中國(guó)沿海近31年冬季海平面變化特征

王慧，范文靜，張建立，牟林

（國(guó)家海洋信息中心，天津 300171）

中國(guó)沿海近31年冬季海平面變化特征

王慧，范文靜，張建立，牟林

（國(guó)家海洋信息中心，天津 300171）

利用29個(gè)海洋觀測(cè)站的31年（1980－2010年）水文氣象觀測(cè)資料，分析了中國(guó)沿海近31年冬季海平面的時(shí)空分布特征與長(zhǎng)期變化趨勢(shì)。結(jié)果表明：①中國(guó)沿海冬季海平面近31年呈現(xiàn)明顯的上升趨勢(shì)，平均上升速率為3.1 mm/a，高于全年的上升速率，渤海、黃海、東海和南海沿海冬季海平面變化呈現(xiàn)明顯的區(qū)域特征；②中國(guó)沿海冬季海平面存在顯著的年際和年代際變化，其主要顯著變化周期有準(zhǔn)2 a，4～7 a，9 a左右及18.6 a。由于受西太平洋暖池和黑潮與我國(guó)近海之間的水體交換影響，東中國(guó)海4～7 a的周期明顯，其振幅最高，并且其周期性震蕩的高位時(shí)期與赤道西太平洋暖池區(qū)的厄爾尼諾發(fā)生期間相吻合；③以浙江坎門(mén)（121°17′E , 28°05′N(xiāo)）為界，中國(guó)沿海冬季海平面還呈現(xiàn)出南北變化反相的蹺蹺板特征，該現(xiàn)象反映了中國(guó)沿海冬季海平面的氣候性特征。受季風(fēng)、海流、氣壓以及降水等因素的影響，冬季海平面的變化區(qū)域特征明顯；④近31年, 中國(guó)沿海冬季氣溫、海溫與海平面均呈顯著上升趨勢(shì)，上升幅度分別為1.8 ℃、1.4 ℃和135 mm，高于全年上升幅度。

冬季海平面；長(zhǎng)期上升趨勢(shì)；時(shí)空變化；年際和年代際變化

1 前 言

近百年來(lái)，全球氣候正經(jīng)歷以變暖為主要特征的變化。全球變暖造成的海水膨脹、極地冰蓋和陸源冰川融化引起海平面上升。第4次IPCC報(bào)告指出，驗(yàn)潮資料顯示，20世紀(jì)，全球海平面上升速率為1.7±0.5 mm/a，中國(guó)沿海海平面上升速率為2.5 mm/a。1993－2003年的衛(wèi)星觀測(cè)結(jié)果表明：世界大洋的海平面變化具有明顯的區(qū)域特征，太平洋西部、印度洋東部和大西洋的海平面上升，而太平洋東部和印度洋西部的海平面下降[1]。海平面上升是全球變暖在海洋中最顯著的響應(yīng)，對(duì)人類(lèi)的影響巨大。

《2008年中國(guó)海平面公報(bào)》發(fā)布結(jié)果顯示，近30年，中國(guó)沿海海平面呈明顯上升趨勢(shì)，全年上升幅度為92 mm，但上升趨勢(shì)存在明顯的季節(jié)性差異，冬季升幅最大，為135 mm。《2009年中國(guó)海平面公報(bào)》和《2010年中國(guó)海平面公報(bào)》發(fā)布結(jié)果顯示，中國(guó)沿海近兩年的海平面持續(xù)處于近30年的高位，同時(shí)，長(zhǎng)江以北沿海2月份的海平面連續(xù)2年達(dá)30年來(lái)最高值。氣溫、氣壓和季風(fēng)變動(dòng)等是引起上述變化的重要原因[2]。由氣候變化引起的海平面上升給全球和中國(guó)的自然生態(tài)系統(tǒng)和社會(huì)經(jīng)濟(jì)帶來(lái)了重要影響，未來(lái)的影響將更加深遠(yuǎn)。

