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比容和质量对南海海平面年度变化的影响
Xuhua Cheng ⁎, Yiquan Qi
LED, South China Sea Institute of Oceanology, Chinese Academy of Sciences, Guangzhou 510301, China
主要缩写：SCS （South China Sea）南中国海
SLAsteric （The steric sea level）比容引起的海平面异常
SLAmass （water-mass change）海水质量引起的海平面异常
SLA （sea level anomaly）海平面异常
1、摘要：
通过使用高度计测量数据，Ishii温盐数据和GRACE数据研究了南海（SCS）的海比容引起的海平面异常变化（SLAsteric），海水质量引起的海平面异常变化（SLAmass）及其对海平面异常（SLA）的贡献。每年的谐波结果和相关分析表明，SLAsteric对深水盆地的SLA有显着贡献，其相位在SCS的不同部分领先SLA 1-3个月，而SLAmass在很大程度上解释了浅水区域。西部SCS的区域平均SLA具有〜7.6cm的振幅和〜360°的相位，比SLAsteric高约〜3.8cm，峰值晚〜108°。SLA质量具有〜6.3cm的振幅和〜337°的相位。SLA和SLAmass之间的同时相关系数为0.78，这表明质量变化支配SCS西部的海平面变化。与西部SCS不同，SCS中部平均SLA峰在254°处具有〜3.3cm的较小振幅，其比对应的SLAsteric低约1.5cm且峰约晚15天。SLA和SLAsteric之间的同时相关系数为0.81; 因此，空间变化对海平面变化的贡献在中央SCS中占主导地位。
介绍：
南海（SCS）是西北太平洋最大的边缘海，它通过一些浅的通道与南部的Java和苏禄海相连，与太平洋在北部通过深吕宋海峡和东海通过浅台湾海峡。其底部地形的平均深度为1800米，最大深度大于5400米，覆盖从赤道到23°N和从99°E到121°E的区域（图1）。 在早期，由于测量记录长度有限，大多数关于SCS海平面的研究主要集中在年度变化上（Shaw等，1999; Ho等，2000; Liu et al。，2001a，b; Li等，2003）。使用TOPEX / Poseidon（TP）测高数据，科学家们在他们的研究中揭示了SCS海平面的显著年度变化。在冬季，作为东北季风的响应，整个深海盆地有两个低SLA中心，一个是吕宋岛沿岸，另一个是巽他陆架沿岸。随着夏季西南季风成为主导，海平面高值出现在吕宋岛和 [印度尼西亚] 巽他陆架，而越南沿岸的低值分离了两个高值区（Shaw等，1999; Ho等，2000）。 Liu et al。 （2001b）认为，大多数SCS的海面高度异常主要局限于SCS内部，首先是表面动力强迫，其次是表面热通量强迫。
随着高度计时间序列长度的增加，新的研究集中在SCS中海平面的年际和长期变化（例如，Li等人，2002; Fang等人2006; Cheng和Qi，2007; Rong等人2007）。Li等人的结果 （2002）指出，根据T / P数据，SCS平均海平面从1993年到1999年以约10.0mm /年的速度增长。 Fang et al。 （2006）指出，1993年至2003年SCS的海平面上升速度为6.7plusmn;2.7厘米/十年，发现SCS中的海平面与厄尔尼诺和南方涛动（ENSO）在年代际时间尺度上有些相关。Cheng和Qi（2007）发现，1993 - 2000年期间，SCS的平均海平面以11.3mm /年的速度增长，并在2001 - 2005年期间以11.8mm /年的速度下降。 作者还指出，SCS上层的热变化对海平面变化有显着的贡献。
海平面变化有两个主要组成部分。 一个是空间分量（Church et al。，2001; Cazenave and Nerem，2004; Carton et al。，2005），由于海水温度和所有深度的盐度的变化。另一个因素是由于海洋质量再分配或水质通量的结果（Church et al。，2001; Cazenave and Nerem，2004; Carton et al。，2005; Chambers，2006a）。卫星测高仪测量空间和质量变化的综合影响。然而，目标分析数据和海洋数据同化允许单独检查空间海平面变化（Fukumori，2002; Carton等，2005; Levitus等，2005; Ishii等，2006）。