對美國潮位觀測數(shù)據(jù)核定的研究及應(yīng)用

王 慧，范文靜，劉克修，徐秀娥

（1.國家海洋信息中心 天津市 300171；2.國家海洋局北海分局東港海洋站 丹東市 118300）

近年來，許多國際組織從事于海平面上升預(yù)測的研究。中國沿海海平面變化與全球海平面變化存在著區(qū)域性的差異又存在一定的相關(guān)關(guān)系，因此全面了解全球主要沿海國家潮位觀測及資料應(yīng)用，對我國海平面與氣候變化的研究具有重要的現(xiàn)實意義。

最初在臺站測量潮位變化是為了研究潮汐。由于每一個沿海位置對天體引力的響應(yīng)不同，因此需要一系列的逐時觀測值來計算其潮汐調(diào)和常數(shù)。1個月至1年的觀測值得到的調(diào)和常數(shù)足可以預(yù)報航海所需要的潮位；然而，現(xiàn)在科學(xué)領(lǐng)域開始關(guān)注潮位記錄中其他的現(xiàn)象，如風(fēng)暴潮、海嘯、厄爾尼諾以及年際變化等。因此，在已知該站潮汐調(diào)和常數(shù)的情況下也需要進行潮汐觀測。在多年長期的觀測后，形成的長期觀測資料可以用來研究海平面的長期變化趨勢。

海洋與氣候研究分析結(jié)果的可靠性直接源于觀測資料數(shù)據(jù)集的質(zhì)量。由于受到臺站遷址、儀器變更、規(guī)范變動、地面沉降以及自然環(huán)境變化等影響，部分長期觀測資料序列存在明顯的非均一性，直接影響海洋和氣候變化的研究和應(yīng)用。發(fā)達國家非常重視海洋氣候資料基礎(chǔ)工作，在做好觀測工作的同時，對歷史資料進行了細致的核定工作，研制了一系列重要的全球及區(qū)域性數(shù)據(jù)集。中國作為一個海洋大國，地處東亞季風(fēng)關(guān)鍵氣候區(qū)，其數(shù)據(jù)質(zhì)量問題不僅直接影響到中國海洋氣候分析結(jié)論的準(zhǔn)確性；同時也影響整個海洋與氣候變化監(jiān)測、檢測和預(yù)測工作的業(yè)務(wù)質(zhì)量和科學(xué)研究水平的提高。本文重點介紹美國潮位觀測現(xiàn)狀、潮位數(shù)據(jù)核定以及應(yīng)用方面的情況。

1 潮位觀測基本狀況

在美國，由NOAA的業(yè)務(wù)化海洋產(chǎn)品服務(wù)中心運行和維護的國家潮位觀測網(wǎng)（NWLON） 已運行了150余年。NWLON現(xiàn)在已經(jīng)有205個長期站。這些站位于沿岸的24個州、哥倫比亞區(qū)域、北美五大湖以及大西洋和太平洋上美國的島嶼。其中，百慕大站和夸賈林站是目前僅有的在美國國外運行的站（圖1）。

美國1854—2006年海平面變化報告顯示，海平面所用的潮位數(shù)據(jù)采用的基準(zhǔn)面是CO-OPS通過最近國家潮汐基準(zhǔn)面（NTDE） （1983—2001年）建立的。NTDE考慮到了月亮傾斜角度的18.61 a的周期（交點潮），因此1個NTDE采用19 a的長度。NTDE使用過的時段分別有1924—1942年、1941—1959年和 1960—1978年?？紤]到長期海平面變化的影響，CO-OPS每隔20—25 a對NTDE進行更新。目前，大多數(shù)的基準(zhǔn)面是在2003開始使用的，大概要使用到2020年以后。對于相對海平面變化較快的站（如路易斯安那、德克薩斯州、阿拉斯加州），COOPS每隔5 a對基準(zhǔn)面進行修訂，這些時段分別是1990—1994年、1994—1998年、1997—2001年和2002—2006年。

圖1 NWLON在美國東海岸和百慕大的長期站

由于驗潮站的相對海平面變化包含了局地的陸地運動和絕對海平面變化，因此不同區(qū)域海平面的變化趨勢是不同的。在一些沿海區(qū)域，有些海平面是上升的，有些海平面是下降的。盡管在海平面絕對變化趨勢中存在較小的多年代區(qū)域變化，但是大多數(shù)的相對海平面變化是由于不同的陸地垂直運動引起的，如冰川均衡調(diào)整（GIA）、板塊活動（地震）、沉積盆下沉、土壤壓實和海退等。

GIA是巖石圈對北美和芬諾斯堪迪亞的冰蓋融化的滯后反應(yīng)，包括先前受到冰河作用區(qū)域的上升和外圍補償膨脹的下降。例如，17世紀(jì)后期，在阿拉斯加?xùn)|南部冰川灣的冰原倒塌引起海平面快速上升。