海平面變化是復(fù)雜的，其中既有長(zhǎng)周期變化，又有趨勢(shì)性變化和隨機(jī)因素干擾。中國(guó)近海區(qū)域位于太平洋西岸，我國(guó)不少海洋專(zhuān)家對(duì)該區(qū)域海平面的變化趨勢(shì)及變化周期進(jìn)行了分析和討論。根據(jù)文獻(xiàn)分析，太平洋月均海平面中存在11組顯著周期變化，這些顯著周期并非統(tǒng)一不變，它們因站而異、因區(qū)域而異[3]。周天華等[4]提出中國(guó)沿岸海平面3～7年的周期變化，主要是本海區(qū)海面對(duì)厄爾尼諾現(xiàn)象、黑潮大彎曲和中國(guó)沿海氣候變異等作出的響應(yīng)。長(zhǎng)江口以北有明顯的18.6 a的交點(diǎn)潮，長(zhǎng)江口以南則存在9 a左右的周期振動(dòng)。鄭文振等[5]對(duì)我國(guó)沿海海平面的長(zhǎng)期趨勢(shì)變化和周期性變化進(jìn)行了較為詳細(xì)的分析研究，發(fā)現(xiàn)我國(guó)沿海海平面變化較明顯的周期有18.6 a、11 a左右、3.57 a和準(zhǔn)2 a。

本文主要從海平面的時(shí)空變化特征、長(zhǎng)期變化趨勢(shì)以及周期性變化等方面分析了近31 年中國(guó)沿海冬季海平面的變化特征。

2 資料與分析方法

2.1 資 料

為全面反映中國(guó)沿海冬季海平面變化特征，本文由北向南選取了29個(gè)長(zhǎng)期海洋觀測(cè)站31年（1980－2010年）的月均水文氣象資料作為研究對(duì)象。其中，取1月份海平面代表冬季海平面。對(duì)資料進(jìn)行訂正、質(zhì)量控制，并做了距平處理。

2.2 分析方法

2.2.1 正交函數(shù)分解（EOF）分析方法 本文利用經(jīng)驗(yàn)正交函數(shù)分解方法分析冬季海平面的空間變化特征和時(shí)間變化趨勢(shì)。下面簡(jiǎn)單介紹經(jīng)驗(yàn)正交函數(shù)分解（EOF）方法。

將變量場(chǎng)的冬季海平面觀測(cè)資料經(jīng)過(guò)距平值處理后，以矩陣的形式給出：

式中m是觀測(cè)次數(shù)，n是觀測(cè)站點(diǎn)（m＞n）。xij表示在第j個(gè)測(cè)站點(diǎn)上的第i次觀測(cè)場(chǎng)的距平值。

把要素場(chǎng)序列(1)分解成正交的時(shí)間函數(shù)和正交的空間函數(shù)乘積之和，寫(xiě)成

式中l(wèi)hj表示序號(hào)為h的典型場(chǎng)在第j個(gè)點(diǎn)的值，它只依賴于空間點(diǎn)而變化，不隨時(shí)間變化，稱為空間系數(shù)；thi表示序號(hào)為h典型場(chǎng)在第i個(gè)時(shí)刻的權(quán)重系數(shù)，它只隨時(shí)間而變化，稱為時(shí)間系數(shù)，(2)可寫(xiě)成

通常把空間函數(shù)lhj視為典型場(chǎng)，把時(shí)間函數(shù)thi視為典型場(chǎng)的權(quán)重系數(shù)。因此，(2)式表示不同時(shí)刻觀測(cè)到的海平面資料場(chǎng)，各由一系列典型場(chǎng)按不同權(quán)重線性疊加而成，各個(gè)場(chǎng)之間的差別在于各典型場(chǎng)系數(shù)的不同。

2.2.2 小波分析方法 小波變換是在時(shí)間－頻率域中分析信號(hào)的方法[6]。若f(t)為一時(shí)間函數(shù)，小波變換可被定義為：

這里τ為局部時(shí)間指數(shù)，s為小波尺度，ψ表示小波基函數(shù)，星號(hào)表示復(fù)數(shù)的共厄。本文選擇墨西哥小帽（Maxican Hat）為小波變換的基函數(shù)。

