1994—2014年南极沿岸验潮站海平面绝对变化确定与分析

柯灝， 李斐， 张胜凯*， 马超， 王爱学

1 武汉大学中国南极测绘研究中心， 武汉 430079 2 武汉大学测绘学院， 武汉 430079



1994—2014年南极沿岸验潮站海平面绝对变化确定与分析

柯灝1， 李斐1， 张胜凯1*， 马超1， 王爱学2

1 武汉大学中国南极测绘研究中心， 武汉 430079 2 武汉大学测绘学院， 武汉 430079

鉴于卫星测高技术在南极周边海域会受到海面浮冰影响，且在利用测高序列分析海平面周期性动态变化时还会受到潮汐周期混叠效应的影响，为此，本文开展了基于GPS和验潮数据联合的南极大陆附近海域从1994—2014年间海平面的绝对变化研究.研究结果显示：在围绕南极大陆及附近海域的15个验潮站中，海平面绝对变化速度最大的是Diego Ramirez验潮站，达到11.10±0.04 mm·a-1；在西南极南极半岛的德雷克海峡，海平面变化最为活跃，变化均值在8.31±0.05 mm·a-1；在东南极，从Syowa站依次到Casey站，海平面的绝对变化速度相对平稳，四个潮位站海平面变化均值为3.35±0.04 mm·a-1；在罗斯冰架右下侧的罗斯岛附近，由于冰川崩解入海导致Scott Base站处的海平面上升速度较快，达到了9.61±0.07 mm·a-1.综合15个验潮站计算结果可得南极半岛德雷克海峡和罗斯岛附近海域，海平面绝对变化速度要高于同期南大洋海平面绝对变化速度，而东南极4个潮位站海平面绝对变化均值则与其相当.这也进一步反映了南极不同海域间海平面变化的差异性，相比较于对南大洋海平面变化的一个整体研究，分区研究海平面变化更具针对性，能更好地了解南极不同区域冰盖、冰架崩解和消融的情况.

南极海平面； GPS； 验潮； 绝对变化； 1994—2014

1 引言

南极海平面变化对南极的冰盖物质平衡及全球气候变化研究具有重要科学意义(Wen，2000).目前，利用卫星测高技术计算的从1993年至今全球海平面的上升速率大约是3.27 mm·a-1(IPCC，2007)，而南极大陆融入海洋的陆地冰对全球海平面上升的贡献量大约占到50%(Allison et al.，2015).南安普顿大学Rye(2014)发现从1992年到2011年，在南极大陆沿岸海域由于南极冰川消融导致海平面上升速率要比50°S以上的无冰覆盖区域的南大洋的平均海平面上升速率至少快2±0.8 mm·a-1，由此说明南极大陆周边海域的海平面变化更加活跃.因此，研究了解围绕南极大陆周边海域的海平面实时变化情况对南极冰盖消融、冰川崩解入海以及冰盖物质平衡等研究更具指导意义.

由于海冰覆盖的影响，对南大洋海域利用卫星测高技术监测海平面的动态变化时，海平面的测高精度也会受到影响，尤其在南极的冬季其影响更甚(Liu et al.，2004).另外，海平面的卫星测高序列观测时间间隔较长，因此在分析海平面周期性的动态变化时可能需考虑潮汐频率混叠效应问题(暴景阳和许军，2013)，该问题目前只能通过采用某种方法进行削弱.而利用验潮站潮位观测数据分析海平面变化则不存在这一问题，同时这种传统的潮汐观测方法在观测精度上较卫星测高更有优势，且验潮站的位置一般分布在南极大陆近海的沿岸海域，因此对南极冰川消融以及冰川崩解入海等活动引起的局域海平面变化更加“敏感”.随着GPS空间定位技术的日益完善以及南极大陆及周边地区GPS长期跟踪站数量的增多，通过GPS静态观测以及长基线解算技术分析南极地壳板块运动，获取高精度的速度场已成为可能(Bouin and Vigny, 2000；Dietrich, 2001； Bingley, 2001； Mazzotti, 2007； Jiang et al., 2009； Bouin, 2010).同时，围绕在南极大陆周边海域的长期验潮站也已积累了多年的潮位观测数据，为海平面的相对变化分析提供了可靠的数据源.

综上，本文将联合GPS和验潮手段，计算分析从1994年至2014年间，整个南极大陆周边海域海平面的绝对变化情况，为南极冰川崩解消融及冰盖物质平衡研究提供数据支撑.