板塊活動包括短時間的地震位移和長期的內(nèi)部形變，在大的地震前后，板塊可能快速形變。因此，在NWLON觀測網(wǎng)中距離板塊邊緣較近的站，如加利福尼亞、華盛頓和阿拉斯加區(qū)域的觀測站，可能在地震前后出現(xiàn)偏移和速率變化（Cohen and Freymueller 2001，Burgette，Weldon and Schmidt 2009）。在路易斯安那和德克薩斯沿海地區(qū)地面下沉、土地壓實和流體回退都將影響相對海平面趨勢的變化（Dokka，Sella and Dixon 2006，Ivins，Dokka and Blom 2007）。

為了得到絕對海平面上升速率，人們使用了各種方法解決陸地垂直運動的影響。IPCC第4次報告給出了20世紀(jì)全球的海平面上升速率是1.7+/-0.5 mm/yr。衛(wèi)星測高表明自1993年以來絕對海平面變化存在明顯的區(qū)域差異，西太平洋增速明顯，美國的西部海岸和阿拉斯加呈現(xiàn)下降趨勢。這些短期趨勢與長期趨勢有明顯的不同，這些趨勢顯示出較短時間的區(qū)域性變化。

2 資料序列核定

由于資料長度越短，計算的誤差范圍越大，在美國海平面變化報告中，對潮位觀測站的選取基于觀測資料的可靠性和連續(xù)性。CO-OPS歷史數(shù)據(jù)庫匯編了128個NWLON站的月平均海平面資料，資料時間序列最小是30 a。除少數(shù)站有部分數(shù)據(jù)缺測，大多數(shù)站有較完整的記錄。

這些站在進行潮位核定分析中存在以下問題：

2.1 強震級地震造成水準(zhǔn)點偏移

NWLON對處于強震級地震（震級＞7.5） 的震中位置的站位做了詳細分析，如加利福尼亞、阿拉斯加、夏威夷和關(guān)島等站。這些站附近的海平面變化趨勢在1957年、1964年和1993年3次強烈地震前后發(fā)生了明顯的偏移或者變化，通過水準(zhǔn)聯(lián)測及相鄰站比較等方法確定水準(zhǔn)點是否偏移及偏移量。

2.2 資料序列短缺，局部代表性不好

有些站與附近站的變化特征有明顯的不同，如New Rochelle站，使用1957—1981年觀測數(shù)據(jù)計算的該站變化趨勢明顯低于附近長期站W(wǎng)illet Point的長期變化趨勢。而使用1957—1981年資料計算的Willet Point站的趨勢也低于本站的長期變化趨勢。由于無法插補New Rochelle缺測的數(shù)據(jù)，因此該站資料暫時不能使用。

2.3 資料序列短，但局部代表性好

有些站，盡管資料長度稍短，但資料連續(xù)，局部代表性好，也可以使用。如Rincon Island站，使用1962—1990年共29 a的資料計算其長期變化趨勢，盡管比30 a少1年，由于資料序列較好，仍然可以使用。由于該站是建在離岸約1 km的生產(chǎn)油氣的人工島上，其長期變化趨勢明顯高于附近的站，因此它的趨勢只能代表局部的海平面變化特征。

2.4 環(huán)境變化，站址變遷

有時，環(huán)境變化要求改變站置。如果新站和老站的水尺零點相同，那么老站的資料序列可以在新站繼續(xù)使用，通過2個站同時觀測，以確定它們的潮汐特征類似，把2站的資料結(jié)合起來使用（如百慕大生物站和百慕大Esso碼頭）。但是，在有些情況下，如碼頭被風(fēng)暴襲擊破壞，再采集當(dāng)時的資料是不可能的，這樣的資料插補起來較困難，如果相鄰的驗潮站有同步觀測資料，并且逐時觀測的潮位相同或者相關(guān)性較高，也可以把資料連在一起使用。

2.5 同步觀測，接補資料

如果某些站停止潮位觀測后，在附近有新建站，新建站如果有同步觀測資料，那么資料調(diào)整到同一基面后可以銜接起來使用。CO-OPS自1994年停止在Padre Island觀測，德克薩斯沿岸大洋觀測網(wǎng) （TCOON） 1993年在 NWLON的Padre Island附近建了1個站，這2個站水準(zhǔn)基點相同，并且同時從1993年5月觀測到1994年4月。1997年，Port Mansfield港停止潮位觀測，TCOON在1998年重建了Port Mansfield站，并運行至今。這2個站已經(jīng)調(diào)整了NWLON海平面基準(zhǔn)面，追加了NWLON數(shù)據(jù)，資料可以連續(xù)使用。

