基于Argo浮標的比容海平面變化的研究

吳 迪，滕春江

(1.陜西鐵路工程職業技術學院測繪工程系，陜西渭南 714000；2.陜西鐵路工程職業技術學院就業處，陜西渭南 714000)

基于Argo浮標的比容海平面變化的研究

吳 迪1，滕春江2

(1.陜西鐵路工程職業技術學院測繪工程系，陜西渭南 714000；2.陜西鐵路工程職業技術學院就業處，陜西渭南 714000)

通過對2005—2009年的Argo浮標溫度、鹽度數據的分析計算，得出65°S—65°N比容海平面具有明顯的周年變化的規律。與WOA05所得的結果進行比較，得出二者月平均比容海平面變化差異大部分地區為-3～3 cm。對比容海平面變化的時間序列進行分析，得出比容海平面的振幅為4.2 mm，相位為94.8°，長期趨勢項為0.36 mm/a，與William Llover利用Scripps中心所得的處理結果較為一致。

Argo；比容海平面；WOA05；GRACE；衛星測高

一、引 言

溫度和鹽度變化導致的海水擴張或收縮會引起海平面變化，稱為比容海平面變化；海水質量的重新分布或海水質量變化也能引起海平面的變化，如全球性水循環或南極冰蓋的消融。目前，研究比容海平面變化的方法主要有兩種：①利用衛星測高和衛星重力數據，通過衛星測高獲取總海平面變化，而由GRACE重力衛星的時變重力場數據反演獲得的是因海水質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利用觀測的海水溫度、鹽度數據計算比容海平面變化，Argo觀測網建立以前，較大區域或全球范圍內難以獲得大量的實測數據，因此本方法應用較少，但目前隨著Argo觀測網的建成，可以大范圍、動態地獲取海水溫度、鹽度資料，為研究全球比容海平面變化提供了豐富的數據。

國內外很多學者分別利用不同數據和方法對比容海平面變化這一熱點問題進行了研究。Chambers[1]、Cazenave[2]等利用Jason-1和GRACE數據研究了比容海平面的變化，得出海平面上升速度、海水質量變化的相關結論。William Llover[3]綜合利用測高數據計算總的海平面變化，利用GRACE和Argo浮標數據研究全球或區域海平面變化，證實了在不同處理中心Argo浮標處理所得的比容海平面變化在振幅和相位上較為一致。國內一些學者也進行了跟蹤研究，常金龍[4](2007年)和蔣濤[5](2010年)等利用Jason-1和GRACE數據分析了比容海平面變化，驗證了聯合利用測高和GRACE重力數據研究比容海平面變化的可行性。

二、Argo全球海洋觀測網計劃

1998年，美國等國家的大氣、海洋科學家提出了“Argo全球海洋觀測網計劃[5]”，計劃在全球大洋以3°×3°的空間分辨率布設共計3000個Argo剖面浮標。直至2007年才基本達到了設計的浮標布設密度，主要分布在65°S—65°N的范圍內，部分年Argo浮標的全球分布如圖1所示。我國2001年正式加入該計劃，已經在太平洋、印度洋等海域共投放89個Argo浮標，其中48個仍在正常工作。

自沉浮式剖面探測浮標作為一種海洋觀測平臺，因首先應用在國際Argo計劃，故又稱之為Argo浮標，是專門用于海洋次表層溫、鹽、深剖面測量的儀器。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。到達預訂時間儀器自動上浮至水面，在此過程中進行溫度、鹽度剖面等測量，然后將觀測數據傳送給用戶。

三、溫、鹽數據計算比容海平面的方法

1.溫、鹽數據計算比容海平面變化

沿海水柱體對海水密度變化求積分，可計算任意位置處的比容海平面的變化

圖1 全球Argo浮標分布

可依據海水溫度、鹽度、壓力等計算海水的密度，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、標準海水密度和海水割線模量；其余符號意義同式(1)；ρ(S，T，0)等的計算見文獻[7]。

2.Argo浮標數據介紹

本文利用Argo實時資料中心提供的Argo浮標數據進行比容海平面變化的研究，產品的分辨率為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個月的數據。

表1 Argo浮標格網化數據分層 m

3.WOA05海洋數據集

WOA05(world ocean atlas 2005)海洋模型是由美國海洋數據中心(NODC)發布的一套分析氣候領域的數據集合，包括海洋溫度、鹽度、溶解氧、磷酸鹽、硅酸鹽等參數。為驗證上述Argo浮標數據的計算結果，引入WOA05數據集。月、季度和年3種平均場數據均包含在本數據集合中，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溫度和鹽度數據，24層深度數據，分層標準與Argo格網數據分層標準相同。

四、比容海平面變化分析

本文利用WOA05數據集計算了12個月的比容海平面變化，利用Argo數據計算了5年中65°S—65°N范圍內的比容海平面變化，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域。對利用不同的數據得到的計算結果進行比對分析，可以看出大部分地區二者的差異在-3～3 cm之間，局部區域較大，如圖3所示。二者差異直方圖如圖4所示，統計可知-3～3 cm范圍內的格網點數占總數的90%以上。由于WOA05數據集是多年的平均結果，沒有年際變化，而Argo數據有明顯的年際變化，利用這兩種數據計算出的結果也會具有一定的差異[8]。由以上分析可以，雖然利用不同數據分別計算出的比容海平面變化存在差異，但整體上具有一致性，可以驗證利用Argo浮標數據計算結果的正確性。

圖2 利用Argo浮標數據和WOA05數據集得到的比容海平面變化

圖3 Argo數據與WOA05得到的比容海平面變化的差異

圖4 Argo數據與WOA05得到的比容海平面變化差異直方圖

按cos φ(φ為緯度)對月比容海平面變化進行全球加權平均計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；而且兩種數據的計算結果具有較強的相似性，相關系數為0.82。

對全球月平均比容海平面變化的時間序列進行分析，公式如下

式中，y為比容海平面變化；A為常數項；B為長期趨勢項；t為時間；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

計算的周期項為12個月，振幅為4.2 mm，相位為94.8°，長期趨勢項為0.36 mm/a。將本文的處理結果與William Llover利用不同中心處理得到結果進行比較，具體見表2。

表2 利用不同中心的Argo數據所得的處理結果

通過比較發現，利用SCRIPPS中心的Argo數據計算的結果在振幅、相位和長期趨勢項都較為一致；另外，不同中心的Argo數據的計算結果也比較吻合，只是長期趨勢項倡議較大[5，10]。

五、結束語

通過2005—2009年共60個月的Argo浮標溫度、鹽度數據計算65°S—65°N范圍內的比容海平面變化，結果表明比容海平面變化具有明顯的周年變化。與利用WOA05數據集計算的結果進行比對，得出二者的差異基本在-3～3 cm范圍內具有非常強的一致性；差異可能是由于WOA05數據不具備年際變化引起的[11]。利用SCRIPPS中心的Argo數據所得出的結果在振幅、相位、長期趨勢項上與本文的結果都較為一致。各中心的結果在長期趨勢項上具有較大差異，可能是由于各中心在處理數據時采用的算法和準則不同，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，主要從事工程測量及GPS方面的教學與研究工作。

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

10.13474/j.cnki.11-2246.2014.0234