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25年來全球海平面測量的進展和討論

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原標題:25年來全球海平面測量的進展和討論

25年來全球海平面測量的進展和討論

這張動態圖記錄了1993-2017年海平面高度變化與全球長期數據平均值的比對情況,其中藍色和紫色的區域低於平均值,紅色、黃色和白色的區域高於平均值。

來源:NASA/噴氣推進實驗室-加州理工學院

2017年8月10日是革命性的海洋科考船——「太空船」發射的第二十五周年紀念日。隨著NASA/CNES測高衛星(NASA和法國國家空間研究中心聯合研製的海洋地形任務Topex-Poseido,也可簡稱T/P)正式進入軌道運行,我們迎來了海洋學的新時代,即首次高精度對全球海平面進行測量的時代。Topex-Poseidon任務及其後繼三顆Jason系列衛星的發射,實現了全球洋流和潮汐的連續測量;為我們觀測厄爾尼諾等全球性氣候事件提供了新的手段;向我們提供了長達25年全球和區域海平面升高的精確記錄;同時提升了對颶風、洪水和乾旱等極端天氣事件的預測精度。

實現全球海平面高度的連續觀測大概就是慶祝美國與法國長期以來合作的最好方式了——為海洋和氣候的研究提供了基礎測量數據。

Topex-Poseidon衛星

25年來全球海平面測量的進展和討論

Topex-Poseidon圖解

來源:NASA噴氣推進實驗室-加州理工學院

1992年,Topex-Poseidon發射之初,沒有人預想到它的海洋高度測量精度能夠持續長達三十年的記錄,歷經四個航天器。事實上,許多海洋科學家當時並不相信,Topex-Poseidon感測器能夠足夠精確的從波浪、潮汐等變化的海洋雜訊信號中探測出海平面上升的情況。相反,雷達高度計和輻射計測量系統卻是一開始就超過預期。在這25年的連續運行中,Topex-Poseidon及其後繼衛星的探測結果表明,全球平均海平面上升了2.8英寸(7厘米)。

我們地球上的海洋太遼闊複雜,任何一顆衛星和任何一個國家都無法做到充分測量。Topex-Poseidon及其後繼Jason系列衛星任務是美國宇航局和法國國家空間研究中心領導的長期國際合作關係的優秀成果。將近三十年來,NASA和CNES的科學家和工程師彙集了他們的專長、才華、思路,設計和創造了這套集成的太空測量系統,實踐證實了1+1>2的科學效應。NASA和CNES的共同合作,應用先進的技術獲取超精度和超準確的測量結果,然後將測量結果完全免費的向公眾公開。通過這一努力,前所未有的向人類展示了全球海洋的基本情況,幾天到幾十年的時間尺度上海洋如何變化、,以及海洋是如何影響——以及響應——天氣與氣候的等等。

「NASA和CNES的科學家和工程師們已經合作了不止一代,完成了從太空精確的測量海洋表面,為我們地球上兩大流體系統——海洋和大氣的運動和互作用提供了有力的研究手段,」位於華盛頓的美國宇航局地球科學司司長Michael Freilich說。

洋流圖

動畫記錄了NASA衛星探測的2005年6月至2007年12月海洋表面的流動情況。觀測大西洋灣流和太平洋黑潮攜帶的暖水如何以每小時超過四英里(六公里)的速度在數千英里內運輸;如南半球Agulhas的沿岸流如何將赤道水運輸到地球的極地;以及成千上萬的其他洋流是如何否限於特定區域,並形成緩慢流動的做圓周運動的渦旋。

來源:NASA/SVS

Topex-Poseidon的首要任務是全面監測海洋表面洋流的主要變化模式。海面上大型山丘和山谷揭示了洋流的位置,它們的高度可以超過六英尺(兩米)。海底地形的峰谷分佈是依靠水溫和壓力的變化探測的。像灣流這樣的大尺度洋流傾向於沿著等高度線流動,循著山脈和山谷的邊緣。地形坡度表示流速。然而,與陸地上的地形不同,流動的「水體」會根據風、溫度和其他因素髮生變化,導致洋流的位置和速度發生變化。因此,想監測地球上整個海洋表面這些變化的唯一方法,就是利用軌道衛星對海表面高度進行精確的遙感測量。