例如，Ishi地下温度数据使得有可能以满意的精度计算高海洋热海洋水平（Ishii et al。，2006）。此数据集已提供由于SCS的热含量变化估算海平面变化的结果令人满意（Cheng和Qi，2007; Rong et al。，2007）。2002年重力恢复和气候实验（GRACE）的推出为监测海洋水质变化提供了全新的工具（Nerem et al。，2004; Tapley et al。，2004; Wahr et al。，2004; Chambers，2006b）。来自GRACE的数据已被用于估算各个海洋地区的水质变化，并且在诸如地中海等边缘海域研究方面取得了良好的进展（Garciacute;a等，2006）。
尽管以前的研究已经揭示季节到南海海平面的长期变化，已经结合卫星数据和客观的分析数据研究空间位置和水质量的变化对总海平面变化的贡献 （Shaw et al。，1999; Ho et al。，2000; Liu et al。，2001a，b; Li et al。，2003; Fang et al。，2006）。在本文中，我们使用高度测量数据，Ishii数据和从GRACE得到的水质量数据来检验海平面预算。由于GRACE数据仅涵盖有限的时间段，所以我们将重点关注在所有观察中占主导地位的年度变化。本文的组织结构如下。 在第2节中，简要介绍了数据和方法。 在第3节中，介绍了结果和讨论。 结论见第4节。
2、数据和方法：
本研究中使用的海平面异常（SLA）数据由CLS空间海洋学部门分的TOPEX / Poseidon，Jason和ERS-1/2或Envisat SLA数据进行合并（见http：//www.aviso.oceanobs.com/）。高度计测量中已经应用了诸如电离层延迟，干湿对流层校正，电磁偏差，固体地球和海洋潮汐，海洋潮汐负载，潮汐，倒置气压计校正，海况偏差和仪器校正等各种校正。(Le Traon and Ogor,
1998; Le Traon et al., 1998; Dorandeu and Le Traon, 1999). 合并数据的准确度约为2-3厘米。 在本研究中，每周SLA数据首先被平均以产生月平均数据。为了与本研究中使用的其他数据一致，使用2003-2006年的高度数据，从原始数据中减去2003年1月至2006年12月的平均值。每月1°times;1°网格温度和盐度数据集用于估计SCS中的耐热性和卤素海平面（Ishii和Kimoto，2009）。与Ishii等人（2006）的历史温度分析相比，该版本介绍了XBT和MBT数据的深度偏差校正，以消除这些观察中的正温度偏差。数据跨越从1945年到2006年，深度从表面到700米。 至于高度数据，仅使用2003-2006年数据，意味着从原始数据中减去2003年和2006年之间的数据。
地球重力场的卫星测量由用于推测地球表面水体的运动的GRACE提供（Wahr et al.，2004; Chambers，2006a）。在本研究中，我们使用GRACE Tellus项目（http://grace.jpl.nasa.gov/data/mass/）提供的映射网格，这些网格基于克萨斯大学空间研究中心（CSR）从2002年8月至2008年8月得到的2级系数，（Chambers，2006a）。版本04（RL04）系数比以前版本的数据显着改善。 数据在500km高斯光滑的空间上平滑。2003年1月至2006年12月的时间段已从数据中删除。 在这项研究中，使用了2003-2006年的数据。 海平面异常和立体海平面数据均由500 km高斯平滑器平滑，与GRACE数据一致。
3、结果：
SLA的振幅和相位分别显示在图2a和b中。年周期的谐波的振幅以吕宋岛西北方向为特征，沿中国南部沿海，南越越南南部，长8-11厘米，11-14厘米，9 -14厘米。两个小振幅中心位于越南东北部和SCS南部东，最小值不超过2厘米。在SCS北部，SLA的年度周期在七至十二月期间高峰，从吕宋海峡向西北延伸至华南沿岸。在SCS的南部海域，1 - 2月份的海平面在东经105度左右达到最高，相位向东扩展。 在中央SCS，年相位传播要复杂得多。SCS中部地区的海平面在二月至六月（七月至十一月）期间达到峰值。 SLA的年度谐波与Zhang等人（2006年）的结果相似，其作者在2004年和2005年透露了使用合并高度测量数据的SCS中的两个年度海平面两极。
