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海平面变化是全球变暖的重要特征之一，包括海平面的几何变化、质量迁移及温盐变化。随着空间大地测量技术的迅速发展，尤其是卫星测高技术、重力卫星GRACE(Gravity Recovery and Climate Experiment)和GRACE-Follow on任务的实施，以及各类数值模拟技术的不断发展和完善，使得监测和研究全球特别是典型区域海平面的时空变化逐步成熟，这对研究及预测全球和区域气候变化具有重要的意义。
海水质量变化是海平面变化的重要组成部分。全球海水质量变化涉及到地表水、地下水储量的变化、陆地径流变化、山地冰川、极地冰川的消融等，成因复杂。对于区域海平面来说，其质量变化受多种因素的影响，需要进一步深入研究。南海由于周围大陆和岛屿的包围，其海水的进出口较少，主要通过吕宋海峡等几个海峡与周围进行水质量交换，是一个半封闭的海域。在南极区域，威德尔海的西侧和南侧被南极大陆包围，北侧的南极绕极流很大程度上阻隔了冷热水的交换，使得威德尔海成为一个相对“封闭”的海域，是南极冷水的主要源区。由于南海和威德尔海具有典型的代表特征，因此本文以南海和威德尔海作为主要研究对象，用大地测量方法探测海水的质量变化。
本文首先介绍了海平面变化的历史背景及研究现状，然后详细阐述了海平面变化的计算理论和数据处理方法。详细计算并分析了南海海平面及其质量项和比容项的时空变化，着重分析其周年变化、长期趋势变化、年际变化以及低频变化，探讨海平面变化及其两分量与ENSO(El Ni(n)o and Soutllern Oscillation)、PDO(Pacific Decadal Oscillation)和太阳黑子的关系。同时，应用卫星重力探测了威德尔海水团质量的变化，主要分析了威德尔海水团质量的季节性、年际和趋势变化，并初步探讨了其长期趋势的成因。论文研究内容主要包括以下几个方面:
(1)使用三种独立的方法估算南海的海水质量变化。
第一种是GRACE重力卫星的直接观测，第二种是从测高观测的海平面中扣除其比容项(“测高-比容”)，第三种是联合降雨、蒸发、洋流并应用水质量平衡理论得到(PEF)。将GRACE作为一致性比较的参考量，“测高-ECCO”及“测高-Ishii”与GRACE结果一致，PEF结果的振幅大于GRACE结果约86％。在周年尺度上，“测高-ECCO”、“测高-Ishii”结果与GRACE结果吻合，而PEF结果的周年振幅偏大。在年际尺度上，“测高-ECCO”无法捕捉南海海水质量的年际变化，而“测高-Ishii”与PEF结果显示南海海水质量的年际变化与ENSO成正相关，并且ENSO对南海质量变化的正相关影响主要是通过作用于降雨和洋流通量而实现的。
(2)分析了南海比容海平面的周年变化、年际变化及其与ENSO的关系。
南海比容海平面变化的周年振幅约为21～35mm，并在8月达到最大值。在年际尺度上，比容海平面变化与ENSO显著相关，在El Ni(n)o。期间，比容海平面下降，在La Ni(n)a期间，比容海平面上升，并且EOF的第一个模态能捕捉到年际变化的主要特征。ENSO可以通过北风异常和北太平洋环流(黑潮)的变化来影响南海比容海平面的变化。在El Ni(n)o期间，南海海域出现北风异常，导致南海海水温度降低，同时，低温的黑潮水入侵南海，使得比容海平面下降。
(3)分析了南海海平面及其质量项和比容项在不同时间段的趋势变化。
