全球海平面高度异常的时空变化分析

万 宇，魏崇毓

（1.青岛科技大学，山东 青岛 266100）

全球海平面高度异常的时空变化分析

万 宇1，魏崇毓1

（1.青岛科技大学，山东 青岛 266100）

利用法国AVISO数据分发中心提供的2014多卫星融合数据中海面高度异常数据，研究了1992年12月～2013年12月，空间范围为82°S ～82°N，0°E ～360°E全球海平面的变化趋势及分布，分析了全球海面高度异常的季节性变化，再使用经验正交函数分析方法（EOF）进行分析。结果表明，南北半球海平面高度存在年周期的反向相关特性，太平洋存在东西反向相关特性，极值区域在东太平洋暖池区域。

海平面高度；季节性变化；EOF分析

众多研究表明，20世纪全球海平面平均上升速率约为1．5±0．5 mm/a，卫星资料研究结果显示，近年来全球海平面的上升速率呈现加快趋势，以2．8±0．4 mm/ a的速度升高[1]。海平面的不断上升严重地威胁着人类的生存环境。据联合国环境署统计，全世界目前有近一半的人口居住在沿海地区。海平面的升高将给人类的生存带来极大危害，主要表现在低洼地区淹没、淡水资源短缺和洪涝等自然灾害，将严重影响沿海地区的生态环境和建筑物的安全[2]。例如，2001年南太平洋岛国图鲁瓦格在对抗海平面上升中宣告失败，并放弃自己的国家，举国搬迁到新西兰，成为世界上第一个由于海平面上升而全民搬迁的国家[3]。同时，海平面的升高还将导致热带气旋频率和强度的增加[4]，极易形成海洋灾害，例如海啸、风暴和赤潮等。近年来，海洋灾害频繁、海平面上升更使其危害程度加剧。因此，研究海平面的变化趋势及相互关系能帮助人们估计未来海平面的变化趋势，降低因海平面上升带来的各种危害。

海平面变化具有空间特征和时间特征，为研究海平面变化的空间特征及其随时间变化的关系，采用经验正交函数分析（EOF）是一种可行的方法[1]。

本文利用法国AVISO数据分发中心提供的2014多卫星融合数据中的海面高度异常数据定性分析了1993-2013年的海平面高度异常的季节性变化规律，然后采用EOF方法分析了海面高度异常的年代迹时间尺度特征。

1 数据介绍

本研究所用数据融合了Cryosat-2、Jason-1、 Jason-2、T/P、Envisat、GFO、 ERS-1/2的卫星数据，以提供均匀、交叉定标的高质量测高数据序列，数据为每周/月周期的沿轨数据生成的1/4°×1/4°Mercator投影下（即经度、纬度方向上具有相同的分辨率，约为33km乘以该纬度的余弦值）的数据网格。数据时间跨度为1992年12月～2013年12月，空间范围是82°S～82°N，0°E ～360°E。由于季节的平均数据有一定的时间延迟，目前AVISO发布的气候学平均数据截止到

2013年12月份。2014版本融合数据的海平面高度异常基于20年的平均海面高度计算。

2 研究方法

经验正交函数分析方法是统计分析数据的方法，是将时空尺度的信息分离，提取主要的空间型与时间序列特征，通过自然正交展开为X=V×P，将距平场X分解为时间序列P和空间函数V。将海平面高度异常X的观测资料以矩阵形式给出，处理为距平场：

其中，m是观测资料点，n是时间序列点。

计算方阵C=XXT，C为是实对称矩阵。计算C的特征向量V和特征根λ：

一般将特征根λ按从大到小的顺序排列，V的列向量代表各个模态的EOF，即主成分空间模态。

时间系数（即主分量）计算公式为：P=VTX，P的行向量代表各个特征向量的主成分，若把空间特征向量按照主成分的权重进行线性叠加，即可得到原资料场。

方差贡献（variance contribution）是第i个特征向量对X场的贡献率也称单个变量的方差与总方差的比为解释方差[5]。前p个特征向量对X场的贡献率根据特征向量的特征性质VTV=I，由X=V×P可知C=VPPTV；由 CV=λV可知C=VλVT，对比两式可得PPT=λ，即主分量的方差和它对应的特征值相等。tr(C)=tr(VλVT)，且VTV=I，可得即m个主分量的总方差与原m个变量的总方差相等。

3 数据分析

3.1 全球海平面高度异常的季节性变化分析

图1给出了海平面异常的每个季节的气候学平均值，从图中可看出海平面高度异常的季节变化比较明显，季节变化也比较明显，理论上来讲在季节尺度上比容和两极海冰消长对于全球海平面高度异常的作用更加明显。除两极的周边区域，第一季度与第三季度、第二季度与第四季度各个海区的海面高度异常平均值正负相反，赤道区域与南半球海区的海平面变化特征比较明显。

太平洋中纬度地区的海平面受比容影响较大，第一、二季度北半球中纬度海域海平面高度异常呈现负值，海平面较低，第三、四季度海面高度异常值呈现正值，海平面远高于冬季；对于南半球中纬度而言，海平面的变化与北半球中纬度地区相反。王珍珍（2011）等人利用AVISO融合数据资料研究全球海平面的变化特征显示，全球海平面升高趋势明显，其中南半球的增长速度快于全球和北半球[6]。

