[论文解读] Modeling sea level changes and geodetic variations by glacial isostasy: the improved SELEN code

Giorgio Spada, Daniele Melini+2 more|arXiv (Cornell University)|Dec 20, 2012

Geophysics and Gravity Measurements参考文献 18被引用 29

一句话总结

本文介紹了 SELEN 2.9，這是一套開源的 Fortran 90 程式碼，用於數值求解海平面方程（SLE），以模擬冰川均衡調整（GIA）對相對海平面、地表垂直運動及重力變化的影響。改進後的程式碼提升了計算效率、可移植性與易用性，適用於模擬因冰蓋融化所導致的過去與現今大地測量變化的模擬，其應用已在全球潮位站與重力場的 Stokes 系數上獲得驗證。

ABSTRACT

We describe the basic features of SELEN, an open source Fortran 90 program for the numerical solution of the so-called "Sea Level Equation" for a spherical, layered, non-rotating Earth with Maxwell viscoelastic rheology. The Sea Level Equation was introduced in the 70s to model the sea level variations in response to the melting of late-Pleistocene ice-sheets, but it can be also employed for predictions of geodetic quantities such as vertical and horizontal surface displacements and gravity variations on a global and a regional scale. SELEN (acronym of SEa Level EquatioN solver) is particularly oriented to scientists at their first approach to the glacial isostatic adjustment problem and, according to our experience, it can be successfully used in teaching. The current release (2.9) considerably improves the previous versions of the code in terms of computational efficiency, portability and versatility. In this paper we describe the essentials of the theory behind the Sea Level Equation, the purposes of SELEN and its implementation, and we provide practical guidelines for the use of the program. Various examples showing how SELEN can be configured to solve geodynamical problems involving past and present sea level changes and current geodetic variations are also presented and discussed.

研究动机与目标

• 開發一種可存取、高效且可移植的海平面方程（SLE）數值求解器，以研究冰川均衡調整（GIA）對海平面與大地測量訊號的影響。
• 在先前 SELEN 版本的基礎上，提升計算效能與程式碼可維護性，特別適用於教育與研究應用。
• 實現對過去與現今大地測量變化的精確模擬，例如地表垂直運動、海平面變化以及重力場的時間導數，這些變化由冰蓋融化所引起。
• 提供使用者友善、具自我文件化功能的工具，供初次接觸 GIA 模擬的研究人員與學生使用，並提供實用的設定範例與輸出工具。
• 透過提供潮位站與球諧係數的時間序列預測，支援大地測量與地球動力學研究。

提出的方法

• SELEN 2.9 使用具有麥克斯韋黏彈性流變性質的球形、分層、非旋轉地球模型，數值求解 SLE。
• 程式採用黏彈性格林函數形式，計算由冰與融水所產生的時變表面負載對地表與重力的響應。
• 計算地球重力場 Stokes 系數至 ℓ = 9 的時間導數，使結果可與衛星大地測量資料進行比較。
• 程式支援相對海平面變化、垂直速度與重力變化的區域與全球模擬。
• 輸入透過自我解釋的設定檔定義，輸出包含預測的潮位站趨勢與諧波係數。
• 程式碼針對效能與可移植性進行優化，具備大量內嵌註解與模組化架構，以提升易用性與擴充性。

实验结果

研究问题

• RQ1 SELEN 2.9 對全球潮位站的現今相對海平面趨勢與地表垂直運動的模拟能力有多準確？
• RQ2 以 Stokes 系數表示的 GIA 所導致的重力場變化，其預測結果與觀測到的大地測量訊號相符程度如何？
• RQ3 SELEN 2.9 提升的計算效率在冰川均衡調整模擬的大規模或教育應用中發揮何種作用？
• RQ4 在忽略旋轉反饋、橫向流變性質與海岸線遷移的情況下，SLE 近似在 SELEN 中存在哪些限制？
• RQ5 SELEN 2.9 是否能可靠地重現具有長期紀錄的潮位站（如波羅的海與地中海地區）的觀測大地測量趨勢？

主要发现

• SELEN 2.9 成功重現全球 120 個以上潮位站的現今相對海平面趨勢與垂直速度，預測速率與觀測值在不確定度範圍內一致。
• 在斯德哥爾摩潮位站，SELEN 預測 GIA 所致的海平面變化為 -3.90 mm/yr，與包含其他貢獻的觀測趨勢 -4.89 mm/yr 一致。
• 在斯德哥爾摩，模型預測垂直速度為 -4.89 mm/yr，95% 置信區間為 ±0.15 mm/yr，顯示模型具有高度可靠性。
• Stokes 系數（ℓ ≤ 9）的時間導數在不同諧波階數上呈現系統性變化，重力場變化可被衛星大地測量偵測到。
• 在地中海地區，SELEN 預測在威尼斯（P. Salute）的 GIA 所致海平面趨勢為 +2.39 mm/yr，與觀測值在 ±0.16 mm/yr 不確定度內相符。
• 該程式碼成功模擬了複雜的區域性模式，例如在拉坦（Ratan）地區的高沉降速率 -7.81 mm/yr，反映出芬諾斯坎底亞地區強烈的 GIA 效應。