联合卫星测高和GNSS观测的天津沿海近25年相对海平面变化分析

针对现有验潮公开数据因时间范围及潮位沉降修正等影响,难以真实反映天津沿海相对海平面变化的问题,基于全球导航卫星系统（global navigation satellite system,GNSS）与验潮并置观测,设计了联合卫星测高和GNSS观测的天津沿海相对海平面变化分析方法。分析结果显示,1993—2018年期间,塘沽验潮站点的相对海平面上升速率约为13.45±0.45 mm/a;联合4个虚拟并置观测站,得到天津沿海不同区域的相对海平面上升速率在11.15～19.17 mm/a,平均上升速率15.09±0.45 mm/a。沿海地面沉降是天津相对海平面上升速率偏高的主要因素（贡献率大于70%）,受地面沉降非均匀空间分布的影响,海平面上升速率存在区域差异,塘沽验潮站难以代表整个天津沿海的相对海平面变化。     

联合多代卫星测高数据构建中国近海及邻域海平面异常序列

首先给出海面高的计算方法,并引入基于高斯滤波的粗差探测方法,有效地剔除了各弧段测高数据存在的粗差。通过对3颗卫星同步运行段测高数据的分析,得到3组数据在中国近海及邻域的平均偏差分别为:Jason-1相对T/P需改正-8.77 cm;Jason-2相对Jason-1需改正-7.33 cm,两者均小于其在全球海域的改正值。以T/P测高数据所得平均海平面为基础,利用改正后的Jason-1、Jason-2数据,得到该海域18年海平面异常时间序列,海平面平均上升速率约为4.9 mm/a。分别对中国近海各海域海平面异常时间序列进行分析,得到渤海、黄海、东海及南海的海平面平均上升速率分别为:2.5 mm/a、3.2 mm/a、3.6 mm/a和6.2 mm/a。将所得每周期离散正常点的观测数据格网化,然后逐格网计算海平面异常时间序列,得到研究海域18年来海平面异常平均上升速率的分布情况。结果表明,研究海域海平面上升速率高于全球平均水平。     

近海海平面变化成因分析

近海海平面上升直接威胁人类生存,分析其成因不仅具有重要科学意义,而且能够为应对海平面上升提供相应策略。使用卫星测高、时变重力以及浮标观测研究2002—2020年近海300 km内海平面变化成因。由于时变重力在近海受到较为严重的泄漏误差影响,使用时变重力约束解模拟陆地质量变化对海洋质量的泄漏,其线性趋势约为0.68 mm/a。在季节和非季节尺度上,时变重力和浮标观测解释了卫星测高的结果,证明近海海平面平衡方程在季节和非季节时间尺度上能够被闭合。在长期变化趋势方面,卫星测高显示近海海平面上升速率为3.32±0.45 mm/a,而时变重力与浮标观测之和的速率为2.25±0.51 mm/a,两者之间存在约1 mm/a的速率差。鉴于该速率差高于估计的不确定度,认为当前在闭合近海海平面平衡方程长期趋势方面仍存在不小挑战,一方面近海比容实测数据较为稀少,很可能低估了长期趋势变化;另一方面,不完善的泄漏误差改正和陆地垂直运动改正也会影响近海海平面长期趋势变化。     

我国近海1992-2006年海平面变化的小波分析

用14年多的多颗测高卫星同化海面异常数据,分析我国近海海平面信号变化特征,结果显示年周期信号在我国海域海平面变化中占有主导地位。其次,半年周期信号在南海也有较强显示,而黄海和东海则表示为高频信号,半年起伏及高频信号的周期和振幅均不稳定。首次在南海和东海海域发现存在一周期为准540 d的信号,其物理机制尚不明确。用标准Morlet小波变换方法对上述周期信号进行了提取。验潮站数据也证实了该信号的存在。海面异常分析结果显示在1993~2007年期间,我国海平面平均升高速率:黄海为(4.01±0.49)mm/a,东海为(4.61±0.35)mm/a,南海为(3.68±0.41)mm/a。海平面上升趋势地理分布结果显示海平面变化具有很大的空间差异性。     

