一种海洋、大气和淡水负荷效应的推算方法及系统与流程

本发明属于海洋监测领域，具体涉及一种海洋、大气和淡水负荷效应的推算方法及系统。

背景技术：

固体地球除受到引潮力的直接作用而发生垂直和水平位移，并改变重力场外，还受到海洋潮汐负荷的作用而发生垂直和水平位移，并改变重力场(陈宗镛，1980；许厚泽、毛伟建，1988；Ray，1998；黄祖珂等，2005)。了解和计算这种变化对大地测量和卫星定位至关重要。大地测量工作主要关心的是负荷效应引起的重力场、位移场、倾斜场和应变场的改变。海洋潮汐工作主要关心的是负荷效应引起的地表垂直位移和自吸-负荷(self-attraction/load，简记为SAL)效应。前者与卫星高度计测量潮汐信息提取有关，后者与潮汐数值计算有关。

海洋潮汐和固体地球潮汐能够改变重力场，从而改变了引潮力。故作用在水体上的压力梯度力和修正后的引潮力需写作

$-g\▿(\mathrm{\ζ}-{\mathrm{\ζ}}_{\mathrm{EQ}}-{\mathrm{\ζ}}_{\mathrm{SAL}}),$

其中代表水平梯度ζ_EQ为考虑了体潮后的平衡潮高，可直接由引潮力得出，而自吸-负荷潮(ζ_SAL)是全球海洋潮汐(ζ)的负荷作用结果，应由海洋潮汐ζ和一种格林函数对全球进行卷积得出。因此，在海洋潮汐动力学研究和数值模拟中必须考虑自吸-负荷潮的影响。

目前对于大洋，通过将近20年的卫星高度计测高资料已可得到相当准确的ζ值(Shum et al.，1997)，因此由此得出的大洋中ζ_l和ζ_SAL准确度已较高。例如Ray(1998)根据Topex/Poseidon观测得出的分布与早先Francis and Mazzega(1990)根据Schwiderski模式得出的分布差别不大。在Topex/Poseidon MGDR资料中采用的负荷潮是CSR3.0模型(Benada，1997)，在大洋中可认为已足够准确。但对于浅海区，由于采用的海潮模型存在较大误差，所得的负荷潮亦包含可观的误差。例如周旭华(2001)比较了中国近海海潮(由方国洪提供)和CSR4.0(其精度比CSR3.0高)模型中的M2分潮，在122°E，31.0°-33.5°N各点振幅可差一倍或以上(经我们根据最新资料核对，CSR4.0模型的近海部分确存在很大误差)。

国外在大洋潮汐的早期动力学和数模研究中，由于问题的复杂性和计算条件限制通常只考虑平衡潮对海潮的作用。1970年代末不少学者指出自吸-负荷效应对潮汐有重要影响(例如Gordeev et al，1977)，从而在数值模拟中开始考虑自吸-负荷效应，其代表性的工作是Accad and Pekeris(1978)和Schwiderski(1980，1986)的工作。前者尝试单纯用引潮势计算全球潮汐，主要是理论的目的；后者则试图结合观测结果求得全球大洋潮汐的分布，主要是实用的目的。由于计算条件限制，他们都不约而同地假设ζ_SAL比例于ζ，即取ζ_SAL≈βζ。Accad and Pekeris取比例系数β＝0.085(以M₂为例，下同)；Schwiderski取0.1。后来不少人作了具体计算，表明这个比例关系不完全适用。例如Ray(1998)计算表明，对深海，正比关系一般尚好，但比例系数最大可达0.12；对边缘海，这个关系则完全不适用。Ray(1998)得出M₂的ζ_SAL最大可达7-8cm，而ζ_EQ最大也只不过17cm。同时前者空间结构复杂，即波长较短。短波的水平梯度较大，故与在量值上大小相当。也就是说，在数值模拟中只考虑而忽略是不适当的。近年来的大洋数模中大都不再采用比例关系，而将具体地计算出来，代到式ζ_g＝ζ+ζ_b+ζ₁，(例如，Egbert et al.，2004)。