Topex-Poseidon衛星十天為一個周期測量幾乎整個地球上海洋的形態,第一次定量的探測洋流的季節性變化情況。Topex-Poseidon和Jason1-3任務返回的數據能夠反映出大洋環流通過能量傳輸影響氣候的過程

海洋中儲存的熱量

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NOAA對海洋上層儲熱的年度評估結果(2015年結果),結合了Topex系列數據,用於分析全球氣候變暖。

來源:NOAA

超過90%由全球變暖引起的的熱量都儲存在海洋中,這意味著海洋是調節全球氣候的關鍵因素。過多的熱量會導致海水膨脹,加快海平面上升的速度。通過測量長期以來的海平面變化趨勢和洋流影響下的海表形態,Topex-Poseidon和Jason系列衛星為了解海洋在全球氣候變化中的作用提供了這兩個基本參數。

「隨著人為活動加劇全球變暖,加速了海平面上升速度,我們正致力於恢復海表形態,」位於加州帕薩迪納的NASA噴氣推進實驗室主要負責Jason-3項目的科學家Josh Willis說,「衛星測高的精度決定了我們對海平面的認知,即海平面上升了多少以及上升速度有多快。」

厄爾尼諾,拉尼娜等現象

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如圖所示,Topex-Poseidon的早期貢獻在於全面記錄了1997年的厄爾尼諾現象,接著在1999年記錄了拉尼娜現象。顏色較深的區域表示海表平面高度低於正常值,而顏色較淺和白色的區域比正常值高。

來源:NASA噴氣推進實驗室-加州理工學院

幾十年來,科學家們無法預測厄爾尼諾現象和其他年際海洋變化是如何改變區域天氣的。部分原因是由於觀測手段的限制,即傳統的船測和浮標測量,無法對遠在赤道太平洋的海域進行大面積、長時間序列的觀測,因此難以追蹤上述海洋現象的起源和發展。Topex-Poseidon和Jason系列衛星第一次全面和長周期的對厄爾尼諾和拉尼娜事件提出全球性觀點。噴氣推進實驗室項目科學家Lee-Lueng Fu關於前兩次海洋測高任務指出——「Topex-Poseidon讓我們能夠長期跟蹤這些海洋現象的演變過程,不僅限於熱帶地區,同時對海洋長期變化過程提供了證據。」其中之一就是太平洋十年濤動(Pacific Decadal Oscillation, PDO),與厄爾尼諾和拉尼娜現象相似,但不同的是它的相位能夠持續幾十年。

過去25年中,藉助衛星測高數據,科學家們確定了多年海洋震蕩與全球各地的乾旱和洪澇災害等極端氣候事件的相關性。雖然目前這些事件的成因並沒有完全揭示,但是已經比全球星載計劃之初有更好的觀測和預報能力。

開闊大洋的潮汐

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圖為來自Topex-Poseidon海平面數據的日均全球潮汐數值模型結果。

來源:ESR

衛星測量之前,深海潮汐測量步履維艱,代價高昂且觀測點時空過於離散。當Topex-Poseidon返回的數據計算出第一幅全球潮汐圖,改變了科學家對潮汐耗散的理解。數據表明,接近三分之一的潮汐能量在開闊大洋中耗散,耗散過程對海洋水體混合發揮了前所未知的重要作用。

Jason-1衛星

Topex-Poseidon頭三年身擔重任,但是在很久之前,海洋學家和其他地球科學學家就已經意識到長時間連續觀測的重要價值。Fu解釋說,「海平面高度是地球科學系統的基本參數,所以科學家們絞盡腦汁的對其進行攻關不無道理。」在強大的團隊支持下,Jason-1由NASA和CNES共同努力並與2001年12月升空。接下來三年,Topex-Poseidon和Jason-1在飛行軌道上相互協調,使科學家對其進行交叉校準和測量,實現對全球海洋的高頻觀測。另外,每個後續任務也都與之前的任務軌道和角度相重疊,確保數據來源的一致性。

迄今為止,每顆海洋測高衛星都比預先超期服役。Topex-Poseidon長達13年的工作最終於2005年退役,Jason-1也工作了12年,直到2013年7月。九年壽齡的Jason-2和Jason-3(於2016年1月發射)目前仍在運行。

