ENSO对中国近海海平面影响的区域特征研究

使用卫星测高、海表温度以及中国沿海台站水位等数据，分析研究了ENSO对中国近海海平面影响的区域特征。结果表明:（1）赤道东太平洋海表温度与我国近海海平面存在显著的遥相关关系。相关系数自北至南呈梯度递增，分为3个影响明显的区域，分别是渤、黄海、东海和南海海域。南海海平面异常与赤道东太平洋区域的海表温度异常相关性最强，大部分区域的相关系数超过了0.6；东海海域海平面异常与赤道东太平洋海表温度的遥相关系数弱于南海，强于渤、黄海，大部分海域的遥相关系数超过了0.4；渤、黄海海域海平面异常与赤道东太平洋海表温度的遥相关系数最弱，但是大部分海域的遥相关系数超过了0.3，通过了显著性检验。（2）中国沿海海平面的季节变化与ENSO有明显的相关关系，且影响范围具有明显的区域特征，以长江口和台湾海峡为分界线分为长江口以北、长江口到台湾海峡以及台湾海峡以南3个区域。海平面的年振幅在厄尔尼诺年均出现偏低的现象，并且年振幅的极小值均出现在厄尔尼诺年。另外，海平面的年振幅对厄尔尼诺事件的响应与其强弱有关，在强厄尔尼诺事件中，响应区域和幅度较大，弱事件中，响应区域和幅度偏小。（3）南海、东海和渤、黄海这3个区域沿海的海平面变化均存在4~7 a的显著振荡周期，说明这3个区域的海平面均受ENSO的影响。其中，南海7 a周期的振荡幅度最大，约为1.5 cm；东海7 a周期的振荡幅度次之，约为1.3 cm；渤、黄海6 a周期的振荡幅度最小，不到1 cm。     

15年测高资料反演南海北部潮汐结果的分析

在调和分析的基础上，结合差比关系的运用，利用T／P和Jason-1卫星测高数据进行了南海北部潮汐状况的反演、分析。其中沿轨数据和交点数据的海面异常（SLA）样本标准差（STD）值计算表明，对于15年资料而言，潮汐分析结果已基本一致。对3年轨道改变后的T／P资料分析发现，运用差比分析的办法能使其分析精度有20％左右的提高，达到与15年资料相近的分析效果。最后文章将近岸的反演结果与实测值作了对比，得出在大多数地区（除水动力复杂区域外），沿轨数据的反演水位与实测值的误差均值小于19cm，STD值小于14cm。     

基于VMD和WinLSP相结合的GNSS-R海平面高度估测模型

全球导航卫星系统反射（Global Navigation Satellite System-Reflectometry,GNSS-R）技术是一种新兴的监测海平面高度变化的技术。本文依据GNSS-R技术中的信噪比分析法的原理,通过分析其分离趋势项和提取振荡频率的过程,建立了新的估测模型以提高反演精度。针对传统模型存在的信号分离不佳的问题,本文提出使用变分模态分解（Variational Mode Decomposition,VMD）算法替换传统的最小二乘拟合法（Least Squares Fitting, LSF）进行趋势项分量的分离。在此基础上,本文引入基于凯塞窗函数改进的LSP（Lomb-Scargle Periodogram）频谱分析法（记为WinLSP）来减弱因频谱泄露带来的反演误差。在瑞典翁萨拉的GTGU站和美国阿拉斯加州的SC02站开展的海平面高度反演实验结果表明,本文建立的估测模型相比于传统模型具有更高的反演精度。基于VMD+WinLSP估测模型得到的GTGU站反演结果的均方根误差（RMSE）、相关系数和反演点数分别为4.70 cm、0.98和5 647。与传统的LSF+LSP估测模型相比,反演精度和GNSS数据利用率分别提高了约29.7%和15.0%。SC02站的RMSE、相关系数和反演点数分别为14.34 cm、0.99和1 785,反演精度和GNSS数据利用率分别提高了约12.3%和9.4%。     

基于GNSS信号信噪比观测量的海平面高度变化研究

建立基于GNSS信号的海面测高数学模型,揭示基于载波和信噪比观测量测高方法的内在联系;提出利用造价便宜的GPS接收机以及普通接收机天线进行海平面高度变化监测的手段;进行海平面高度变化监测的实验并与验潮仪对比分析。结果表明:利用普通GPS接收机和天线进行海平面测高可以获得厘米级的测量精度,24 h连续监测的均方根误差为4.13 cm,GPS高度计与验潮仪的测量结果相关系数为0.86;所布设的GNSS高度计与造价昂贵的大地测量型接收机监测结果相当,该造价便宜的高度计更适合用于未来大规模实际的海平面高度变化监测中。     