下面重點介紹舊金山（San Francisco） 站潮位資料核定情況。

舊金山站潮位資料的長期趨勢在初期較好，但是，20世紀(jì)比19世紀(jì)趨勢明顯增大，在1900年前后，海平面明顯下降。該站距離San Andreas Fault站只有8 km，F(xiàn)ault站在1906年4月有一次大地震，盡管在地震期間沒有明顯的偏移，但是，時間序列擬合在地震前后趨勢的變化表明板塊活動起了作用（圖2）。

圖2 San Francisco站去掉了平均季節(jié)周期的月平均海平面數(shù)據(jù)（1897年9月基準(zhǔn)面偏移前后的趨勢為2.05+/-0.85 mm/yr和2.01+/-0.21 mm/yr，1906年4月的地震用實粗體的垂直線標(biāo)示）

對其殘差序列更進一步的研究發(fā)現(xiàn)，1897年資料有明顯的偏移。把舊金山站的資料和Fort Point站 （1854—1877年）、Sausalito站 （1877—1897年） 以及Presidio站（1897年） 這些時段的資料結(jié)合，形成完整的資料序列。分析發(fā)現(xiàn)，該站從Sausalito越過金門（Golden Gate） 移回Presidio的時間與變化趨勢發(fā)生明顯偏移的時間相一致，資料序列從基準(zhǔn)點明顯偏移的1897年9月斷開，而不是在1906年地震時斷開，基準(zhǔn)點偏移前后的趨勢基本相同，這樣2個序列連接的準(zhǔn)確性有待考證。

舊金山站時間序列上明顯偏移的時間與站位越過金門遷移的時間一致，在每個站址都記錄了驗潮零點（基準(zhǔn)面）。站位在1877年第1次從Forpoint移到sausalito時有9個月的資料是重復(fù)的，6個月的同期觀測顯示1.128 m的不同。1877年穿過金門的水準(zhǔn)線顯示，Sausalito驗潮站的基準(zhǔn)面高于Fort Point的基準(zhǔn)面0.140 m，Smith（1980） 使用該差值（0.140 m） 連接這2個站的資料序列。

該站在1897年從Sausalito穿過金門回到Presidio時，2個站有1.5 a的時間同時測量，同期觀測資料顯示出0.039 m的差值。該期間沒有對這2個站進行水準(zhǔn)聯(lián)測。在1906—1907年期間，美國海岸和大地測量局對1906年大地震期間舊金山的水尺零點進行了核定，從Sausalito到Presidio的水準(zhǔn)聯(lián)測顯示前者基準(zhǔn)面高于后者0.076 m，Smith（1980年） 使用該值連接2個站的資料序列。

通過把1906—1907年與1897年的水準(zhǔn)線連接使用，發(fā)現(xiàn)在1906年的大地震中這2個站水尺的陸地垂直運動沒有區(qū)別。然而，Lawson和Reid（1908年） 認為San Francisco站的多個地方在地震中的陸地垂直運動略有不同。新Fort Point站附近的4個驗潮水尺零點比Presidio站水尺零點高出0.071 m。更重要的是，與Presidio站驗潮零點比較，Sausalito站的第1次驗潮零點上升了0.035 m，另一次零點上升了0.04 m。

地震引起的舊金山區(qū)域不同的垂直運動導(dǎo)致Sausalito站水尺上升，Presidio水尺下降，兩者相差達到了0.035 m。Presidio的驗潮記錄在地震期間、地震前后都是連續(xù)的，但在地震后有1次海嘯記錄；當(dāng)1906年的時間序列去掉潮汐部分后，沒有發(fā)現(xiàn)地震偏移量。Lawson和Reid（1908年）也檢查了Presidio站1987—1907年的月均海平面，沒有發(fā)現(xiàn)地震偏移量，小于0.035 m的偏移量在潮位上是很難觀測到的。

因此，Smith使用了0.076 m的差值把Fort Point/Sausalito站和Presidio站的資料結(jié)合起來，差值可能包含了地震偏移，差值也用于連接1897年地震前后的資料序列。如果從0.076 m減去Sausalito與Presidio由于地震引起的水尺差值0.035 m，那么結(jié)果應(yīng)該是0.041 m。該值非常接近在1897年2個驗潮站同時進行1個半月測量時2個觀測序列的差值0.039 m。

因此，使用1897年2個站同時聯(lián)測得到的0.039 m連接2個序列比地震10年后從水尺聯(lián)測得到的0.076 m要好。圖3顯示了使用0.037 m調(diào)整的完整資料序列，資料線性趨勢較好。COOPS將更進一步對1897年和1906—1907年同期觀測時水準(zhǔn)聯(lián)測結(jié)果進行比較。

