非潮汐海洋負荷對廣東地區大地高變化的影響

王偉平 王 偉 歐陽永忠 陳振宇 柯寶貴

1 自然資源部海洋環境探測技術與應用重點實驗室,廣州市新港中路353號,510300 2 國家海洋局南海調查技術中心,廣州市新港西路155號,510300 3 中國測繪科學研究院,北京市蓮花池西路28號,100036

海洋變化對近海地面高程變化的影響一般包括海潮負荷和非潮汐海洋負荷。海潮負荷對測站位移的影響在某些沿海地區可達數cm[1]。非潮汐海洋負荷是由地表風動力、熱量、濕度和大氣壓變化等環境因素導致的海水質量遷徙造成的負荷。Zerbini等[2]在CORS站的垂向時間序列中發現非潮汐海洋負荷的影響,并且采用格林函數方法,利用ECCO(estimating the circulation and climate of the ocean)海底壓力模型計算該影響,計算結果和觀測結果具有高相關性。Williams等[3]研究非潮汐海洋負荷和大氣負荷對GPS大地高的影響,提出用高分辨率的模型來改正非潮汐海洋負荷對GPS大地高的影響。周伯燁等[4]利用ECCO海底壓力模型數據研究非潮汐海洋負荷對近海岸IGS測站坐標時間序列的影響。Munekane等[5]利用海面變化研究赤道太平洋地區的非潮汐海洋負荷影響。還有部分學者利用海底壓力數據對地面負荷形變進行計算,獲得某些CORS站點的海洋非潮汐負荷形變,同時分析其在GPS非構造形變中的貢獻[6-8]。

目前多采用ECCO海底壓力模型數據計算非潮汐海洋負荷對形變的影響。但由于ECCO海底壓力模型中的誤差難以定量,會帶入形變分析中[9],而且ECCO和OMCT(ocean model for circulation and tides)2種海底壓力模型由于采用不同的海底地形模型,導致差別較大。此外,在計算非潮汐海洋負荷局部影響時,通常采用格林函數積分方法。格林函數方法是一種區域積分方法,不能很好地考慮全球影響。隨著衛星測高技術的發展,可以獲得高精度的海平面變化數據,為非潮汐海洋負荷計算提供了很好的數據源。

本文基于多源衛星測高數據綜合獲得的高精度海平面變化數據,利用球諧分析方法,將全球海面高數據建立成全球模型,使數據耦合性更好、在某個區域的計算更為一致,最后分析非潮汐海洋負荷對廣東地區地面高程的影響。

1 數據處理

全球海平面變化數據采用哥白尼海洋環境監測服務中心(CMEMS)全球海洋物理分析預測模型日變化產品(http:∥marine.copernicus.eu)。

CMEMS全球海洋物理分析預測模型產品包含非實時產品和近實時產品等多種海平面高產品,高度為正高,融合了多衛星測高數據,全球覆蓋格網產品空間分辨率為0.25°×0.25°,時間分辨率為1 d或1月。

根據海平面變化數據,利用負荷球諧分析方法獲得全球負荷球諧系數,進而利用負荷形變動力學方程[10]計算負荷相關影響。具體計算步驟如下:

1)讀取數據和轉換格式,剔除缺失數據,用“0”替換缺省數據“NaN”,檢查其他存在的數據錯誤。為方便后續計算與分析,將單位轉換為mm,將時間與GPS周時間一一對應。

2)大地緯度數據生成地心緯度數據。由于球諧分析采用地心緯度,因此將原始數據的大地緯度轉換為地心緯度。

3)沿海地區海平面變化數據會與地面土壤水數據產生重疊,使相關計算產生誤差,當同時考慮土壤水負荷影響時,應盡量進行陸海分離。陸海分離時,以ETOPO1地形數據為參考標準確定海平面變化數據邊界。

4)選擇一定的時間基準,扣除相應的平均值,采用球諧分析方法,將海平面變化等效水高展開成負荷球諧函數的級數[11]。

地面點(R,θ,λ)處等效水高變化hw的規格化負荷球諧展開式為:

(1)

以負荷球諧系數為未知參數,利用轉換后的海平面變化等效水高建立觀測方程,估計負荷球諧系數。為了提高球諧建模的穩定性和精度,建立觀測方程前扣除等效水高的平均值。

5)利用負荷球諧系數計算非潮汐海洋負荷對大地高和正常高的影響:

(2)

式中,ρw為水的密度,ρe為地球平均密度。由負荷形變理論,非潮汐海洋負荷對地面大地高變化的影響為:

(3)

對地面正常高變化的影響為:

(4)

式中,h′n為n階徑向負荷數,k′n為n階位負荷數。

2 非潮汐海洋負荷對大地高的影響

2.1 數據預處理

使用2018～2020年的CMEMS全球覆蓋海面高格網日值數據。由于數據更新狀態的問題,2020-03-07前的數據為非實時產品,2020-03-08～12-31的數據為近實時產品,數據空間分辨率為0.25°×0.25°,時間分辨率為1 d。

利用相關軟件讀取原始數據,以3倍標準差為判斷準則,進行粗差探測和剔除,將數據單位轉換為mm。以ETOPO1地形數據為參考標準,對全球海平面變化數據進行陸海分離,可提高非潮汐海洋負荷對地面形變計算的準確性。計算2018-01～12數據的平均值,將其從原始數據中扣除,方便后續球諧分析。

2.2 負荷球諧分析

利用海平面變化的等效水高格網,采用負荷球諧分析公式計算負荷球諧系數;然后利用負荷大地高和正常高變化影響計算公式,計算廣東地區負荷影響。采用地球潮汐負荷效應與形變監測計算系統ETideLoad輔助相關計算(http:∥www.zcyphygeodesy.com)。研究發現,非潮汐海洋負荷主要對近海區域影響比較大,距離海洋100 km以內的年變化幅度超過10 mm,如在2020-12-02所在的GPS周,沿海地區非潮汐海洋負荷變化影響非常明顯。非潮汐海洋負荷變化對遠離海洋的區域影響較小,甚至可以忽略。

圖1為部分CORS站點處的大地高變化、大氣負荷和非潮汐海洋負荷對大地高的影響。大地高變化時序利用解算的日值解經過周平均獲得,已扣除線性變化,并未作相應的粗差探測和剔除、數據重構等處理,受多種因素影響,這里僅用于與大氣負荷、非潮汐海洋負荷的對比。由圖1可見,大氣負荷對大地高的影響相對非潮汐海洋負荷更顯著。非潮汐海洋負荷具有明顯的年周期性,這與Dam 等[9]的研究結果一致。從圖1還可以發現,大氣負荷影響和非潮汐海洋負荷影響具有負相關性。

圖1 CORS站處的大地高變化、大氣負荷和非潮汐海洋負荷對大地高的影響Fig.1 Effect on geodetic height of geodetic height variation, atmosphere loading and non-tidal ocean loading at CORS stations

3 非潮汐海洋負荷影響分析

圖2列出了廣東地區部分CORS站點非潮汐海洋負荷對大地高和正常高的影響。由圖2可見,汕頭GDST站、珠海GDZH站距離海邊較近,受影響較大。二者受到的非潮汐海洋負荷影響在沿海具有長波性質,在空間上具有較強的相關性,與國內外研究成果一致[4,9]。隨著與海邊距離的增加,非潮汐海洋負荷對大地高和正常高的影響逐漸減小。在距離海洋超過300 km的韶關GDSG站,非潮汐海洋負荷影響在±3 mm內,相比周伯燁等[4]提出的平均影響量級約1.5 mm (距離海岸線200～500 km內)略大。可能因為本文采用的是高精度的實測海面高變化,相比ECCO海底壓力模型具有更多高頻特征。在遠離海洋的內陸地區,非潮汐海洋負荷影響基本可以忽略。

統計廣東區域非潮汐海洋負荷變化對大地高、正常高影響的最大值、最小值、平均值和標準差,結果見表1(單位mm)。

表1 非潮汐海洋負荷對大地高和正常高的影響Tab.1 Effect on geodetic height and normal height non-tidal ocean loading

通過以上分析發現,在靠近海洋的地方,非潮汐海洋負荷對高程年變化的影響超過10 mm,與Williams等[3]和周伯燁等[4]的成果在量級上一致,但變化幅度略大。這主要是因為前人采用的是ECCO海底壓力模型,該模型需要利用現有的海底地形模型數據,同時在建模中存在一些平滑處理;而本文采用的是由多衛星測高數據綜合獲取的海面高變化數據,分辨率和精度更高。

4 結 語

本文采用高精度海平面變化數據,利用球諧分析方法計算廣東地區非潮汐海洋負荷對大地高和地面高程變化的影響,并進行相應分析。研究顯示,在沿海地區,非潮汐海洋負荷對CORS站點上的形變影響最大超過10 mm,在高精度形變測量分析中需要考慮這種影響;隨著離海洋距離的增加,非潮汐海洋負荷的影響逐漸減小。