如图2c所示，空间海平面异常的年振幅模式（SLAsteric：由于Halonicic海平面相对较小，SLAsteric仅包括本研究中的热膨胀部分）与水深深度超过200m的SLA非常相似， 比如吕宋岛西北部以及越南东北部以及SCS东南地区的两个低点就具有很高的价值。然而，SLAsteric在吕宋西北部的幅度较大，两个低值中心的面积比SLA小。在深度较浅的地区，SLAsteric的幅度较小，特别是在越南沿岸的南部。9月至11月（8月至11月）北部（南部）SCS海域的SLAsteric高峰，而6月至8月期间SLAsteric在中部SCS达到最大值（图2d）。SLAsteric的原因导致在SCS的不同部分SLA大约1-3个月的时间。在深度超过200米的区域的年振幅和相位方面，SLA和SLAsteric之间的相干模式表明，比容海平面对总海平面有重要贡献。对于浅层200米以上的海域，海平面对海平面的贡献不大，因此浅水中的大幅度波动必须由水质量变化引起。
水质量异常（SLAmass）的年振幅特征在西部边界附近和南部大陆架附近的高值，从西部边界附近的8厘米到东部边界只有1厘米（图2e）。12°N以北，11月SLAmass最大，而SLAmass 12- 2月在SCS南部（图2f）中达到其最大值。冬季SCS西部的高SLAmass最有可能是由于东北风和浅架下的Ekman运输（Liu et al，2001a）。西部边界附近和南部浅层大陆架上的SLAmass的高幅度表明，水质量变化可以在很大程度上解释这些地区的海平面变化。然而，空间和质量异常的总和（SLAsteric mass）与观测到的SLA不仅在幅度上而且相位方面都有一些差异。SLAsteric mass在较深的水域只有一个低中心，其幅度约为SCS西南中SLA的大约一半。此外，SLAsteric mass峰值一般比SLA早一个月（图2g和h）。
图2只显示了年变化幅度和SLA，SLAsteric和SLAmass达到其最大值的时间。然而，为了更好地描述他们的年度周期，研究了SLA，SLAsteric和SLAmass的季节变化。在本研究中，我们分别使用1月，4月，7月和10月代表冬季，春季，夏季和秋季。如图3所示，SLA图像的一般特征是1月份深盆地的负值，位于吕宋岛以西和越南东南部的两个负中心。积极影响的SLA在SCS西部的浅架和南部的sunda架上。SLAsteric在整个流域几乎处于负值，两个低中心的幅度和位置接近于SLA，这表明冬季空间比容海平面变化是SCS深盆的大部分海平面下降的原因。在越南南部的SCS西部中，SLAmass具有较高的价值。比较SLA和SLAmass的空间分布，我们发现浅水区域的大SLA主要由SLAmass贡献。春季，冬季深盆地周围浅水区的高SLA略为负数，越南东部出现高海平面高峰。高海平面高度可以通过SLAsteric在很大程度上由SLAsteric图像所表示。浅水中SLAmass的幅度与SLA非常相似，这表明水质量损失可能是导致海平面下降的关键过程。在夏季，SLA，SLAsteric和SLAmass几乎反映了跟冬季相反的模式。与春季情况相反，秋季SLA和SLAsteric在越南东部有负中心，正的SLAmass占据SCS西部。空间和质量变化之和的模式与SLA的模式非常相似。 然而，在1月和7月的西南SCS，SLAsteric mass的大小大约是SLA的一半。10月，10°N以北的SLA通常比SLAsteric mass小3-6厘米。由于SLA和SLAmass数据的精度约为2-3cm，SLAsteric数据在SCS中的误差约为3cm，所以SLA和SLAsteric mass之间的差异可能部分地由数据集的误差引起。
本研究中显示的SLA和SLAsteric的季节变化与以前研究报告的结果非常相似（Ho et al。，2000; Liu et al，2001a，b），但结构更为详尽。在以前的研究中，由于SLAmass的有限数据，SLAmass变化及其对SLA的贡献较少研究。SLA和SLAsteric之间的相关系数显示出一些空间差异（图4）。在东部SCS中，相关系数大于0.5，其最大值超过吕宋岛西北部0.8，这表明热变化是该地区SLA年度周期的主要控制因素。在西部边界地区，SLA与SLAsteric之间的相关性并不显着。事实上，SLA和SLAsteric与越南南部有负相关。对于SLA和SLAmass，北部SCS和西南SCS发现了高达0.6的正相关，而SLA与中部盆地的SLAmass没有显着相关性，反映出中部盆地SLAmass对SLA的贡献较少，与其他 两个地区。
谐波和相关分析表明，西部和中部SCS的
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