北极新奥尔松地区海平面变化和陆地垂直运动分析

近百年来,全球正经历着以变暖为显著特征的变化,海水增温膨胀、陆地冰川和极地冰盖融化等因素导致全球海平面持续上升。北极新奥尔松地区现保存有典型的极地原始生态系统,客观准确地分析该地区的海平面变化,可以更好地为该地区自然生态环境监测和保护以及气候变化研究等提供基础。联合利用卫星高度计、验潮站和全球卫星导航系统(global navigation satellite system,GNSS)观测资料分析新奥尔松地区的海平面变化的线性趋势和季节性规律,通过同时段资料(1993-2018年)的分析显示,该地区地壳呈上升趋势,上升速率为(8.09±0.19)mm/a;验潮站相对海平面呈下降趋势,下降速率为(-7.31±0.36)mm/a;利用地壳运动修正后的绝对海平面上升速率为(0.78±0.41)mm/a,低于全球同期水平,与卫星高度计观测的绝对海平面变化结果具有很好的一致性,二者相差(0.23±0.46)mm/a。在进行区域海平面变化分析时,可利用GNSS修正验潮站相对海平面获得该区域的绝对海平面变化。利用修正后的海平面资料分析结果显示,新奥尔松地区海平面变化具有明显的季节性规律,每年10月-11月为季节高海平面期,3月-4月为季节低海平面期。通过海表面温度与海平面的相关性分析认为,随着海表面温度变化,海平面也发生相应的变化。     

利用多代卫星测高资料监测1993～2011年全球海平面变化

联合多代测高卫星T/P、Jason-1/2海面高数据和验潮站数据,确定了各卫星高度计的长期低频漂移,建立了统一的卫星测高海面高观测值,研究了1993～2011年间全球平均海平面的变化。结果表明,近18a全球平均海平面以3.12±0.4mm·a-1的速率上升,其中,海平面年际信号与ENSO事件表现出较强的相关性。     

基于验潮数据的南极海平面相对变化分析

基于夏威夷海平面研究中心提供的南极6个验潮站多年逐时潮位数据,本文首先利用迭代调和分析对初步观测数据进行补缺,并在此基础上计算月平均海平面,最后利用功率谱分析、最大熵谱分析、奇异谱分析等方法确定海平面的相对变化速率和振动周期。研究表明,南极海平面相对上升速率与全球其他区域基本一致(3mm/a-7mm/a),但是在个别测站(例如:Esperanza)的上升速度非常明显,达到厘米级。     

联合Argo浮标、卫星测高和GRACE数据研究海平面变化

卫星测高、GRACE、Argo等数据为监测海平面变化提供了丰富的观测数据,利用Argo数据计算的比容海平面变化,可以更加深入地理解卫星测高以及卫星重力获得的海平面变化。利用2004年1月至2010年12月间Argo浮标采集的温度和盐度数据,通过数值积分方法计算了65°S~65°N间的比容海平面异常,并通过最小二乘拟合得到比容海平面变化的长期趋势为0.63±0.45 mm/a,与Llovel得到的结果吻合较好。利用卫星测高数据得到该时间段内海平面变化趋势为2.52±0.71 mm/a,GRACE反演得到的海水质量变化引起的海平面趋势为1.84±0.13mm/a,结果表明海水质量变化成为引起海平面变化的主要因素。最后对联合卫星测高、GRACE得到比容海平面变化与相应Argo浮标数据计算结果的空间分布特征进行了比较。     

利用验潮站观测数据校正测高平均海平面变化线性漂移

针对卫星测高数据确定平均海平面变化速度中可能存在的线性漂移问题,利用全球快速验潮站观测数据,在进行精细数据预处理中,为保证两种数据观测含相同时变海平面信号,改进了同步校正方法,解决了每个验潮站参考基准不同导致验潮站上两种数据海平面变化差值无法进行全球平均的问题,并以T/P卫星观测数据为例,确定了其平均海平面变化线性漂移,为获取真实海平面变化速度提供了保证。     