在1993～2012年间，南海海平面的上升趋势为4.7±O.3mm/yr。ECCO模式和Ishii实测资料得到的比容项趋势分别为2.6±O.3mm/yr)和1.4±O.2mm/yr。1993～2002年间，南海总海平面的上升趋势为7.6±O.7mm/yr。ECC0和Ishii得到的结果比较吻合，比容项变化约贡献了总上升趋势的一半。2003～2012年间，南海总海平面的上升趋势达到9.9±0.6mm/yr，GRACE给出其质量项的上升趋势不明显，大约处于O～1.3mm/yr，这说明比容项的上升趋势更显著。ECC0和Ishii得到的比容项变化分别为8.5±O.6mm/yr和1.7±0.5mm/yr，2003～2012年间Isllii结果的趋势项偏小。
(4)探讨了南海海平面的低频变化及其成因。
南海的总海平面变化及其比容项存在一个显著的低频震荡，该低频震荡的周期大约为10年。PDO和太阳黑子是与该低频震荡相关的两个因素。在年代际尺度上，PDO与比容海平面变化之间成显著负相关，而太阳黑子与比容海平面变化之间为正相关关系，并且PDO和太阳黑子对于表层海水温度的影响要强于对表层海水盐度的影响。南海海平面的质量项不存在该低频变化，并且在年代际尺度上，PDO和太阳黑子对引起质量变化的三个分量即降雨、蒸发、洋流变化均不存在显著影响。
(5)应用GRACE卫星重力探测南极威德尔海水团质量的时空变化。
南极大陆周围的威德尔海，由于受到极地气候的影响，水团质量在1～3月及11～12月增加，而在4～10月质量减少。在年际尺度上，EOF结果表明，在95％置信水平下，威德尔海水团的质量变化与南极涛动(Southem Annular Mode，SAM)显著相关，二者间的相关系数达到-O.66。2002～2016年间威德尔海水团的质量变化存在4.1±O.2mm/yr的上升趋势，增加的水团质量可能与西南极的冰川消融有关。
综上所述，本文的创新性研究成果主要体现在以下几个方面:
(1)拓展了海水质量变化研究的方法。首次将水质量平衡理论应用于研究南海的海水质量变化，为海水质量变化的研究提供了新的途径。
(2)探讨了海平面的低频变化及其成因。南海的总海平面变化及其比容项存在周期大约为10年的低频震荡，该低频震荡与PDO及太阳黑子活动均存在一定的相关性。
(3)应用大地测量方法探讨了威德尔海水团的质量变化。威德尔海的水团质量存在显著的季节性变化，南极涛动(SAM)影响水团质量的年际变化，其趋势变化可能与西南极的冰川消融有关。
海水质量变化是海平面变化的重要组成部分。全球海水质量变化涉及到地表水、地下水储量的变化、陆地径流变化、山地冰川、极地冰川的消融等，成因复杂。对于区域海平面来说，其质量变化受多种因素的影响，需要进一步深入研究。南海由于周围大陆和岛屿的包围，其海水的进出口较少，主要通过吕宋海峡等几个海峡与周围进行水质量交换，是一个半封闭的海域。在南极区域，威德尔海的西侧和南侧被南极大陆包围，北侧的南极绕极流很大程度上阻隔了冷热水的交换，使得威德尔海成为一个相对“封闭”的海域，是南极冷水的主要源区。由于南海和威德尔海具有典型的代表特征，因此本文以南海和威德尔海作为主要研究对象，用大地测量方法探测海水的质量变化。
本文首先介绍了海平面变化的历史背景及研究现状，然后详细阐述了海平面变化的计算理论和数据处理方法。详细计算并分析了南海海平面及其质量项和比容项的时空变化，着重分析其周年变化、长期趋势变化、年际变化以及低频变化，探讨海平面变化及其两分量与ENSO(El Ni(n)o and Soutllern Oscillation)、PDO(Pacific Decadal Oscillation)和太阳黑子的关系。同时，应用卫星重力探测了威德尔海水团质量的变化，主要分析了威德尔海水团质量的季节性、年际和趋势变化，并初步探讨了其长期趋势的成因。论文研究内容主要包括以下几个方面:
(1)使用三种独立的方法估算南海的海水质量变化。