2 数据处理分析

2.1 南极验潮站海平面相对变化计算

2.1.1 潮位数据来源

验潮数据的收集来自英国Proudman海洋实验室的Permanent Service for Mean Sea Level(PSMSL)以及美国夏威夷大学的Sea Level Center.目前在南极洲沿岸及周边附近海域共计采集了15个长期验潮站的潮位观测数据，各验潮站空间分布如图1所示.其中验潮站Port Stanley和Stanley II在空间地理位置上较接近，因此在图中标注站名时加以括号以示区分.同样类似的还有Base Prat和Puerto Soberania，Faraday和Argentine Islands.

图1 南极海域验潮站分布示意图Fig.1 The spatial distribution of tidal gauges arounding the Antarctica

2.1.2 潮位数据处理与分析

(1)

(1)式中，MSL为平均海平面，Δζ为海平面相对变化速度，第三部分为周期变化部分，其中，n为长周期分潮个数，A为周期变化的振幅，σ为周期变化的角速度，t为时间变量，φ为周期变化的初相位.式中，各周期变化的角速度为已知值，通过采用最小二乘原理可计算出海平面相对变化量Δζ.

如表1列出了各验潮站海平面相对变化速度.

在表1中，海平面相对变化速度最大的是智利的Diego Ramirez站，达到12.19 mm·a-1，而与其相邻的Ushuaia II站海平面相对变化速度则是-2.16 mm·a-1，两站海平面相对变化截然相反，这也说明该区域海平面变化较剧烈.而海平面相对变化速度最小的是Faraday站，相对变化速度为0.

在上述15个验潮站中，有三组共6个验潮站地理位置十分接近，其中Port Stanley和Stanley II，Faraday和Argentine Islands由于各自潮汐数据来源不同，观测时间跨度不同，导致最后计算所得的海平面相对变化速度存在差异，但差异较小，基本在1.4 mm·a-1内.而Base Prat和Puerto Soberania尽管数据来源也不同，但其观测时段一致，因此两站的海平面相对变化速度也基本一致，差异在0.1 mm·a-1之内.

表1 验潮站数据列表及相对海平面变化速度Table 1 The relative sea level changes of tidal gauges surrounding the Antarctica

2.2 南极大陆板块垂向速度场计算

2.2.1 GPS数据来源

POLENET(The Polar Earth Observing Network)是致力于极地观测的全球网系统，主要采集极地区域的GPS和地震观测数据，为极地冰川活动、冰川消融对海平面的贡献等研究提供基础数据.IGS(International GPS Service for Geodynamics)组织于1994年开始正式运行，在全球各个板块都设立有永久性的GPS跟踪站，为地壳板块运动等地球物理学相关研究提供了宝贵的数据资源(Schone, 2009).目前在南极大陆及周边地区同样布设有若干IGS观测站，并且在某些观测站上已经积累了长达20余年的观测数据.上述这些都为南极地壳的板块运动研究提供了有力的数据支持.

本文在南极海域海平面绝对变化研究中用以监测南极板块垂向运动速度的GPS观测站的采集主要来自于POLENET和IGS组织，其中IGS站点20个，POLENET站点32个.此外本文还收集了一些其他服务组织的GPS连续跟踪站的观测数据，共计14个站点.如Antarctica Erebus、BAS以及武汉大学中国南极测绘研究中心CACSM在中山站布设的GPS连续跟踪站的观测数据.上述这些GPS观测站的数据跨度为1996—2014年，最长达19年，其空间分布如图2所示.

图2 GPS连续跟踪站空间分布Fig.2 The spatial distribution of GPS tracking stations

2.2.2 数据处理与分析

数据处理主要分为三步，第一步：利用GAMIT软件(King, 2003)对GPS观测数据进行基线解算；第二步：运用GLOBK平差得到各站点每日坐标时间序列(Herring, 2003)；第三：利用CATS3.2软件处理分析各GPS时间序列的线性项和周期项.