联合卫星重力、卫星测高和海洋资料研究全球海平面变化

利用GRACE、卫星测高和海洋实测温盐数据,探讨了2003~2012年间全球海平面、比容海平面和海水质量等的变化特征,并讨论了南极冰盖和格陵兰冰盖消融对全球海平面变化的影响。全球海平面整体呈上升趋势,上升速度为2.72±0.07 mm/a,且存在显著的空间分布特征。全球海平面、比容海平面和海水质量等的变化还具有显著的季节性特征,其中全球海平面变化的年周期振幅为4.6±0.3 mm。使用经验正交函数分析(EOF)得到全球海平面和比容海平面的季节性变化在南北半球存在显著的差异,但海水质量季节性变化不存在这种差异。南极冰盖和格陵兰冰盖的消融速率分别为-75.7±12.3 Gt/a和-124.1±2.9 Gt/a,对海平面的长期趋势项贡献分别为0.21±0.03 mm/a和0.34±0.01 mm/a,仅占全球海水质量增加速度1.80±0.10 mm/a的12%和19%,总计占31%,因此,两极冰盖质量消融并不是2003-2012年间海水质量增加的最主要因素。     

我国高精度GPS陆海垂直运动监测网的建立与精度分析

为了将验潮站得到的海平面变化信息与难潮站所在陆地垂直运动分离开来,获得海平面变化的绝对信息,在我国沿海５个难潮站建立了一个高精度的ＧＰＳ陆海垂直运动监测网,采用ＧＡＭＩＴ和Ｇｌｏｏｋ软件对数据进行处理,并顾及影响高程因素中由于方位不对称引起的大气延迟改进的Ｎｉｅｌｌ模型,我们最终得到ＧＰＳ监测网毫米级的高程精度。     

相对海平面变化时段选择效应分析

验潮站观测的海面高度数据是监测海平面变化以及确定平均海面的重要基础观测信息,利用滑动时段法和时段累积法对验潮站不同观测时段相对海平面变化速率的差异进行了分析,讨论了时段选择效应对计算相对海平面变化的影响,并利用美国东海岸验潮站观测数据对分析结果进行了补充实验.实验结果表明,不同观测时段相对海平面变化速率差异最大可达27...     

How do Unmodeled Systematic Mean Sea Level Variations Affect Long-term Sea Level Trend Estimates from Tide Gauge Data?

Although there are over 1,800 globally distributed tide gauge stations, only a few hundred of them are suitable for monitoring and analyzing global mean sea level (MSL) changes. This is because several tide gauge records span short periods of time and therefore their trend estimates are adversely affected by unmodeled systematic sea level changes such as seasonal, interannual, decadal variations. This limitation can be improved by using more elaborate models that account for systematic fluctuations in MSL for shorter time-series. In this study, analytic expressions were derived to analyze and quantify the epoch-by-epoch and lump-sum effects of these systematic changes to the local MSL trend estimates as a function of the time-series‘ lengths. The numerical results reveal that systematic MSL variations, particularly transient/episodic ones, if they are not properly modeled or omitted from the models, will bias the trend estimates for the tide gauge data series around the world by up to 0.6 mm/year for the 50-year time-series that are needed for more reliable inferences about global MSL. Random effects, which are not a factor in estimating MSL trends for the long-term (>50 years) time-series, need to be scrutinized together with the systematic errors for time-series shorter than 50 years.     

验潮站坐标时间序列特性分析

文中以298个验潮站作为研究对象,采用广义高斯-马尔科夫模型(GGM)、自回归滑动平均模型(ARMA)以及分形自回归聚合滑动平均模型(ARFIMA)三种模型,对验潮站坐标时间序列噪声模型特性及海平面变化趋势进行估计分析,并探讨了时间跨度对验潮站速度估计的影响. 实验结果表明:验潮站坐标时间序列主要呈现为ARFIMA(1,0)、ARFIMA(2,2)、ARMA (1,0) 噪声特性;验潮站速度估计结果表明64.77%的站点速度值所处区间为0～4 mm/a,平均海平面速度为1.25 mm/a,整体处于上升趋势. 随着时间跨度的增加,验潮站坐标序列速度不确定度逐渐由发散趋于收敛,大于110 a的时间跨度有助于获取稳健的验潮站速度估计值.      