這里，η為無(wú)量綱時(shí)間參數(shù)，ω0為無(wú)量綱頻率。在方程(3)與(4)的實(shí)際計(jì)算中采用的是離散的傅立葉變換。由于基函數(shù)為由實(shí)部與虛部組成的復(fù)數(shù)，所以在時(shí)間－頻率域上的分析結(jié)果有3種表示方法：的實(shí)部、模與位相。本文選擇的實(shí)部在時(shí)間與頻率域上表征變換結(jié)果。被定義為小波譜。對(duì)全局小波譜，我們令小波圖上的垂直切片為局部譜的量度，所有特定頻率小波譜或所有局地小波譜的時(shí)間平均為：

這里，T為時(shí)間序列的樣本。小波譜的時(shí)間平均即為全局小波譜。

3 結(jié)果與討論

3.1 中國(guó)沿海冬季海平面的時(shí)間和空間變化特征

對(duì)中國(guó)沿海29個(gè)驗(yàn)潮站近31年冬季海平面的距平值進(jìn)行經(jīng)驗(yàn)正交函數(shù)分解，得出了冬季月平均海平面的前5項(xiàng)特征值，其中前2個(gè)特征向量方差貢獻(xiàn)率分別為67%和11.3%，共概括了冬季海平面78.3%的信息，相應(yīng)表征了冬季海平面的時(shí)空典型特征。結(jié)合第一模態(tài)的特征向量場(chǎng)和時(shí)間權(quán)系數(shù)可以看出，中國(guó)沿海冬季海平面從北到南總體呈現(xiàn)明顯的上升趨勢(shì)，其中，黃海（從龍口到灘滸）上升趨勢(shì)最為明顯，遼東灣和北部灣上升平緩。1980－1989年，中國(guó)沿海冬季海平面處于低位，自1990年以來(lái)，海平面呈現(xiàn)明顯的波動(dòng)上升趨勢(shì)，2000年至今海平面總體處于近31年高位（圖1、圖2）。

結(jié)合第二模態(tài)的特征向量場(chǎng)和時(shí)間權(quán)系數(shù)可以看出，中國(guó)沿海冬季海平面變化還呈現(xiàn)南北反相的蹺蹺板結(jié)構(gòu)，以浙江坎門(mén)附近為分界點(diǎn)，南北變化反相（圖1）。該現(xiàn)象反映了中國(guó)沿海冬季海平面的氣候性特征。受季風(fēng)、海流、氣壓以及降水等因素的影響，冬季海平面的變化區(qū)域特征明顯，如1981年，2000年和2008年，第二特征向量的時(shí)間權(quán)系數(shù)為正值，結(jié)合第二模態(tài)的空間信號(hào)，反映了坎門(mén)以北沿海冬季海平面偏低，以南沿海冬季海平面偏高。1992年，時(shí)間權(quán)系數(shù)為負(fù)值，結(jié)合第二模態(tài)的空間信號(hào)，表征了北部沿海海平面偏高，南部沿海海平面偏低。從圖2兩個(gè)特征向量的時(shí)間權(quán)系數(shù)變化曲線可以看出，T1曲線反映了冬季海平面隨著時(shí)間上升趨勢(shì)很強(qiáng)，T2曲線反映了冬季海平面變化存在顯著的周期性變化特征。

圖 1 中國(guó)沿海冬季海平面經(jīng)驗(yàn)正交前兩項(xiàng)空間特征向量Fig.1 Distribution of the previous two EOF eigenvectors of sea level in winter along the coast of China