数据处理具体方案如下：

(1) 基线解算类型为松弛解(RELAX)，同时估计测站坐标、卫星轨道和地球定向参数；

(2) 单天解采用无电离层组合、自动修复周跳模式(LC_AUTCLN)；

(3) 选取VESL、DAV1、OHI2、OHI3、SYOG、MAW1、CAS1、DUM1、MCM4、ROTH、PALV、PALM、SANT、PARC、GOUG、HRAO、HERG、MAC1、HOB2、MQZG共20个IGS站作为基准站；

(4) 历元间隔为30s，高度角设置为15°；

(5) 对流层折射模型采用Saastamoinen模型；

(6) 潮汐改正采用GAMIT提供的FES2004潮汐模型；

(7) 使用GLOBK在ITRF2008参考框架下进行网平差，平差时加入全球子网h文件(子网IGS1-IGS9，共计1400多个站点)；

(8) 部分GPS站点因为地震或天线变动等原因发生了阶跃，使用GAMIT10.5最新的地震文件itrf08_comb.eq对同震位移进行改正；

(9) 使用稳健孤立值探测法(即三倍四分位数差法则，IQR)对坐标时间序列中的孤立值进行剔除.最后利用CATS3.2软件在仅白噪声模型下估计时间序列的线性项和周期项.

经上述逐项数据处理分析后，各GPS观测站的垂向运动速度、时间跨度、所属组织及空间位置如表2所示.

由图2及表2中数据可知，东南极地区GPS站点较少，垂向速度最大值小于3 mm·a-1；西南极站点较多，速度场的分布也较为复杂，垂向上升较大的速度主要分布于阿蒙森海附近、南极半岛以及横断南极山脉前端等区域，最大速度为27.67±0.19 mm·a-1，而垂向下降较大的速度主要分布在罗斯岛(埃里伯斯火山)附近的区域，最大下降速度为-11.01±0.93 mm·a-1.综上，在西南极地区的GPS测站垂向运动速度普遍要大于东南极，这也反映了南极目前的地质构造和地壳运动情况，即东南极是一个稳定的前寒武纪地质构造，而西南极由于存在大量的火山岩及相关火山熔岩，是一个非常活跃的地区.因此，西南极比东南极在地壳运动上要更加活跃.

表2 南极及周边GPS观测站的垂向运动速度Table 2 Vertical velocities of GPS tracking stations that are around and on Antarctica

续表2

2.3 海平面绝对变化确定与分析

根据2.1和2.2小节里分别计算的验潮站处海平面相对变化速度以及南极地壳板块垂向运动速度场，根据公式(2)可得验潮站处海平面的绝对变化速度(焦文海等，2004)：

(2)

式中，Δζ表示海平面相对变化速度，Δhcrustal为地壳垂向运动速度，ΔHsea则为海平面绝对变化速度.

由于某些GPS观测站和验潮站在空间位置上并非完全重合，因此各验潮点处所在的地壳垂向运动速度将根据验潮站周围已知的GPS站垂向速度场进行几何插值拟合法求得.鉴于GPS观测站数量较多，且分布并不均匀，因此本文再对验潮站处垂向速度进行插值拟合时将根据邻近已知点进行反距离加权平均插值.其插值模型如下：

(3)

(3)式中，Vi表示各GPS站的垂向速度，Pi则是各GPS站的反距离权值.其中参与加权内插的已知GPS站距待求点验潮站的空间距离需满足大地坐标差分别小于阈值k1和k2条件.如图3所示，由于每个验潮站周边附近GPS观测站数量、分布情况并不一样，因此对每个验潮站进行加权内插时，各自阈值k1、k2的确定需具体情况具体分析.

通过加权内插获得各自验潮站所处地壳的垂向速度后，结合表2中各验潮站的相对海平面变化速度，并根据公式(2)可得各验潮站的海平面绝对变化速度，如表3所示.

将上表中各验潮站海平面的绝对变化速度绘制如图4所示，其中变化速度垂直向上为正，向下为负.

从图4中可看出，在南极半岛的德雷克海峡，海平面的绝对变化速度普遍要高于其他海域，其中变化速度最大的是Diego Ramirez验潮站，达到11.10±0.04 mm·a-1.尽管Diego Ramirez站的潮位观测时间跨度从1991-03—1997-09只有6年多时间，但其附近的Base Prat、Puerto Soberania、Faraday及Argentine Islands的海平面上升速度都较大，该四潮位站的平均绝对变化速度也超过了7.61 mm·a-1，进一步说明了该海域海平面的变化较活跃，其海平面上升均值达到了8.31±0.05 mm·a-1.而东南极从上至下的Syowa到Casey站，海平面的绝对变化速度相对于南极半岛都较为平缓，最大只有4.61±0.13 mm·a-1，四站的变化速度均值为3.35±0.04 mm·a-1，要远低于位于西南极德雷克海峡的若干验潮站的变化速度.该特征也较好地符合目前南极板块的地壳运动：东南极是较稳定的前寒武纪地盾，西南极地形复杂，有海底火山活动和裂谷的运动，特别是在南极半岛地区.基本上在同期1993年1月至2012年11月，由卫星测高得到的南大洋平均海平面变化速度为3.68±0.4 mm·a-1(黄继锋，2013)，这与东南极四个潮位站海平面绝对变化均值3.35±0.04 mm·a-1相当，而远小于南极半岛德雷克海域海平面绝对变化.

