利用卫星重力/海洋资料研究全球平均海平面长期变化的成因

The rate of global sea level rise is about 1.8mm/y during 1930-2012 based on the global tide gauge station data, and the rate during 1992-2004 is increasing at 3.3mm/y since satellite Altimetry data, and then the rising rate becomes rather smaller. Since the GRACE time(2002), many international and domestic scholars have done a lot of work studying on the global scale sea -level rise and its underlying physical mechanism (contribution from sea water mass redistribution or thermal change), however, there are still large discrepancies, of which the greatest controversy stems from the large uncertainty in Glacial Isostatic Adjustment (GIA) correction. At present, there are three typical GIA models，which uncertainty range from 1-2mm/y. The "nature" can select only one.We doubt that the problem is not only due to GIA uncertainty. In this study, we study global mean sea level change on multi time scales by combining tide gauge, GRACE and steric/Argo-corrected (Jason-1 & Envisat) altimetry sea-level data to rigorously estimate and separate the signals at trend, long time period,decadal and interannual time scale. Solution of this epic science problem would lead to the narrowing of discrepancy in the sea-level rise budget during 1992-2004 and at trend, as well as improving the existing GIA model's uncertainty.

自1930年以来基于近80年全球验潮站资料计算的全球平均海平面（GMSL）的上升速率为每年1.8毫米，自1992年以来基于海洋测高卫星资料计算的1992-2004年的GMSL上升速率为每年3.3毫米，随后上升的速率减缓。不同时段的变化速率严重影响了GMSL长期变化成因的定量研究。自从2002年GRACE重力卫星观测以来，国内外许多知名学者非常关注全球大尺度海平面变化的成因研究，致力于分离海水质量和海水热胀冷缩的量化贡献，然而结果仍存在巨大的分歧，最大争议源于对冰川均衡调整（GIA）估计的不确定性。目前有三种典型的GIA模型，它们对GRACE结果改正的范围为每年1-2毫米，导致无法比较客观地确定海水质量变化的贡献。本项目研究将综合利用GRACE观测资料、海洋同化数据，对全球平均海平面变化进行多时间尺度的分析研究，重点研究全球平均海平面长期变化的成因以及1992-2004年加速上升的原因。

海平面变化对全球气候变化具有重要影响，与人类生活密切相关。全球平均海平面变化成因主要包括：1) 海水温盐度变化引起的热容海平面变化；2) 海水质量变化引起的海平面变化。近年来，很多学者致力于海平面变化成因分离的研究，所得结果大相径庭，主要原因可能有三个：1) 长周期海平面变化影响到海平面变化趋势的正确估计；2) 应用于海平面变化估计的冰川均衡调整 (GIA) 模型的不确定性很大；3) 没有考虑深层海水温盐度变化造成的比容海平面变化。为解决上述问题，联合验潮站重构海平面、卫星测高、海水温盐度和GRACE数据，研究了南北纬64º之间平均海平面变化趋势及成因。重点研究了海平面长周期变化和GIA效应等对确定海平面变化趋势的影响，定量给出了比容海平面和海水质量变化对平均海平面变化趋势的贡献。此外，还研究了海平面季节变化和年际变化及其成因分离，重点分析了厄尔尼诺 (ENSO) 区域和北大西洋涛动 (NAO) 区域的平均海平面年际变化及成因。主要研究内容及成果： （1）联合卫星测高和验潮站重构海平面数据分析南北纬64º之间海平面的长周期变化，初步结果显示，平均海平面存在准26年和准11年的长周期变化。且1993年以来平均海平面表现的加速上升，主要是准26年长周期信号的影响。而2004-2011年的平均海平面上升速率较1993-2003年的结果明显减小，是准11年周期信号的影响。（2）利用Ishii海水温盐度数据分析了比容海平面变化对平均海平面变化趋势的贡献。初步研究发现，比容海平面变化存在准14年的长周期变化信号。该长周期信号使2004-2011年观测的平均比容海平面增速变缓。将该准14年长周期信号扣除，得到1993-2010年比容海平面对平均海平面变化趋势的贡献为29%。（3）将去掉长周期变化影响的平均海平面和比容海平面的变化趋势相减，得到南北纬64º之间平均海水质量变化趋势，结合由GRACE卫星观测到的海洋区域平均质量变化，讨论了较适用于海水质量变化研究的GIA模型，定量给出了2004-2011年海水质量变化对平均海平面线性变化的贡献。另外，联合GRACE数据和陆地水文模式资料，计算了陆地冰川融化和陆地水变化对全球平均海水质量变化的贡献。并将结果与海洋区域的计算结果进行比较，结果较为一致。