對(duì)圖2中兩個(gè)特征向量的時(shí)間權(quán)系數(shù)進(jìn)行小波變換分析[7]，結(jié)果見(jiàn)圖3。第一模態(tài)具有2～3 a、4～7 a和18.61 a的顯著變化周期，即中國(guó)沿海冬季的海平面在上升的同時(shí)，伴隨著這3個(gè)主要的周期性震蕩；模態(tài)二具有2～3 a、8～9 a以及18.61 a的顯著變化周期，表明中國(guó)沿海的冬季海平面南北變化反相，并且變化周期主要為2～3 a和8～9 a以及18.61 a；由于這兩個(gè)模態(tài)方差的貢獻(xiàn)率概括了原有海平面資料78.3%的信息，故可以反映出中國(guó)沿海海平面的主要周期性變化特征。中國(guó)沿海冬季海平面在1987－1992年、1996－2001年以及2005－2009年處于高海平面期，同時(shí)也是4～7 a、8～9 a及18.61 a周期震蕩的高位，說(shuō)明中國(guó)沿海冬季海平面受4～7 a和8～9 a及18.61 a周期震蕩影響明顯，其中4～7 a周期的周期通常被認(rèn)為與ENSO現(xiàn)象有關(guān)[8]。

3.2 中國(guó)沿海各海區(qū)冬季海平面的變化特征

圖 3 前兩個(gè)特征向量的時(shí)間權(quán)系數(shù)的小波變換結(jié)果（a小波譜的實(shí)部（cm）；b全局小波譜（cm2））Fig.3 Wavelet transform of the principal components of two leading modes (a Real part of wavelet spectrum（cm）.b Global wavelet power spectrum（cm2）)

3.2.1 中國(guó)沿海各海區(qū)冬季海平面的上升速率本文使用中國(guó)沿海29個(gè)長(zhǎng)期觀測(cè)站的月均海平面資料，計(jì)算了近31年來(lái)中國(guó)沿海冬季海平面的上升速率，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1。由表1可以看出，中國(guó)沿海冬季海平面上升速率存在明顯的區(qū)域特征,平均上升速率約為3.1 mm/a。其中渤海北部的遼東灣沿海近31年冬季海平面上升速率較為平緩，平均上升速率約為2.0 mm/a，渤海西南部沿海近31年冬季海平面上升速率較快，平均上升速率近5.0 mm/a；黃海沿海自1980年至今冬季海平面上升速率較快，平均上升速率為3.9 mm/a；長(zhǎng)江口近31年冬季海平面的上升速率與黃海接近，東海中南部沿海近31年冬季海平面上升趨勢(shì)平緩，平均上升速率約2.3 mm/a；南海的廣東、海南沿海近31年冬季海平面的上升速率較高，平均上升速率約4.0 mm/a，北部灣沿海近31年冬季海平面的上升速率平緩，平均上升速率約2.4 mm/a?？傊?，中國(guó)沿海近31冬季海平面的變化趨勢(shì)所呈現(xiàn)出的明顯區(qū)域特征，除了與區(qū)域性的年際和年代際變化有關(guān)外，還與各區(qū)域的地面沉降有著重要的關(guān)系。

表 1 中國(guó)沿海臺(tái)站冬季海平面上升速率（單位：mm/a）Tab.1 Rising rate of sea level in winter along the coast of China (unit: mm/a)

3.2.2 中國(guó)沿海各海區(qū)冬季海平面的年際和年代際變化 把29個(gè)站區(qū)域劃分成渤海、黃海、東海和南海四個(gè)海區(qū)后，對(duì)冬季月平均海平面資料的距平值進(jìn)行小波變換分析[9]。發(fā)現(xiàn)較為顯著的周期性震蕩有準(zhǔn)2 a，4～7 a，9 a左右以及18.6 a（圖4）。準(zhǔn)2 a的振蕩周期在中國(guó)近岸水文、氣象要素較常見(jiàn)，4～7 a的周期通常被認(rèn)為與ENSO現(xiàn)象有關(guān)[9]，18.6a是潮汐天文潮周期，反映了月球赤緯的變化，又叫交點(diǎn)潮。四海區(qū)中，渤海和黃海18.6 a的周期震蕩明顯，振幅達(dá)3.5 cm；東海和南海4～7 a的周期震蕩較為明顯，振幅達(dá)3 cm左右，超過(guò)了2～3 a以及18.61 a周期震蕩的振幅。由于西太平洋暖池區(qū)是我國(guó)邊緣海的鄰近大洋，是黑潮的源頭區(qū)域，黑潮是聯(lián)系副熱帶環(huán)流與我國(guó)近海的紐帶，它與我國(guó)近海之間的水體交換影響到東中國(guó)海海平面變化，自80年代以來(lái)，對(duì)我國(guó)沿海影響較大的厄?qū)嶂Z年份分別是1983－1983年、1997－1998年、2007年，從圖4-c和4-d中可以看到4～7年周期的振幅最大，并且在這幾個(gè)厄?qū)嶂Z年期間，海平面也處于該周期震蕩的高位。這充分說(shuō)明了東中國(guó)海的海平面受厄爾尼諾的影響較大。