图3 南极GPS观测站和验潮站空间分布示意图Fig.3 The spatial distribution diagram of GPS tracking stations and tidal gauges

图4 南极验潮站海平面绝对变化速度Fig.4 The absolute sea level changes of tidal gauges surrounding the Antarctica

验潮站纬度(°S)经度来源时间段海平面绝对变化速度(mm·a-1)ScottBase77.85166.77PSMSL2001-01—2010-129.61±0.07CapeRobertsAntarctica77.03163.19PSMSL1990-12—2009-070.57±0.08Syowa69.0039.60UHSLC1987-01—2010-123.52±0.05Davis68.4577.97UHSLC1993-04—2010-011.81±0.03Mawson67.6062.87UHSLC1993-03—2009-124.61±0.13Rothera67.57-68.13PSMSL2003-01—2011-120.90±0.33Casey66.28110.53UHSLC1996-01—2008-113.46±0.03ArgentineIslands65.25-64.26PSMSL1958-01—2013-127.17±0.17Faraday65.25-64.27UHSLC1984-03—2009-115.83±0.17BasePrat62.48-59.63UHSLC1984-02—2002-128.77±0.09PuertoSoberania62.48-59.63PSMSL1984-02—2002-128.68±0.09DiegoRamirez56.50-68.72PSMSL1991-03—1997-0911.10±0.04UshuaiaII54.82-68.22PSMSL1970-05—2006-02-3.25±0.04PortStanley51.75-57.93UHSLC1992-11—2001-06-0.40±0.04StanleyII51.69-57.82PSMSL1992-11—2013-120.48±0.04

位于罗斯海域的Scott Base和Cape Roberts Antarctica两验潮站尽管在空间距离上仅相距400 km左右，但其海平面绝对变化速度却相差较大.其中Scott Base站的变化速度达到9.61±0.07 mm·a-1，而Cape Roberts则只有0.57±0.08 mm·a-1，海平面变化非常平缓.通过分析罗斯冰架附近冰流速变化特征，可得原因：目前罗斯冰架每年向海延伸300 m到760 m，在冰架外缘与海水接触的部分，由于海水温度、风浪、潮汐等因素的影响，从冰架上崩解入海的冰山达数十亿吨.从地理位置上分析，Scott Base潮位站位于罗斯冰架右下侧的罗斯岛附近，根据NSIDC(National Snow & Ice Data Center)利用Radasat-2获得的南极2009年冰流速数据，显示在罗斯岛附近从冰架入海的冰流速超过100 m·a-1(Scheuchl et al.，2012)，大量的冰川流向海洋导致该处的海平面绝对变化量也较大.而Cape Roberts Antarctica潮位站则位于维多利亚地沿海基岩上，并非处于罗斯冰架的入海处，当Scott Base站附近由于冰川入海导致当地海面地形产生“剧烈”起伏后，在经过400km左右的传播达到Cape Roberts Antarctica时，其对海平面高的影响已经消耗殆尽.此外，从地形上分析，两验潮站处在一个“U”型的半封闭海岸带内，特别是Cape Roberts Antarctica站位于海岸带最里面，当地潮波传播特征较复杂，多以驻波为主，且受外界潮汐潮流影响较小，因此该站从1990—2009近20年来，海平面变化速度非常缓慢，近似为0.

综上，南极洲15个长期潮位站近20年来海平面绝对变化速度差异较大，其中在西南极尤其是南极半岛的德雷克海峡，海平面绝对变化均值达到了8.31±0.05 mm·a-1，远高于南大洋海平面绝对变化速度3.68±0.4 mm·a-1；而东南极4个潮位站海平面绝对变化均值则与其相当.

