导致的 水量重分布对 T /P观测的全球 M SLA变化有很大的 影响, 而这在比容模型估计中并未考虑。文献 [ 3] ~ [ 4]的研究表明,陆地水贮存变化和大气水蒸 发波动可以导致全球 M SLA大约 1cm的变化。 图 1~ 2分别显示了北、南半球每 10!纬度带的 带状平均海平面异常变化, 其中实线为 T /P 和 Jason�1的观测,虚线为比容模型计算的结果。从T /P 的观测可以看出大部分纬度带存在强季节变化,特别 是北半球,在 20!N ~ 50!N之间的季节变化尤其明显, 海 � 洋 � 测 � 绘 第 30卷 其变幅约为 5~ 6cm。南半球的 20!S~ 40!S区域有 较强的季节信号,振幅约为 3~ 4cm。北半球海平面 高度的最大值和最小值分别发生在 9月和 3月,南 半球的相位正好相反。在环南极区域和热带区域的 季节变化振幅则很小,甚至消失。根据前面讨论的 热膨胀模型计算的比容海表面高度异常 (虚线 )在 南北半球也显示了较强的季节信号, 北半球的季节 振幅较大,约为 3~ 5cm,南半球约为 2~ 4cm。模型 计算的带状平均比容海平面高度异常变化与 T /P 的观测相符的很好, 例如在北纬 30!N ~ 40!N纬度 带, T /P观测和模型估计都显示很强的季节振动,且 有相同的相位 ( 3月最低, 9月最高 )。比容模型的 结果和 T /P观测结果在一些区域有较大的不一致, 尤其在南半球,主要是因为南半球海水温度的测量 较稀少。例如 SODA同化了 WOA94资料, 该资料 来自于 XBT、M BT、CTD和传统的漂流瓶测量获得的 440万个历史现场温度剖面数据, 大约只有 50万个 在南半球, 1万个在南纬 40!以南海域。 图 3显示了南北半球和全球的平均海平面异常 变化。从实线条 ( T /P和 Jason�1观测 )可以看出南 北半球的海平面变化基本反向,并且都有着明显的 周年变化,且幅度较大, 北半球约为 3cm, 南半球约 为 2cm; 而全球平均后, 海平面的变化幅度很小, 看 不到明显的周年变化,位相与北半球较相似,但很不 明显。全球和半球的比容高度也绘于图 3中 (虚 线 )。北半球比容高度比 T /P的测量小, 南半球的 二者则相当。全球平均的比容海平面高度振幅不是 很明显,位相基本与 T /P和 Jason�1的相反。 图 3� 南北半球和全球平均海平面异常变化 图 4( a) ~ 4( b)分别显示了据 SODA温度场资 料计算的和 T /P、Jason�1观测的 2000~ 2004年 5年 平均的三月份全球海面高度异常。从图中可以看出 比容模型的估计在大部分区域可以很好地表现出 T /P、Jason�1的观测,如二者在赤道东太平洋的海表 面高度都异常的低。 48 第 6期 杨春辉,等 � 海平面季节变化及比容贡献 2�3� 温度变化决定比容海面高度变化 温度变化是比容海面高度变化的最主要原 因, 从 T /P测量和比容模型估计获得的海平面高 度异常变化都表明了北半球比南半球有更强的季 节信号,这也与表层温度的变化相似。大洋表层 温度的年变化,主要受制于太阳辐射的年变化, 年 变幅也因海域不同以及海流性质、盛行风系的年 变化和结冰融冰等因素的变化而不同。赤道海域 表层水温的年变幅小于 1∀ ,这与该海域太阳辐射 年变化小有直接的联系; 极地海域表层水温的年 变幅也小于 1∀ , 这与结冰融冰有关。因为当海水 结冰时,释放出大量的结晶热, 在结冰后, 由于海 冰的热传导性差,防止热量的迅速散失, 所以减缓 了水温的降低; 夏季, 由于冰面对太阳辐射的反 射, 以及融冰时消耗大量的熔解热,因此减小了水 温的增幅。年变幅最大值发生在副热带海域, 如 大西洋的百慕大群岛和亚速尔群岛附近, 在湾流 和拉布拉多寒流与黑潮和亲潮之间的交汇处年变 幅最大,这主要由于太阳辐射和洋流的年变化引 起的。此外, 北半球大洋表面水温的年变化较南 半球大,还与盛行风的年变化有关,北半球冬季来 自大陆的冷空气,大大地降低了海面温度; 而南半 球对应的海域, 由于洋面广阔及径向洋流不像北 半球那样强, 故年变幅较小。 图 5中可以看出赤道和高纬地区的年变幅较 小,而副热带海域的年变幅最大。这些特征都与前 面 T /P观测的海平面高度异常变化相似。 图 5� 2004年 SODA全球 5m层海水温度的差分布图 3� 结束语 本文研究的只集中于大尺度海洋的海平面季 节变化,所取的大尺度纬度带平均也在文中插图 对比中很好的反应了海平面异常变化的温度比容 效应。 � � 温度比容效应是 T /P观测到的季节性海平面 高度异常变化的主导因素, 特别是在中纬度带状区 域, 比容的贡献率达 80%以上。T /P的观测和比容 模型的计算结果在一些区域有不一致,尤其是取全 球平均时,最主要的原因可能是缺乏准确的海洋各 层次上的温度观测资料, 而温度变化引起的比容海 平面变化主要依赖于所有深度层 (主要是混合层 ) 的现场观测资料。另外, 大气、海洋和陆地的水交 换, T /P的地球物理订正, 以及比容估计的误差等因 素都可能影响了结果的精度。 结果表明在决定季节比容海平面高度上, 历史 现场观测数据和卫星数据及它们的同化资料都很有 用。如果可以通过独立的技术将海水质量变化信号 剔除,那么卫星高度计测量将使对海洋比容海平面 和热贮存量有更好的理解, 而后者对全球气候变化 有重要作用。 参考文献: [ 1] � 颜 � 梅, 左军成,傅深波, 等.全球及中国海海平面变化 研究进展 [ J].海洋环境科学, 2008, 27( 2): 197�200. [ 2] � 颜 � 梅. 全球海平面变化的热力学机制研究 [ D ]. 青 岛:中国海洋大学 , 2008. [ 3] � C hen JL, W ilson CR, Cham bers D P, et a l. S easona l g loba lw ate rm ass ba lance and m ean sea leve l v ar ia tions [ J] . G eophy sica l R esearch Le tters, 1998, 25 ( 19 ) : 3555�3558. [ 4] � M inste r JF, C azenaveA, Se rafniV, et a l. Annua l cy cle in m ean sea lev el from TOPEX /Po se idon and ERS�1: inference on the g lobal hydro lo g ica l cy c le [ J]. G loba l and P lane tary Change, 1999, 20( 1): 57�66. [ 5] � C hen JL, Shum CK, W ilson CR, et a l. Seasona l sea lev e l change from TOPEX /Po se idon observ ation and therm a l contr ibution[ J] . Journa l o f G eode sy, 2000, 73 ( 12): 638�647. [ 6] � C arton JA, Chepur in G, C ao XH, et a l. A Sim ple Ocean Da ta A ssim ila tion ana ly sis of the g loba l upper ocean 1950�95. Par t I: M e thodo lo gy [ J]. Journa l o f Phy sica l Oceanography, 2000, 30( 2): 294�309. [ 7] � C arton JA, Chepur in G, C ao XH, et a l. A Sim ple Ocean Da ta A ssim ila tion ana ly sis of the g loba l upper ocean 1950�95 Pa rt II: re sults [ J ]. Journa l o f Phy sica l Oceanography, 2000, 30( 2): 311�326. [ 8] � 张建立. 全球海平面变化规律及比容变化的影响 [ D ]. 青岛:中国海洋大学, 2006. (下转第 57页 ) 49 第 1期 孙庆祥,等 � 电子海图在海上油田安控系统中的应用 The Application of E lectron ic Chart on Security Contro l Sy stem of O il F ield SUN Q ing�x iang1, QU Jia�bo2 ( 1�92941T roops, Huludao, L iaon ing, 125001; 2� Infrastructure D epartm en t o f L iaoyang B ranch Com pany, L iaon ing Prov ince Pow erG rid Co. LTD. , L iaoyang, L iaon ing, 111000) � � Abstrac :t A ccord ing to the actual request of the o ffshore o il f ield developm en ,t th ispaper discussed how to design and realize the in tegration in fo rm ation operation p latfo rm w ith M apX and 3G ( G PS, G IS and G PR S) based on the princip le and com posing o f of fsho re o il field security contro l sy stem. The security con tro l system can prov ide rem o te m on ito r and attem perm en t and security con tro l for off shore o il f ield operation and sh ipp ing. It can insure the operation safety and enhance the sh ipp ing ef ficiency. Key wo rds: electron ic char;t security con tro l system; M apX; an im ation layer (上接第 49页 ) Seasona l Sea Leve l Changes and the Steric Contribution YANG Chun�hu,i LANG X ian�ru,i XU Chun�yan, W ANG Z hen�feng (Hydro log ical andM eteo ro log icalC en ter, The N avy F leet of the East Sea, N ingbo, Z hejiang, 315122) � � Abstrac:t The band m ean sea level anom aly changes ca lcu lated by the steric m odel m atch altim eter observations very w el,l show ing a strong seasonal signal in the northern and southern hem ispheres. Therm al expansion p lay s am ajor ro le in seasonal variation of large�scalem ean sea leve,l especially when averaging on the latitude strip area, the con tribu tion o f the steric can be m o re than 80% , and even be equal to o r m o re than altim eter observations in certain latitudes. W hile at h igh latitudes and low er latitudes, the amplitude and phase have larger d ifferences. In the m ajo rity o f the w orld, the sea surface he ight anom alies calcu lated by the steric m odel also perfectly describe observations o f TO PEX /Poseidon and Jason�1 in M arch. Key wo rds: seasonal sea level change; altim eter; SODA; steric 第二届 #海洋测绘 ∃ %优秀作者 &名单 为感谢广大作者对#海洋测绘 ∃的支持和厚爱, 鼓励作者积极投稿, 本刊编辑部在 2008年进行 了首届 %优秀作者&评选活动。按照本刊 2010年工作,根据 2008~ 2010年作者投稿总数、被采 用篇数、质量及论文格式化等标准,评选出第二届 %优秀作者 &5名。分别是: ( 1) 李厚朴:海军工程大学导航工程系,博士研究生; ( 2) 刘基余:武汉大学测绘学院,教授; ( 3) 暴景阳:海军大连舰艇学院海洋测绘科学与工程系,教授; ( 4) 刘胜旋:广州海洋地质调查局资料处理研究所,高级工程师; ( 5) 李二森:解放军信息工程大学测绘学院,博士研究生。 本刊编辑部对以上获奖作者表示祝贺和感谢! 将为其颁发 %优秀作者 &证书, 并给予适当的 奖励。 #海洋测绘∃编辑部 二〇一〇年十二月二十七日 57