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地球科学

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利用卫星观测绘制的微小“三度潮”全球地图

29 Dec 2020
杰森3
仰望天空:这项研究使用了Jason-3卫星的数据。 (由NASA / JPL-Caltech提供)

三次潮是地球物理学家在全球范围内绘制出的第三次潮汐(曾经仅由潮汐仪进行的测量才知道的微小海平面波动) 理查德·雷(Richard Ray) 在美国马里兰州NASA的戈达德太空飞行中心。除了帮助完善海洋潮汐预测外,这项工作还可以应用于大地测量学以及了解潮汐影响的地壳和地幔的行为。

简单来说,潮汐之所以发生是因为月亮’引力拖船导致海洋在两个地方隆起-一个位于月球下方,另一个位于地球的另一侧。可以使用球谐函数以纬度和经度数学表示重力势。

Ray解释说,要模拟地球的主要潮汐模式,仅使用二阶的三个球谐函数就足够了。但是,这只是一个近似值。”实际上,潮汐凸起有点不对称,一侧比另一侧大。为了用数学表达这一点,我们需要更高阶的球谐函数。具体来说,这里我们使用的是三次函数。” Ray说。

淹没在数据中

由微小的不对称引起的“三度”潮非常小,其信号很容易被潮汐数据淹没-无论是测量噪声还是真正的非潮汐海洋信号。

“潮汐非常小,因为它们是如此之小,但是如果时间序列足够长(比如说十年或更长时间),则可以在沿海潮汐仪中检测到。” Ray解释道。 “除了这些孤立的潮汐计之外,关于它们的信息很少。没有人从直接测量中看到过这些海浪的全球地图。”

今天,今天利用卫星测高仪观测结果绘制了公海的二度潮汐图。记录已经收集了大约三十年,因此像Ray这样的研究人员可以搜索三度潮。 “对于像潮汐这样的时间相干信号进行捕捞的好处是,经过大量平均后,即使很小的信号最终也会从背景噪声中开始出现。”

在他的研究中,雷使用了TOPEX / Poseidon和Jason卫星收集的测高数据,这些数据分别运行于1992-2005年和2001-至今。雷使用平均过程,其中包括使用最小二乘法拟合已知频率的正弦波,从而揭示每个海洋位置的潮汐振幅和相位。

独特的模式

调查结果揭示了三度潮的模式与二度潮的模式截然不同。雷说,这是由于球形谐波强迫在每种情况下都如此不同的结果。他补充说:“取决于潮汐的强迫,其频率,海深和盆地的形状,潮汐会产生一定的共振,其中某些振幅会异常大。”

这些地图显示,例如在大西洋上-相对而言,常规的二等日(每日)潮汐受到抑制,而三等潮则相对较大。它们在印度洋达到更大的振幅。同时,在南太平洋,三度潮汐受到抑制,高度几乎达到2毫米。

菲利普·伍德沃思,英国利物浦国家海洋学中心的研究人员说:“以前,最大的三度潮汐称为M1,以前已经用潮汐仪在全球海岸线的部分地区和岛屿上进行了测绘,但这是第一次映射到整个海洋”。

爱德华·扎伦 波特兰州立大学的一位科学家补充道:“当您考虑使用从海拔1300公里以上的地球上方飞行的卫星的数据提取毫米信号时,确实令人震惊,这证明了卫星轨道确定的精度和当今时代的大地科学”。他总结说:“理查德(Richard)掌握了这些分析技术及其在卫星测高中的应用”。

随着初步研究的完成,Ray现在正在寻求完善其潮汐图的准确性。他说:“结果仍然相当嘈杂。” “一世’d希望运用形式化的数据同化方法,将流体动力学的理论与测量相结合,以充分发挥两者的优势。”他补充说,将来收集更多的测高仪数据也将产生更好的结果。

该研究描述于 科学进步.

 

 

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