台湾岛周边海域近16a来海平面变化研究

利用1992年10月至2008年6月的卫星高度计融合资料对台湾岛周边海域（20°～28°N,117°～124°E）多年海平面变化进行分析.研究结果表明：（1）采用改进的月平均水位周期信号的谱分析方法计算多年来台湾岛周边海域海平面年均上升速率为0.34±0.02 cm/a,与该海域内的潮位站结果较为一致.（2）台湾岛周边海域海平面高度变化以1 a周期变化为主,其次为0.5 a、准2 a周期变化.（3）通过计算海平面异常的标准差得出多年来台湾海峡西南部海域海平面波动最为激烈.（4）分析了台湾岛周边海域海平面4个季节的变化情况,指出台湾岛周边海域海平面季节变化的主要驱动力是风场.     

基于GPS信噪比数据观测海平面变化研究

近年来,GPS-R技术已发展成为一项监测地球环境变化的新技术。首先推导了GPS-R技术观测海平面变化的原理公式,接着描述了利用GPS信噪比(SNR)数据反演水位变化的处理流程,最后利用IGS站SC02的数据,基于自主研发的数据分析软件,反演了该站长达14年的海平面变化时间序列。通过与该站附近的验潮站数据进行对比,两者表现出很好的一致性,相关系数高达0. 96,两者较差的RMS为8cm。研究结果进一步验证了基于GPS信噪比数据监测海平面变化的可行性和可靠性。     

基于最小二乘与径向基函数神经网络的海平面变化预测

在对海平面变化规律进行深入分析的基础上,应用最小二乘神经网络组合模型对海平面变化趋势进行预测;对卫星测高海平面异常序列中的周期项及线性趋势项利用最小二乘模型进行拟合,残差部分则采用径向基函数神经网络模型进行预测。对中国近海海域卫星测高海平面异常序列的预测表明,连续1个月的预测精度为0.52 cm, 3个月的预测精度为0.65 cm,证明了该组合模型在海平面变化短期预测方面的可靠性,其在海平面变化预测领域具有较高的应用价值。     

2004年苏门答腊地震前后海面高趋势的变化

利用苏门答腊附近海域T/P、Jason-1测高卫星近20年的海面高连续观测资料,分别计算了该区域(80°E~105°E,5°S~20°N)在2004年苏门答腊大地震前后的海面高变化趋势,并与该区域对应时间段GRACE重力卫星反演的地表质量迁移结果进行比较。研究结果表明,由卫星测高观测资料估算的震区地震前后海平面趋势的变化与卫星重力反演结果基本一致。由于卫星测高沿轨观测具有高精度、高时空分辨率的特性,卫星测高资料估算的海平面趋势变化可以更为准确地反映震区海平面变化的局部特征。还对该区域震后形变特征进行了初步分析。     

1993—2001年全球海面高度变化特征

应用TOPEX／POSEIDON（T／P）卫星高度计测高资料，对全球海洋的海面变化特征进行了分析，结果表明，1993年1月－2001年6月期间，全球海平面呈现上升的态势；全球平均海平面高度的平均上升速率约为1．2mm/a；海温的变化是引起海平面变化的重要原因，便其对海平面抬升的贡献不到50％。海平面的变化具有很强的地域特征。海平面变化的空间分布特征受风应力异常特别是纬向风应力异常的空间分布影响较大。     