我国早期的潮汐动力学和数值模拟常常不考虑平衡潮的作用。从1980年代开始(例如Ye and Robinson，1983；方国洪、杨景飞，1985)，大多数数值模拟引入平衡潮。

Fang et al.(1999)的计算表明，平衡潮在南海的潮能平衡中起到重要作用。引潮力对南海海水所作的功占整个南海消耗能量的百分比为23.4％(M2)，40.0％(S2)，32.1％(K1)和31.2％(O1)，因而是不可忽视的。前面已指出，的作用与作用相当，因而在中国近海，特别是南海和邻近的西北太平洋的潮波模拟中是不可忽略的。然而迄今为止，无论中外，对西北太平洋边缘海(包括中国近海)的模拟中均忽略了项。忽略SAL作用的一个重要原因是ζ₁和ζ_SAL的计算不像ζ_EQ那么简单。另外，迄今我国学者还没有对海洋中的自吸-负荷潮作过计算，因而我们对中国近海潮汐的了解尚缺乏完整性。

海洋潮汐与固体地球潮汐的相互作用对海洋潮汐研究和大地测量都是十分重要的。由于海洋、大气和冰雪具有显著变化，其负荷效应对年、半年周期潮汐分量(S_a，Ss_a)有重要意义。S_a分潮在中国近海相当大(以青岛为例，它是第五大分潮，振幅比K₂，O₁，Q₁，P₁分潮都大)，且其空间尺度比半日和全日分潮要大很多。尺度海洋的潮汐能引起较显著的负荷潮。S_a分潮的负荷潮在中国近海十分重要，然而国内外都未进行过S_a负荷潮的计算。影响S_a负荷潮的因素比通常的半日潮和全日潮要复杂。海洋(海面高度和海水密度)、大气压力和陆上淡水储量(主要是冰雪)具有显著季节变化，其负荷效应对年、半年周期潮汐分量(Sa、Ssa)有重要意义。例如，Fang et al(2004)发现卫星高度计测得的Sa分潮比地面验潮站实测值系统地小大约2cm，Fang等认为这可能与高度计订正中没有考虑年周期负荷潮有关；Tamisiea et al(2010)也认为SAL效应对验潮站测量的海平面的年周期变化有着重要的影响。海洋负荷的季节变化主要包括：海面高度的季节变化；海面密度的季节变化；大气负荷季节变化可由气压的季节变化获得；淡水负荷的季节变化包括冰雪、江河、水库、地下水等水储量的季节变化。

迄今为止，对中国近海和邻近海区还没有准确的分布资料，数模中亦未予以考虑；海洋、大气和冰雪的负荷效应对海平面的年变化亦有重要意义。从海洋角度看，缺乏负荷潮及海洋、大气和淡水负荷效应的计算。