海平面的變化在不同的時(shí)間段和區(qū)域，具有不同的主要變化周期。如，1987年、1994年、2001年和2006年渤海和黃海海平面處于2～3 a，4～7 a以及18.61 a周期性震蕩的高位，3個(gè)主要周期性震蕩高位疊加，這幾年的海平面也處于高位；與之相反，如1985年前后，東海海平面處于2～3 a，4～7 a以及18.61 a周期性震蕩的低位，海平面也偏低；自80年代后期至2000年是18.6 a周期的震蕩的高位，也是海平面上升明顯的時(shí)期，這與3.1的結(jié)果相吻合。

3.3 中國(guó)沿海冬季水文氣象的變化特征

海平面上升與氣候變化密切相關(guān)。本文使用中國(guó)沿海29個(gè)長(zhǎng)期海洋觀測(cè)站31年的月均水文、氣象資料，對(duì)中國(guó)沿海冬季海平面、海溫和氣溫的變化特征進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)冬季海平面長(zhǎng)期變化特征與氣候變化特征基本一致。

自20世紀(jì)80年代以來(lái),中國(guó)沿海氣溫、海溫與海平面均呈顯著上升趨勢(shì)，上升幅度分別為1.1℃、0.9℃和92 mm。其中，冬季升幅最大，分別為1.8℃、1.4℃和135 mm。春秋季次之，夏季最?。ū?）。

圖5列出了老虎灘、煙臺(tái)、連云港、坎門(mén)、閘坡和東方冬季氣溫、海溫和海平面的長(zhǎng)期變化，可以看出，中國(guó)沿海海平面與氣溫和海溫長(zhǎng)期變化特征基本一致。

圖4 冬季渤海、黃海、東海和南海海平面的小波變換分析結(jié)果（各圖左邊為小波譜的實(shí)部（cm））；右邊為全局小波譜（cm2））Fig. 4 Wavelet transform of mean sea levels in winter in Bohai Sea, Yellow Sea, East China Sea and South China Sea. (Left part is real part of wavelet spectrum (cm), right part is global wavelet power spectrum (cm2))

圖5 冬季氣溫、海溫和海平面長(zhǎng)期變化Fig.5 Long trend of China’s coastal temperature, sea surface temperature and sea level in winter

表2 中國(guó)沿海31年氣溫、海溫和海平面上升幅度Tab.2 China’s coastal temperature, sea surface temperature and sea level increasing ranges in the past 31 years

4 結(jié) 論

（1）近31年，中國(guó)沿海全海域冬季海平面總體呈現(xiàn)明顯的上升趨勢(shì)，且區(qū)域特征明顯。其中，黃海自1980年至今上升速度加快，平均上升速率為3.9 mm/a；渤海北部的遼東灣沿海、東海的中南部沿海以及北部灣沿海上升趨勢(shì)平緩，分別為2.0 mm/a、2.3 mm/a和2.4 mm/a；南海的廣東和海南沿海上升速率與黃海接近，為4.0 mm/a。

（2）以浙江坎門(mén)為界，中國(guó)沿海冬季海平面變化還呈現(xiàn)出南北變化反相的蹺蹺板特征。該現(xiàn)象反映了中國(guó)沿海冬季海平面的氣候性特征。受季風(fēng)、海流、氣壓以及降水等因素的影響，冬季海平面的變化區(qū)域特征明顯。

