利用GRACE洋底压力变化研究海平面对大气质量变化响应的时空特征

The response of sea level to atmospheric mass change is the interaction between the atmosphere and ocean surface, which denotes a key scientific problem in the research of global sea level and other related research domains. Due to lack of accurate hydrological exchange data between ocean and land (island), the researches for the response of sea level to atmospheric mass change do not take the hydrological exchange data into account seriously till now. In recent years, this case has been changed indeed. By using GRACE temporal variation gravity data, we can acquire the more reliable ocean bottom pressure (OBP) data, i.e. the hydrological exchange data between ocean and land (island), through some useful post-processing data methods. Therefore, we have the chance to using GRACE OBP data to improve the research in response of sea level to the atmospheric mass change. We will use an EOF reconstruction method to acquire the accurate OBP data from GRACE first. Then we will get the covarying data of atmospheric mass change, sea level and OBP etc., by using a coupled SVD method. After that, we can estimate the temporal-spatial features of response of sea level to atmospheric mass change by multi-linear model fitting method, and estimate the impacts of typical climate oscillations and wind stress curl on it. Finally, we will give the global and regional seal level change after considered the effect of the response of sea level to atmospheric mass change. Unquestionably, this research will improve the researches in the related area, such as temporal variation gravity change and global climate change.

海平面对大气质量变化的时空响应是大气、海洋间相互作用的体现，是全球海平面变化研究及与其相关研究领域的一个重要科学问题。目前对该问题的研究都没有考虑到海洋和陆地（岛屿）之间的水质量交换，其主因是，以前不能准确获得海洋和陆地（岛屿）间的水质量交换数据。近几年，这一情况得到改观，应用GRACE卫星时变重力场数据，经过较好的数据后处理，已经可以获得比较可靠的海洋水质量变化数据-- 洋底压力数据。因此，应用GRACE洋底压力数据，来更准确地研究海平面对大气质量变化的时空响应，成为可能。本研究通过一种EOF重构方法，获取准确的洋底压力数据；再通过耦合SVD方法，获取大气质量、海平面、洋底压力等的共变信号，进而通过建模，从时频域和空域研究海平面对大气质量变化的响应特征，并评估典型气候涛动和风应力旋度对其影响，最终给出该响应对全球和区域海平面变化的影响，促进时变重力场和全球变化的相关研究。

随着GRACE重力卫星的成功发射，关于全球和区域质量变化的研究成为认识全球海洋和陆地水变化的新工具。为此，需要在海洋上高精度估计大气和海水的质量变化以及开展相应的海平面变化研究；在陆地上则需要关注高精度陆地水、冰川等质量的变化情况。应用Forward Modeling，正则化约束，球谐函数阶方差等新的技术手段，我们开展了两极冰川变化、全球和区域海平面变化，以及与全球质量相关的关于地表负荷的研究工作，并与南方涛动、北大西洋涛动等气候涛动等进行了关联研究。研究结果表明，1）在全球大尺度上，海平面对于大气压的响应更符合理想的IB假设；2）在两极冰川变化研究中，采用我们的新方法得到的结果，无论是在精度上，还是在数据的空间分布上，都使得两极和Greenland冰川的季节和长期估计更加合理准确；3）通过采用新的准确数据，我们利用EOF、ICA等方法重构了全球海平面的长期变化，指出全球长期海平面变化受到验潮站观测精度和空间分布的影响；4）而区域海平面变化（譬如红海等），可能受到地形、季风、洋流、风应力等多种因素的共同影响；5）在此基础上，我们探讨了全球质量变化与GPS地表位移观测的关系，指出应用300km空间分辨率的GRACE数据，足以比地表流体模式数据等更好地恢复地表点位的垂直位移，但不能很好监测到区域环境变化的影响；6）在GPS数据预处理，地球物理解释等环节，需要多种技术手段联合才能更好地反演全球和区域水质量变化。我们的研究成果将有助于促进时变重力场和全球变化的相关研究，并对今后采用GPS数据反演地表质量变化打下坚实的基础，从而服务于国民经济建设。