Jason-2衛星

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Lee Fu(左側)是Topex Poseidon和Jason-1/2的項目科學家,Josh Wills(右側)是目前仍在運行的Jason-2/3項目科學家。

來源:NASA噴氣推進實驗室-加州理工學院

隨著2008年6月Jason-2的升空,星載海洋測高的發展從研究對象轉向數據應用,給社會發展和人民群眾帶來切實的利益。任務執行部門從NASA和CNES研究機構轉變為NOAA(美國國家海洋和大氣管理局)和EUMETSAT(歐洲氣象衛星組織);的確,衛星高度計對NOAA常規厄爾尼諾事件的預測尤為重要。NASA和CNES團隊繼續提供科學支持,儀器設計和科學的預測、專業數據管理。

海洋預報

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Jason-1數據對2005年發生在墨西哥灣的颶風Rita的路徑預測發揮了重要作用,風暴的軌跡如圖中黑線所示。Jason-1在灣口觀測到暖舌(紅色區域),比周圍的海水高出13-23英寸(35-60厘米)。海水熱量可以加劇颶風的強度。

來源:NASA噴氣推進實驗室-加州理工學院/科羅拉多大學

在更小的時空尺度上,衛星測高可以直接用于海洋風暴潮的預報。颶風受儲存在海洋下層水的熱量驅動,且由於上層海水在升溫和冷卻過程中會發生膨脹和收縮,因此海平面高度是海水溫度和熱含量的標誌之一。因此,海洋測高數據通常用於預報颶風,這並不奇怪。

導航

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美國海軍使用海洋測高衛星數據輔助海面和水下航行。

來源:美國海軍

漁民和美國海軍使用這一系列近實時數據探測流、渦旋,風和波浪,以保障海面和水下航行的安全。墨西哥灣的渦流資訊已被用於海上工作人員安排鑽井作業的日程,以保障海上安全,同時節約了大量成本。

Jason-3衛星

藝術家視角的Jason-3

NASA噴氣推進實驗室-加州理工學院

2006年Jason-3衛星升空時,NASA項目科學家Willis曾評論,「這項任務仍有很大的發展空間,因為Jason-1/2已經建立了對氣候變化最清晰的記錄。」Jason-3在海表地形測量方面完成出色,這是其主要任務的一方面。

Jason-2迎來了新的軌道

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科學家Walter H. Smith (NOAA)和David Sandwell (Scripps海洋研究所)利用Jason-2最新較低軌道數據計算得到了這張全球海底地形圖。

來源:NOAA

今年,Jason-2搭載的系統開始出現空間輻射損傷的跡象,因此任務管理部門決定降低衛星飛行軌道,解除與Jason-3的軌道共享。團隊間討論後決定,衛星降低17英里(27公里),降低後將沿著離地面僅5英里(8公里)的地面軌道採集數據,重訪周期一年。

除了保護Jason-3,擁有新軌道的Jason-2對平均海面高度測量的解析度更高了。因為海底地形部分取決於海底輪廓,科學家通過估算的方式來更精確的預測海底地形地貌,解釋當前未知的海底細節,如海底山脈。這類地形圖可用於優化海洋模型,海嘯波預警和軍事活動保障。

海洋衛星的未來

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圖為即將迎來的Sentinel-6衛星。

來源:歐洲空間局

下一個海洋測高任務——Jason-CS(Jason後續服務衛星)預計將於2020年搭載在Sentinel-6上發射升空。顧名思義,他將繼續Jason系列衛星的榮耀,同時也將擁有新的合作夥伴:歐洲空間局。EUMETSAT將領導該項任務,而NASA在Jason-CS中的角色將和Jason-3一樣,CNES負責評估這項任務並提供精確的運行軌道。

衛星時代徹底革新了海洋學,而且我們可以拭目以待,很快衛星將應用於水文學——內陸水的研究。SWOT(全稱the French/U.S. Surface Water and Ocean Topography,法國/美國地表水和海底地形任務)攜帶名為KaRin的干涉儀走在這項研究的前面,標誌著技術的又一偉大突破。

Fu指出,這些進步標誌著全世界科學隊伍對我們海洋測高計劃的認可。「海洋測高太重要了!這項技術的發展可以充分證明這一點,」他說,「長遠而言,海洋測高是一個國際承諾。」

編輯:Alan Buis 翻譯:氣候組/董小咚 校核:杉杉

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