从图1可知，赤道10°N附近的海域季节变化显著，第一季度与第三季度东西两侧海平面高度相差较大，且相位相反；第二季度与第四季度南北两侧海域海平面高度异常梯度较大。第一季度10°S～20°N区域海平面高度异常呈现东低西高现象，西太平洋的海面高度明显高于东太平洋海区；第二季度10°N ～15°N区域海平面较高，5°S ～10°N区域海平面呈现东低西高现象；第三季度，0°N～10°N区域海平面两头高中间低，10°S～0°N范围东低西高；第四季度各区域的海平面变化同4月份海平面值正负相位相反。

图1 全球海面高度异常的季节性变化

大西洋海平面的变化如同太平洋海域的缩影，各个区域同太平洋区域变化位置相似。与太平洋和大西洋的海平面变化不同，印度洋海域第二季度时0°S～20°S 海平面高度异常与其他海区相比较小；第三季度时孟加拉湾中东部、阿拉伯湾中部、澳大利亚西北部海域海平面高度异常维持在较高值，同时其他海域海平面高度异常较小；到第四季度时，整个阿拉伯海区域的海平面高度异常较其他时间偏小；第一季度，除阿拉伯海西部区域外其他区域的海平面与第四季度海平面变化正负相位相反，高值区域变低，低值区域变高。南极周边，西太平洋120°E～160°E区域全年海平面高度异常都较大；东印度洋与韦德尔海域第二、三季度海平面较低，其他时间海平面较高。

图2 全球海面高度随年际变化趋势

3.2 EOF法分析全球海平面高度异常的变化

利用前述EOF分析方法，首先将距平后的MSLA数据进行EOF分析，图3分别为全球平面变化EOF分析得到的第1～3主成分对应的空间分布特征图，即空间模态。图4为各主成分的时间序列（即主分量），表示对应的空间模态随时间的变化，3个模态的方差贡献分别为11．36%、9．80%、5．88%。

图3 SLA进行EOF分析后前3个主成分空间模态

第一主成分表示南北半球海平面高度存在年周期（图4）的反向相关特性，这与南北半球的季节反相性是一致的，并且在30S°～30°N有明显的异常存在，而这一海区受温度、降水以及风应力的影响尤为明显，且低频周期信号丰富，是研究海气相互作用极为关键的区域。

图4 SLA进行EOF分析后前3个主成分时间序列

第二主成分表示太平洋存在东西反向相关特性，结合图4第二主成分时间序列可以看出，第二模态体现了全球海平面上升趋势。由于太平洋东西反向特性的存在，东太平洋海平面高度呈现下降趋势，这本质上是由于西太平洋东风使得太平洋表层海水向西太平洋堆积，从而导致西太平洋海平面上升，东太平洋海平面下降。CAZENAV等人分析卫星高度计观测的海平面数据时也发现了这个现象。申辉等人认为，太平洋海面高度变化速率呈现出的东降西升的地域性分布特征是风应力的作用结果，主要是由于西太平洋存在正向的东风距平，而东太平洋存在正向的西风距平，西太平洋东风距平的存在使得太平洋表层海水向西太平洋堆积，导致西太平洋海平面上升；同理，风应力异常在中东太平洋导致海平面下降[7-8]。

第三主成分的空间分布与全球海表面降水分布基本一致，极值区域在东太平洋暖池区域，这表明热通量是海平面高度变化极为重要的影响因子。

4 结 语

本文利用法国AVISO数据分发中心提供的2014多卫星融合数据中的海面高度异常数据，研究了1992年12月～2013年12月，空间范围为82°S ～82°N，0°E ～360°E的全球海平面变化趋势及分布，并运用经验正交函数分析方法（EOF）分析得到全球海平面变化3个主成分的空间模态，进而分析形成原因，得到以下结论：

南北半球海平面高度存在年周期的反向相关特性。这与南北半球的季节反相性是一致的，并且在30S°～30°N海区有明显的异常存在，而这一海区受温度、降水以及风应力的作用尤为明显。

太平洋存在东西反向相关特性。这是由于西太平洋东风使得太平洋表层海水向西太平洋堆积，从而导致西太平洋海平面上升，东太平洋海平面下降。

极值区域在东太平洋暖池区域。这表明热通量是海平面高度变化极为重要的影响因子。

[1] 詹金刚,王勇,程永寿．中国近海海平面变化特征分析[J]．地球物理学报,2009(7):1 725-1 733

[2] 张静．近20 a中国和全球海域海平面上升趋势特征分析及相互关系的初步研究[D]．青岛:中国海洋大学,2014

[3] 刘中民, 张德民． 海洋领域的非传统安全威胁及其对当代国际关系的影响[J]．中国海洋大学学报（社会科学版）,2004(4):60-64

[4] 吴涛,康建成,王芳,等．全球海平面变化研究新进展[J]．地球科学进展,2006,21(7):730-737

[5] 黄嘉佑．气象统计分析与预报方法[M]．北京:气象出版社,1990

[6] 王珍珍,钱程程,陈戈．高度计观测的全球海平面时空变化特征[J]．地理空间信息,2011,9(5):72-73

[7] 欧朝敏,黄梦龙．地方坐标到2000 国家大地坐标转换方法研究[J]．测绘通报,2010(9):26-28

[8] 杨国清,张予东．平面控制网四参数法坐标转换与残差内插[J]．测绘通报,2010(11):48-50

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B

1672-4623（2016）12-0058-03

10.3969/j.issn.1672-4623.2016.12.019

万宇，硕士研究生，研究方向为计算机技术。

2015-01-07。