中国沿海增减水的变化特征及与海平面变化的关系

本文通过对中国沿海25个观测站水位资料的分析,初步探讨了中国沿海1980-2012年增减水的变化特征及与海平面变化的关系。结果表明:（1）中国沿海增减水的季节变化特征明显,相邻站由于受到的气象状况相同,其沿海增减水变化的过程相近,但是变化幅度存在较大差异。从空间分布看,沿海增减水的变化幅度呈现中间大南北小的区域特征,自长江口至广东沿海,增减水的年变化幅度最大,年变幅平均为5.0~7.5 cm;南海周边及北部湾沿海,增减水的年变化幅度次之,年变幅平均为4.0~5.5 cm;自渤海至黄海沿海,增减水的年变化幅度较小,年变幅平均为3.3~3.5 cm。（2）从时间变化看,1980-2012年中国沿海年平均增减水长期基本没有趋势性变化,但明显存在2至5年的周期性变化信号,该信号的震荡幅度为0.1 cm。经过高频滤波后,对沿海月平均增减水序列与Niño3.4指数进行相关性分析,相关系数为-0.5,该相关系数通过了显著性检验,说明中国沿海的增减水变化与ENSO事件呈现负相关关系。（3）中国沿海增减水的长期变化及空间分布特征均与海平面变化不同。1980-2012年,中国沿海海平面的上升速率为2.9 mm/a,而增减水长期基本无趋势性变化;另外,其季节变化与海平面的季节变化从时间和区域上均不存在一致性。（4）但是,短期海平面的变化与增减水有关,并且增减水对短期海平面的贡献根据其具体情况而定,增水幅度大且持续时间长的过程对短期海平面有抬升作用,其贡献率最大可达65%;反之,减水幅度大且持续时间长的过程则对短期海平面有降低的作用。     

东印度洋海域最优深度基准面模型构建

利用东印度洋海域周边长期验潮站实测数据、TOPEX/Poseidon等系列卫星测高反演结果,评估了DTU10,EOT11a,FES2014,GOT4.8,OSU12和TPXO8六种全球潮汐模型精度,根据卫星测高结果给出了浅水分潮改正量和长周期分潮改正量的经验模型,又在此基础上分析并构建了研究区域精度最优的深度基准面模型。考虑到全球潮汐模型在近岸的影响因素及验潮站位置,将13个验潮站分成开阔海域与近海海域两类,与潮汐模型的对比,结果表明,DTU10和FES2014模型分别在开阔海域和近海海域精度最优。根据潮汐模型在不同分潮处的精度,如EOT11a模型在O1和K1分潮处精度较高,DTU10在N2,M2,S2和K2分潮处精度较高等,分别构建了开阔海域与近海海域的组合深度基准面模型,计算得知误差分别为11.33和20.95 cm,其精度显著提高。     

基于珠海万山定标场沿岸验潮仪的HY-2B雷达高度计定标研究

随着我国海洋二号B卫星(HY-2B)于2018年10月发射成功,国家卫星海洋应用中心于珠海万山进行了HY-2B的在轨测试。试验利用沿岸验潮仪,在珠海万山直湾岛HY-2B过境轨道375的星下点附近进行了由2018年11月3日至12月12日的验潮仪定标试验。在试验期间,HY-2B共重访定标场星下点3次,定标结果表明:3个周期的HY-2B雷达高度计测量海面高度定标结果良好,定标参数分别为(3.06±3.48) cm、(2.85±1.03) cm、?7.41 cm;定标参数在前3个周期存在一定漂移,需要后续的定标工作以确定漂移原因。     

Hydrodynamic Tidal Model of the Persian Gulf Based on Spatially Variable Bed Friction Coefficient

The aim of this study is to develop a two-dimensional hydrodynamic tidal model for the Persian Gulf (PG2017) using 2D-MIKE21 software. The advantages of present study is accounting for the spatial variation of bed friction coefficient besides a precise bathymetry together with a 23-year of combined records of satellite altimetry data. We found that the bed friction coefficient has a significant effect on sea level changes in the region under our modeling consideration. Since the tidal behavior in the northern part of the Qeshm Island is significantly different from the other parts of the Persian Gulf, to present a more accurate hydrodynamic tidal model, the Gulf is divided into two regions where the bed friction coefficient is modeled separately for each region. The root mean square value of the differences between the amplitude of dominant constituents; M2, S2, K1, and O1 derived from the PG2017 model and that of 98 altimetry and coastal tide gauge stations are respectively equal to 1.6, 1.9, 2.8, and 1.3?cm. Moreover, comparing the PG2017 model efficiency with the FES2014, OSU12, EOT11a, DTU10, and Admiralty models shows that the PG2017 model has an improvement of 22.1%, 47.2%, 43.2%, 44.2%, and 57.6% in terms of relative error, respectively.     