（3）小波分析結(jié)果表明，中國(guó)沿海冬季海平面變化的主要顯著周期有準(zhǔn)2 a，4～7 a，9 a左右以及18.6 a。其中，渤海和黃海18.6 a交點(diǎn)潮周期震蕩最為明顯；東海和南海與ENSO現(xiàn)象有關(guān)的4～7 a周期震蕩明顯。

（4）近31年，中國(guó)沿海冬季氣溫、海溫與海平面均呈顯著上升趨勢(shì)，上升幅度分別為1.8℃、1.4℃和135 mm，高于全年上升幅度。其中，冬季升幅最大，春秋季次之，夏季最小。

[1]IPCC.Climate change 2007: The physical Science Basis [M].Cambridge: Cambridge University Press, 2007.

[2]國(guó)家海洋局.2010年中國(guó)海平面公報(bào) [Z].北京: 國(guó)家海洋局, 2010.

[3]于宜法.中國(guó)近海海平面變化研究進(jìn)展 [J].中國(guó)海洋大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版）, 2004, 34(5): 713-719.

[4]周天華, 陳宗鏞, 田暉, 等.近幾十年來(lái)中國(guó)沿海海面變化趨勢(shì)的研究 [J].海洋學(xué)報(bào), 1992, 14(2): 1-8.

[5]鄭文振, 陳宗鏞.我國(guó)海平面年速率的分布和長(zhǎng)周期分潮的變化[J].海洋通報(bào), 1999, 18(4): 65-74.

[6]Farge M.Wavelet transforms and their applications to turbulence [J].Annu.Rev.Fluid Mech., 1992, 24:95-457.

[7]Torrence C, Compo G P.A Practical Guide to Wavelet Analysis [J].Bull.AM.Meteor.Soc, 1998, 79(1): 61-78.

[8]于非, 許一.東海海表溫度長(zhǎng)期變化趨勢(shì)研究 [J].海洋科學(xué)進(jìn)展, 2003, 21(4): 477-481.

[9]Lau K M, Weng H Y.Climate Signal Detection Using Wavlet Transform :How to Make a Time Series Sing [J].Bull.AM.Meteor.Soc, 1995, 76: 2391-2402.

Characteristics of sea level variation/change in winter alone the coastal region of China during recent 31 years

WANG Hui, FAN Wen-jing, ZHANG Jian-li, MU Lin

(National Marine Data and Information Service, Tianjin 300171, China)

Based on the marine hydrological and meteorological data during recent 31 years (1980-2010), the winter sea level temporal and spatial distribution and long-term trend are investigated.The research results show: ①The sea level in winter is increasing obviously along the coast of China, and the average rising rate of twenty nine stations is 3.1mm/yr, higher than the annual increase rate.Regional characteristics are obvious in Bohai Sea, Yellow Sea, East China Sea and South China Sea.②Also, the sea level in winter has obvious inter-annual and interdecadal variations.The main significant periods are 2 years, 4-7 years, 9 years and 18.6 years.Impacted by the western pacific warm pool and the Kuroshio, 4-7 year cycle is rather obvious in the East China Sea.Its amplitude is the highest, and the time of its periodic oscillations is consistent with that of the El Nino of the equatorial eastern pacific warm pool.③The sea level in winter also shows a pronounced south-north seesaw along the coast of China, which changes the sign near Kanmen station (121°17′E, 28°05′N(xiāo) ).④In the past 31 years, China’s coastal temperature, sea surface temperature and sea level show obvious increasing trend.Their increasing ranges areand 135mm, respectively.

winter sea level; long-term trend; temporal and spatial variation/change; inter-annual and interdecadal variations

P731.23 文獻(xiàn)標(biāo)示碼：A

1001-6932(2011)06-0637-07

2011-04-07；

2011-05-19

國(guó)家自然科學(xué)基金（41006002）。

王慧（1972－），女，山東省臨沂市人，高級(jí)工程師，主要從事潮汐與海平面變化研究。電子郵箱：wh_cherry@yahoo.com.cn。