第一种是GRACE重力卫星的直接观测，第二种是从测高观测的海平面中扣除其比容项(“测高-比容”)，第三种是联合降雨、蒸发、洋流并应用水质量平衡理论得到(PEF)。将GRACE作为一致性比较的参考量，“测高-ECCO”及“测高-Ishii”与GRACE结果一致，PEF结果的振幅大于GRACE结果约86％。在周年尺度上，“测高-ECCO”、“测高-Ishii”结果与GRACE结果吻合，而PEF结果的周年振幅偏大。在年际尺度上，“测高-ECCO”无法捕捉南海海水质量的年际变化，而“测高-Ishii”与PEF结果显示南海海水质量的年际变化与ENSO成正相关，并且ENSO对南海质量变化的正相关影响主要是通过作用于降雨和洋流通量而实现的。
(2)分析了南海比容海平面的周年变化、年际变化及其与ENSO的关系。
南海比容海平面变化的周年振幅约为21～35mm，并在8月达到最大值。在年际尺度上，比容海平面变化与ENSO显著相关，在El Ni(n)o。期间，比容海平面下降，在La Ni(n)a期间，比容海平面上升，并且EOF的第一个模态能捕捉到年际变化的主要特征。ENSO可以通过北风异常和北太平洋环流(黑潮)的变化来影响南海比容海平面的变化。在El Ni(n)o期间，南海海域出现北风异常，导致南海海水温度降低，同时，低温的黑潮水入侵南海，使得比容海平面下降。
(3)分析了南海海平面及其质量项和比容项在不同时间段的趋势变化。
在1993～2012年间，南海海平面的上升趋势为4.7±O.3mm/yr。ECCO模式和Ishii实测资料得到的比容项趋势分别为2.6±O.3mm/yr)和1.4±O.2mm/yr。1993～2002年间，南海总海平面的上升趋势为7.6±O.7mm/yr。ECC0和Ishii得到的结果比较吻合，比容项变化约贡献了总上升趋势的一半。2003～2012年间，南海总海平面的上升趋势达到9.9±0.6mm/yr，GRACE给出其质量项的上升趋势不明显，大约处于O～1.3mm/yr，这说明比容项的上升趋势更显著。ECC0和Ishii得到的比容项变化分别为8.5±O.6mm/yr和1.7±0.5mm/yr，2003～2012年间Isllii结果的趋势项偏小。
(4)探讨了南海海平面的低频变化及其成因。
南海的总海平面变化及其比容项存在一个显著的低频震荡，该低频震荡的周期大约为10年。PDO和太阳黑子是与该低频震荡相关的两个因素。在年代际尺度上，PDO与比容海平面变化之间成显著负相关，而太阳黑子与比容海平面变化之间为正相关关系，并且PDO和太阳黑子对于表层海水温度的影响要强于对表层海水盐度的影响。南海海平面的质量项不存在该低频变化，并且在年代际尺度上，PDO和太阳黑子对引起质量变化的三个分量即降雨、蒸发、洋流变化均不存在显著影响。
(5)应用GRACE卫星重力探测南极威德尔海水团质量的时空变化。
南极大陆周围的威德尔海，由于受到极地气候的影响，水团质量在1～3月及11～12月增加，而在4～10月质量减少。在年际尺度上，EOF结果表明，在95％置信水平下，威德尔海水团的质量变化与南极涛动(Southem Annular Mode，SAM)显著相关，二者间的相关系数达到-O.66。2002～2016年间威德尔海水团的质量变化存在4.1±O.2mm/yr的上升趋势，增加的水团质量可能与西南极的冰川消融有关。
综上所述，本文的创新性研究成果主要体现在以下几个方面:
(1)拓展了海水质量变化研究的方法。首次将水质量平衡理论应用于研究南海的海水质量变化，为海水质量变化的研究提供了新的途径。
(2)探讨了海平面的低频变化及其成因。南海的总海平面变化及其比容项存在周期大约为10年的低频震荡，该低频震荡与PDO及太阳黑子活动均存在一定的相关性。
(3)应用大地测量方法探讨了威德尔海水团的质量变化。威德尔海的水团质量存在显著的季节性变化，南极涛动(SAM)影响水团质量的年际变化，其趋势变化可能与西南极的冰川消融有关。