Accuracy assessment of global ocean tide models in the South China Sea using satellite altimeter and tide gauge data

In this study, to meet the need for accurate tidal prediction, the accuracy of global ocean tide models was assessed in the South China Sea (0°–26°N, 99°–121°E). Seven tide models, namely, DTU10, EOT11a, FES2014, GOT4.8, HAMTIDE12, OSU12 and TPXO8, were considered. The accuracy of eight major tidal constituents (i.e., Q₁, O₁, P₁, K₁, N₂, M₂, S₂ and K₂) were assessed for the shallow water and coastal areas based on the tidal constants derived from multi-mission satellite altimetry (TOPEX and Jason series) and tide gauge observations. The root mean square values of each constituent between satellite-derived tidal constants and tide models were found in the range of 0.72–1.90 cm in the deep ocean (depth>200 m) and 1.18–5.63 cm in shallow water area (depth<200 m). Large inter-model discrepancies were noted in the Strait of Malacca and the Taiwan Strait, which could be attributable to the complicated hydrodynamic systems and the paucity of high-quality satellite altimetry data. In coastal regions, an accuracy performance was investigated using tidal results from 37 tide gauge stations. The root sum square values were in the range of 9.35–19.11 cm, with the FES2014 model exhibiting slightly superior performance.     

Inferring the global mean sea level from a global tide gauge network

An attempt is made to infer the global mean sea level(GMSL) from a global tide gauge network and frame the problem in terms of the limitations of the network. The network,owing to its limited number of gauges and poor geographical distribution complicated further by unknown vertical land movements,is ill suited for measuring the GMSL. Yet it remains the only available source for deciphering the sea level rise over the last 100 a. The poor sampling characteristics of the tide gauge network have necessitated the usage of statistical inference. A linear optimal estimator based on the Gauss-Markov theorem seems well suited for the job. This still leaves a great deal of freedom in choosing the estimator. GMSL is poorly correlated with tide gauge measurements because the small uniform rise and fall of sea level are masked by the far larger regional signals. On the other hand,a regional mean sea level(RMSL) is much better correlated with the corresponding regional tide gauge measurements. Since the GMSL is simply the sum of RMSLs,the problem is transformed to one of estimating the RMSLs from regional tide gauge measurements. Specifically for the annual heating and cooling cycle,we separate the global ocean into 10-latitude bands and compute for each 10-latitude band the estimator that predicts its RMSL from tide gauges within. In the future,the statistical correlations are to be computed using satellite altimetry. However,as a first attempt,we have used numerical model outputs instead to isolate the problem so as not to get distracted by altimetry or tide gauge errors. That is,model outputs for sea level at tide gauge locations of the GLOSS network are taken as tide gauge measurements,and the RMSLs are computed from the model outputs. The results show an estimation error of approximately 2 mm versus an error of 2.7 cm if we simply average the tide gauge measurements to estimate the GMSL,caused by the much larger regional seasonal cycle and mesoscale variation plaguing the individual tide gauges. The numerical model,Los Alamos POP model Run 11 lasting 3 1/4 a,is one of the best eddy-resolving models and does a good job simulating the annual heating and cooling cycle,but it has no global or regional trend. Thus it has basically succeeded in estimating the seasonal cycle of the GMSL. This is still going to be the case even if we use the altimetry data because the RMSLs are dominated by the seasonal cycle in relatively short periods. For estimating the GMSL trend,longer records and low-pass filtering to isolate the statistical relations that are of interest. Here we have managed to avoid the much larger regional seasonal cycle plaguing individual tide gauges to get a fairly accurate estimate of the much smaller seasonal cycle in the GMSL so as to enhance the prospect of an accurate estimate of GMSL trend in short periods. One should reasonably expect to be able to do the same for longer periods during which tide gauges are plagued by much larger regional interannual(e. g.,ENSO events) and decadal sea level variations. In the future,with the availability of the satellite altimeter data,we could use the same approach adopted here to estimate the seasonal variations of GMSL and RMSL accurately and remove these seasonal variations accordingly so as to get a more accurate statistical inference between the tide gauge data and the RMSLs(therefore the GMSL) at periods longer than 1 a,i. e.,the long-term trend.     