3 结论

本文运用GAMIT、GLOBK及CATS软件分析得到了南极大陆及周边地区共计66个GPS长期跟踪站从1994年至2014年间垂向运动速度矢量，同时根据围绕南极大陆及附近海域共15个长期潮位站多年的潮位观测资料，综合计算分析得到了各潮位站当地海平面绝对变化速度.其中位于西南极南极半岛的德雷克海峡，海平面变化最为活跃，最大上升速度为11.10±0.04 mm·a-1，均值在8.31±0.05 mm·a-1；在东南极，从Syowa站依次到Casey站，海平面的绝对变化速度相对平稳，四个潮位站海平面变化均值为3.35±0.04 mm·a-1；在罗斯冰架右下侧的罗斯岛附近，由于冰川崩解入海导致Scott Base站处的海平面上升速度较快，达到了9.61±0.07 mm·a-1.综合15个验潮站计算结果可得南极半岛德雷克海峡和罗斯岛附近海域，海平面绝对变化速度要高于同期南大洋海平面绝对变化速度，而东南极4个潮位站海平面绝对变化均值则与其相当.这也进一步反映了南极不同海域间海平面变化的差异性，相比较于对南大洋海平面变化的一个整体研究，分区研究海平面变化更具针对性，能更好了解南极不同区域冰盖、冰架崩解和消融的情况.

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(本文编辑 汪海英)

The determination of absolute sea level changes of the Antarctic coast tidal gauges from 1994 to 2014 and its analysis

KE Hao1, LI Fei1, ZHANG Sheng-Kai1*, MA Chao1, WANG Ai-Xue2

1ChinaAntarcticCenterofSurveyingandMapping,WuhanUniversity,Wuhan430079,China2SchoolofGeodesyandGeomatics,WuhanUniversity,Wuhan430079,China

The Antarctic region is the birthplace of global sea level change, and it has great scientific significance to study the sea level change surrounding the Antarctica continent. In view of the effect on precision of altimetry caused by floating sea ice in waters around Antarctica, and the tidal cycle aliasing effect is needed to be taken into account when using satellite altimetry sequence to analyze the sea level periodic dynamic changes. For this reason, this paper carried out a research on the absolute sea level change surrounding the Antarctica continent from 1994 to 2014 by using GPS tracking stations and tidal gauges. The results showed that the largest absolute sea level change in all 15 tidal gauges around the Antarctic is 11.10±0.04 mm·a-1at Diego Ramirez station. In the Drake passage adjacent to the Antarctic peninsula, the sea level changes are the most active, where the average change is 8.31±0.05 mm·a-1. In the east Antarctica, the absolute sea level changes of four tidal gauges Syowa, Mawson, Davis and Casey, are relatively stable and slow. The average change rate of above four tidal gauges is 3.35±0.04 mm·a-1. The absolute sea level change at Scott Base station is as fast as 9.61±0.07 mm·a-1, which is nearby Ross Island in the lower right side of Ross ice shelf. According to the sea level change calculation results, it can be concluded that the sea level change rates of the Drake passage adjacent to the Antarctic peninsula and Ross sea are higher than entire southern ocean sea level change. While the latter is approximately equal to the average change rate of four tidal gauges which are located in the east Antarctica. These reflect the sea level change differences among the different sea areas around the Antarctica. As a consequence, partitioned study of sea level change is more desirable and can better understand the ice shelf collapse and melting situation in different areas.

The Antarctic sea level; GPS; Tidal; Absolute change; 1994—2014

10.6038/cjg20160906.

国家自然科学基金(41506120，41531069，41176173)；南北极环境综合考察与评估专项资助项目(CHINARE-01-03)；中国极地科学战略研究基金(20150307)资助.

柯灝，男，1984年生，讲师，博士，现主要从事海洋测绘、极地海平面变化、潮汐潮流分析研究. E-mail: kehao1984@whu.edu.cn

*通讯作者 张胜凯，男，1977年生， 副教授，现主要从事极地大地测量学与冰川动力学研究. E-mail：zskai@whu.edu.cn

10.6038/cjg20160906

P228

2015-06-04；2016-07-15收修定稿

柯灝， 李斐， 张胜凯等. 2016. 1994—2014年南极沿岸验潮站海平面绝对变化确定与分析. 地球物理学报，59(9):3202-3210,

Ke H, Li F, Zhang S K, et al. 2016. The determination of absolute sea level changes of the Antarctic coast tidal gauges from 1994 to 2014 and its analysis.ChineseJ.Geophys. (in Chinese),59(9):3202-3210,doi:10.6038/cjg20160906.