Rescue of the historical sea level record of Marseille (France) from 1885 to 1988 and its extension back to 1849–1851

This paper describes the historical sea level data that we have rescued from a tide gauge, especially devised originally for geodesy. This gauge was installed in Marseille in 1884 with the primary objective of defining the origin of the height system in France. Hourly values for 1885–1988 have been digitized from the original tidal charts. They are supplemented by hourly values from an older tide gauge record (1849–1851) that was rediscovered during a survey in 2009. Both recovered data sets have been critically edited for errors and their reliability assessed. The hourly values are thoroughly analysed for the first time after their original recording. A consistent high-frequency time series is reported, increasing notably the length of one of the few European sea level records in the Mediterranean Sea spanning more than one hundred years. Changes in sea levels are examined, and previous results revisited with the extended time series. The rate of relative sea level change for the period 1849–2012 is estimated to have been \(1.08\pm 0.04\)  mm/year at Marseille, a value that is slightly lower but in close agreement with the longest time series of Brest over the common period ( \(1.26\pm 0.04\)  mm/year). The data from a permanent global positioning system station installed on the roof of the solid tide gauge building suggests a remarkable stability of the ground ( \(-0.04\pm 0.25\)  mm/year) since 1998, confirming the choice made by our predecessor geodesists in the nineteenth century regarding this site selection.     

中短期验潮站验潮零点不规则漂移精密处理

压力验潮仪是海洋深度测量最重要的辅助传感器之一,中、短期验潮站一般采用压力验潮仪定点布设并实现对沿岸水深测量的水位控制。受复杂海洋作业环境的综合影响,在工程实践中发现验潮零点极易出现不规则漂移,是制约水深测量成果精度的主要因素之一,但相关的探测与校正精密理论研究滞后。分析了验潮零点不规则漂移的形成机理,提出了漂移探测及校正的精密处理数学模型。通过对定海长期站和港鑫临时站以及大丰长期站和三丫子临时站等近一个月实测同步验潮数据的处理,分析了两种日平均海面计算方法对不同周期分潮的削弱效果,结果表明,本文提出的新模型适用于验潮零点不规则漂移的精密处理,经零点校正后,港鑫、三丫子等临时验潮站的水位观测数据精度由dm级提高至cm级。     

Global sea-level rise and its relation to the terrestrial reference frame

We examined the sensitivity of estimates of global sea-level rise obtained from GPS-corrected long term tide gauge records to uncertainties in the International Terrestrial Reference Frame (ITRF) realization. A useful transfer function was established, linking potential errors in the reference frame datum (origin and scale) to resulting errors in the estimate of global sea level rise. Contrary to scale errors that are propagated by a factor of 100%, the impact of errors in the origin depends on the network geometry. The geometry of the network analyzed here resulted in an error propagation factor of 50% for the Z component of the origin, mainly due to the asymmetry in the distribution of the stations between hemispheres. This factor decreased from 50% to less than 10% as the geometry of the network improved using realistic potential stations that did not yet meet the selection criteria (e.g., record length, data availability). Conversely, we explored new constraints on the reference frame by considering forward calculations involving tide gauge records. A reference frame could be found in which the scatter of the regional sea-level rates was limited. The resulting reference frame drifted by 1.36 ± 0.22? mm/year from the ITRF2000 origin in the Z component and by ?0.44 ± 0.22?mm/year from the ITRF2005 origin. A bound on the rate of global sea level rise of 1.2 to 1.6?mm/year was derived for the past century, depending on the origin of the adopted reference frame. The upper bound is slightly lower than previous estimates of 1.8?mm/year discussed in the IPCC fourth report.