多系统GNSS浮标潮位提取精度研究

为实现多频多模GNSS浮标在远距离海洋潮汐测量中的应用,基于精密单点定位(precision pointing positioning,PPP)数据处理策略获取潮位信息,以压力验潮仪为参考,对GNSS浮标测量海面高进行经验模态分解(empirical mode decomposition,EMD),滤去高频波浪和噪声,获取潮位进行精度分析。结果表明:多系统可以提高PPP解算潮位精度。GPS/GLONASS双系统和GPS/GLONASS/Bei Dou三系统PPP提取潮位与验潮仪潮位差值的最大误差均小于18cm,RMSE小于6. 5cm。因此,多系统PPP解算GNSS浮标海面高可以实现远离海岸的潮位获取与监测,能够提高海上潮位测量的效率。     

基于GNSS浮标和验潮资料的HY-2A卫星高度计绝对定标

为探测我国HY-2A卫星高度计海面高测量绝对偏差及其在轨运行状态,本文利用GNSS浮标星下点同步测量和验潮资料海面高传递方法在山东千里岩和珠海担杆岛海域开展定标研究。为验证GNSS浮标定标方法的准确性,还对国外卫星Jason-2和Saral进行了定标实验。实验表明GNSS浮标绝对海面高测量精度达2 cm,对Jason-2和Saral高度计多个周期定标得到的海面高偏差均值分别为5.7 cm和-2.3 cm,与国际专门定标场的结果符合较好。2014年9月和2015年5月HY-2A卫星高度计浮标定标结果分别是-65 cm和-91 cm,因两次结果差异显著,故又利用千里岩验潮站资料对HY-2A卫星高度计第56至73周期进行了定标分析,结果证明HY-2A卫星海面高存在约-51 cm/a的漂移,置信度为95%的回归分析表明浮标和验潮定标结果符合。本文研究结果表明在我国尚无专门定标场的情况下,可利用GNSS浮标对我国高度计实施灵活、精准的在轨绝对定标,在有高度计轨迹经过验潮站的情况下可使用验潮资料结合精密大地水准面模型进行绝对定标。     

基于全球海洋模型GOCTM的海啸传播过程数值模拟——以2004印尼大海啸为例

文中利用在有限体积近海模型FVCOM基础上拓展开发的全球海洋模型GOCTM(Global Ocean Circulation and Tide Model)进行了海啸波传播过程模拟,GOCTM采用全球无结构三角形网格,避免了开边界条件引入带来的误差,利用德国AWI研究所提供的海啸源作为初始水位场,模拟了2004年12月26日苏门答腊-安达曼Mw 9.2地震引发的海啸传播过程。通过模拟结果与印度沿岸潮位站数据以及海啸发生过程观测到的卫星高度计数据进行了对比,发现模拟结果与观测值相近,相关系数最高达0.82,相关性较好。模拟的海啸波到达苏门答腊岛北部的时间与日本的TUNAMI 模型和德国AWI研究所的TsunAWI模型的模拟结果相符,时间相差不到30 min,证明GOCTM全球模型可以较好地对海啸传播过程进行模拟,结果令人满意,希望本工作可以为我国海啸预报和预警提供参考。     

Multi-satellite ocean tide modelling—the K1 constituent

All major ocean tide constituents are aliased into signals with periods less than 90 days from TOPEX/POSEIDON altimetry, except the K₁ constituent. The aliased K₁ has a period of 173 days. Consequently, it might be confounded with height variations caused by the semiannual cycle having a period of 183 days.The correlation between K₁ and the semiannual signal has been investigated both locally and globally using combinations of T/P, ERS-1 and GEOSAT observations. Subsequently, two empirical methods have been investigated to improve the mapping of K₁ from multiple satellites.At high latitudes, where the presence of crossing tracks cannot separate K₁ from the semiannual signal from TOPEX/POSEIDON, the importance of including ERS-1 and GEOSAT observations was demonstrated. A comparison with 29 pelagic and coastal tide gauges in the Southern Ocean south of 50°S gave 5.59 (M₂), 2.27 (S₂) and 5.04 (K₁) cm RMS agreement for FES95.1 ocean tide model. The same comparison for the best empirical estimated constituents based on TOPEX/POSEIDON + ERS-1 + GEOSAT gave 4.32, 2.21, and 4.29 cm for M₂, S₂ and K₁, respectively.     

数字滤波技术在潮汐观测中的应用研究

潮汐是重要的海洋物理要素。瞬时变化的海面高度信息除了包含潮汐信息外,还包括波浪等高频干扰信息,因此需要对干扰信息进行滤除。如何从获取到的海面瞬时高度变化中提取出潮汐信息就成为一个关键问题。海洋学中通常是通过低通滤波来获取低频的潮汐信息。通过分析常用的3种低通数字滤波的方法,即滑动平均法、快速傅里叶变换法和小波变换法,对3种低通滤波方法应用于潮汐数据处理的效果进行了比较分析,得出滑动平均法在潮汐信息提取中具有较高应用价值的结论。