技术实现要素：

本发明提供一种海洋、大气和淡水负荷效应的推算方法，包括以下步骤：

步骤S1、使用卫星高度计提取海洋潮汐信息，根据所述海洋潮汐信息得出全球海洋潮汐ζ的初始值；

步骤S2、获取海面高度、海面密度、大气压力及淡水贮量的变化值，并根据所述变化值确定弹性地球模型，计算得出负荷潮ζ_SAL；

步骤S3、根据所述ζ的初始值及负荷潮ζ_SAL获得引潮力，并重复步骤S1多次获得ζ，根据所述引潮力，重新计算ζ_SAL，直至获得准确ζ_SAL值。

优选的，在步骤S2中，所述变化值包括年变化值及半年变化值。

优选的，所述ζ_SAL的计算结果包括年周期潮汐分量S_a及半年周期潮汐分量Ss_a。

优选的，在步骤S2中，所述ζ_SAL的计算还包括海水密度、固体地球密度、全球海洋潮汐ζ及负荷Love数因素，其中负荷Love数由弹性地球模型决定。

优选的，从负荷潮ζ_SAL的潮波动力学效应角度，ζ_SAL还改变潮波结构。

优选的，若ζ_SAL＝βζ，则长波波速是

优选的，引潮力为其中，代表水平梯度ζ_EQ为考虑了体潮后的平衡潮高其直接由引潮力得出。

优选的，海面高度的变化利用高度计资料分析；淡水贮量季节变化采用GRACE重力测量结果。

本发明还提供一种海洋、大气和淡水负荷效应的推算系统，包括初始化模块、采集模块及趋近计算模块，所述初始化模块连接采集模块，所述采集模块连接趋近计算模块。所述初始化模块，用于使用卫星高度计提取海洋潮汐信息，并根据所述海洋潮汐信息得出全球海洋潮汐ζ的初始值；所述采集模块，用于获取海面高度、海面密度、大气压力及淡水贮量的变化值，并根据所述变化值确定弹性地球模型，计算得出负荷潮ζ_SAL；趋近计算模块，用于根据所述ζ的初始值及负荷潮ζ_SAL获得引潮力，并重复步骤S1多次获得ζ，根据所述引潮力，重新计算ζ_SAL，直至获得准确ζ_SAL值。

本发明具有如下有益效果：补充了现有技术中对于负荷潮及海洋、大气和淡水负荷效应的计算，完善了对研究海区潮汐的现有知识。同时，采用更多卫星高度计资料提取海洋潮汐信息，获取更准确的调和常数，并采用趋近法(nudging)把原有的潮汐同化模式予以扩展，且该潮汐同化模型适用任何海域。

附图说明

图1为本发明较佳实施例提供的海洋、大气和淡水负荷效应的推算方法流程图；

图2为本发明较佳实施例提供的潮面关系示意图；

图3为本发明较佳实施例提供的海洋、大气和淡水负荷效应的推算系统示意图。

具体实施方式

以下结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

如图1所示，本发明较佳实施例提供的海洋、大气和淡水负荷效应的推算方法包括以下步骤：

步骤S1、使用卫星高度计提取海洋潮汐信息，根据所述海洋潮汐信息得出全球海洋潮汐ζ的初始值。

具体而言，卫星高度计测量得到的海面高度是海面相对于地心的距离，其潮汐成份叫做地心潮(geocentric tide，记为ζ_g)，它由通常的海洋潮汐ζ，固体地球体潮(body tide，记为ζ_b)和固体地球对海洋潮汐负荷的响应，即径向位移负荷潮(vertical displacement loading tide，记为ζ_l)所组成，参照图2，其组成为：ζ_g＝ζ+ζ_b+ζ₁，如果要由卫星高度计测高资料推算出海洋潮汐ζ，必须知道体潮ζ_b和负荷潮ζ_l。体潮ζ_b可直接由引潮力得出，而ζ_l则是海洋潮汐对固体地球的负荷效应引起的。

步骤S2、获取海面高度、海面密度、大气压力及淡水贮量的变化值，并根据所述变化值确定弹性地球模型，计算得出负荷潮ζ_SAL；

具体而言，海洋潮汐和海洋负荷潮是互相耦合的现象。要知道负荷潮必须先知道海洋潮汐，而由数值模拟要得出准确的海洋潮汐，就要知道负荷潮。由于负荷潮要比海洋潮小一个量级，两者的计算可以通过迭代求解来完成。

固体地球对海洋潮汐的响应可写成

${\mathrm{\ζ}}_l=\underset{n}{\Σ}{h^{\′}}_n{\mathrm{\α}}_n{\mathrm{\ζ}}_n,$

所述ζ_SAL的计算还包括海水密度、固体地球密度、全球海洋潮汐ζ及负荷Love数因素，其中负荷Love数由弹性地球模型决定：

${\mathrm{\ζ}}_{SAL}=\underset{n}{\Σ}(1+{k^{,}}_n-{h^{,}}_n){\mathrm{\α}}_n{\mathrm{\ζ}}_n,$

其中ζ_n是全球海潮ζ展成球调和级数后的第n阶项；h’_n和k’_n是第n阶负荷Love数，由弹性地球模型决定；

α_n＝3(ρ_w/ρ_e)/(2n+1)，

其中ρ_w和ρ_e分别为海水和固体地球密度。公式改写为

其中G’(α)为Green函数，上面a_e和M_e分别为地球半径和质量，θ和λ为余纬度和经度，α为(θ，λ)和(θ’，λ’)两点的角距离，P_n为n阶Legendre多项式。依据G-B(Gutenberg-Bullen A)地球模型可得出G’值。改写为其中i代表全球海洋表面的第i个球面单元，dS’_i为该单元面积，N为单元总数。依据PREM地球模型(Preliminary Reference Earth Madel)，可得到a_eαG(α)的具体数值。由该数值算得的负荷潮与根据其他地球模型计算的结果只有小的差别。本发明的负荷潮及自吸-负荷计算将依据Gutenberg and Bullen A地球模型给出的结果进行计算。

在步骤S2中，所述获取海面高度、海面密度、大气压力及淡水贮量的变化值包括年变化值及半年变化值。对应ζ_SAL的计算结果包括年周期潮汐分量S_a及半年周期潮汐分量Ss_a。

具体地，影响S_a负荷潮的因素比通常的半日潮和全日潮要复杂。除了要考虑海面升降外，还必须考虑海面高度、海面密度、大气压力的年变化以及淡水贮量的年变化。海面高度的季节变化利用高度计资料分析，获取S_a、Ss_a分潮。海面密度季节变化采用美国NOAA的WOA资料。大气压力季节变化采用NCEP再分析资料。淡水贮量季节变化采用Ladworld-Gascoyne[Milly and Shmakin，2002]和GLDAS/Noah[Rodell et al.，2004]资料集，以及GRACE重力测量结果。

步骤S3、根据所述ζ的初始值及负荷潮ζ_SAL获得引潮力，并重复步骤S1多次获得ζ，根据所述引潮力，重新计算ζ_SAL，直至获得准确ζ_SAL值。

具体而言，对于海洋潮汐ζ，采用更多卫星高度计资料提取海洋潮汐信息，获取更准确的调和常数，并采用趋近法(nudging)把原有的潮汐同化模式予以扩展。

如前所述，在求得ζ_SAL后，可在潮波数值模式的控制方程中引入ζ_SAL项。其初始值可以用卫星高度计分析结果给出，在数值模拟得出ζ初步结果后，可重新计算ζ_SAL，然后再计算新的ζ。在准确模拟的基准上将对自吸-负荷潮的潮波动力学效应进行研究，主要侧重在它对潮波结构的影响。事实上，以粗糙地取ζ_SAL＝βζ为例，则长波波速不再是而是如取近似值β＝0.1，则波速将减小5％，潮波传播一个波长，位相将差18°。由于目前高度计潮汐分析结果在中国近海已达到一定的准确度，且数值模拟亦有相当基础，将现有的潮汐同化模型扩展到任何海域，上述计算均可实现。

如图3所示，本发明还提供一种海洋、大气和淡水负荷效应的推算系统，包括初始化模块1、采集模块2及趋近计算模块3，所述初始化模块1连接采集模块2，所述采集模块2连接趋近计算模块3。所述初始化模块1，用于使用卫星高度计提取海洋潮汐信息，并根据所述海洋潮汐信息得出全球海洋潮汐ζ的初始值；所述采集模块2，用于获取海面高度、海面密度、大气压力及淡水贮量的变化值，并根据所述变化值确定弹性地球模型，计算得出负荷潮ζ_SAL；趋近计算模块3，用于根据所述ζ的初始值及负荷潮ζ_SAL获得引潮力，并重复步骤S1多次获得ζ，根据所述引潮力，重新计算ζ_SAL，直至获得准确ζ_SAL值。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。