圖3 舊金山去掉了平均季節(jié)周期和1897年9月基準(zhǔn)偏移0.037 m之后的月平均海平面數(shù)據(jù)（整個趨勢是1.73+/-0.13 mm/yr，1906年4月的地震用實粗體的垂直線標(biāo)識）

1977年，在Sausalito（1877—1897年） 站附近建立新的潮位站，當(dāng)調(diào)查新站的潮汐水準(zhǔn)基點時，發(fā)現(xiàn)原1877年的第1個水準(zhǔn)基點是穩(wěn)定的（Smith 1980，Smith 2002）。在新站基準(zhǔn)采集了2.5 a的數(shù)據(jù)，該基準(zhǔn)高出原Sausalito站基準(zhǔn)0.829 m。使用該信息，1877—1897年數(shù)據(jù)可以調(diào)整到新的基準(zhǔn)，得到的線性趨勢是0.96 m/yr（圖 4）。

忽略1906年地震偏移的可能性計算Sausalito站的線性趨勢，但是沒有地震偏移前后的即時數(shù)據(jù)不可能模擬出偏移幅度。如果沒有地震偏移，或者只有0.035 m的微小偏移，那么自1897年以來的變率要小于2.01+/-0.21 mm/yr。這很可能是由于在整個San Francisco灣區(qū)域多個缺測時段上的結(jié)構(gòu)上升。該站1939年建在Alameda以東大約15 km，上升趨勢為0.82+/-0.51/yr，該站與舊金山的趨勢差異很大。

3 異常潮位變化

使用核定后的潮位資料序列進行分析，當(dāng)平均海平面（MSL）減去線性趨勢項和平均季節(jié)周期后，剩余的序列代表了海平面的年際和年代際變化部分。余水位反映了近岸由水溫、鹽度、風(fēng)、氣壓、流或者河口徑流引起的異常狀況。沿岸相鄰站的余水位是高度相關(guān)的。如果4—30月的周期存在0.1～0.2 m的明顯偏差，那么可以認為該數(shù)據(jù)可疑。

圖4 Sausalito去掉了平均季節(jié)周期的月平均海平面數(shù)據(jù)（整個趨勢是0.96+/-0.54 mm/yr，1906年4月的地震用實粗體的垂直線標(biāo)識）

太平洋海域形成異常高、低水位的首要因素是ENSO，正常情況下，赤道東風(fēng)在西部太平洋維持較高的水位。這種赤道風(fēng)每隔3—5年減弱，導(dǎo)致西太平洋水位偏低，赤道東太平洋和中太平洋區(qū)域水位和水溫升高。當(dāng)赤道東太平洋的風(fēng)比正常情況強時，發(fā)生相反的拉尼娜現(xiàn)象，該現(xiàn)象導(dǎo)致西太平洋的水位升高，赤道東太平洋和中太平洋的水位和水溫降低。在ENSO活動強烈期間，其影響不僅局限在太平洋，還可以通過大氣遠程傳播到世界的其他區(qū)域（圖5）。

圖5 圣地亞哥的月平均海平面余水位（實線）與大洋尼諾指數(shù)（Oceanic Nino Index） （虛線）的比較（ONI用因子10表示相關(guān)，單位是度）

圖5顯示了太平洋沿岸水位和ENSO之間的高度相關(guān)。大洋尼諾指數(shù)（ONI）是NOAA的氣候預(yù)報中心（氣候預(yù)報中心，1999） 用來確定ENSO事件的標(biāo)準(zhǔn)方法。它是通過在尼諾3.4區(qū)域 （5 °N-5 °S，120 °W-170 °W） 相對于 1971—2000年期間的海面溫度3個月的滑動平均得到的。在圖5中，大洋尼諾指數(shù)用因子10來分開，與余水位進行比較。

近岸的站與站之間的余水位是高度相關(guān)的，它們代表了近岸的區(qū)域異常狀況。為了突出強調(diào)近岸的極端大洋狀況，并且確定這些事件的地理范圍，應(yīng)用0.1 m來界定月均海平面余水位5個月的平均值（Zervas 2001）。當(dāng)5個月的均值大于0.1 m時，定義為正異常；當(dāng)5個月的均值低于-0.1 m時，定義為負異常。

表1列出了太平洋部分站每年極值余水位的月份數(shù)。月余水位超過0.1 m的年份為正，標(biāo)為紅色；月余水位低于-0.1 m的年份為負，標(biāo)為蘭色；沒有極值余水位的年份標(biāo)為0；沒有資料的年份空白。表中給出了過去100 a來海平面異常的時間段和區(qū)域范圍。

1982—1983年的強厄爾尼諾事件使得關(guān)島、帕果—帕果和夸賈林環(huán)礁低位異常，整個美國西部海岸從圣地亞哥到阿拉斯加高位異常。在1985年從俄勒岡州到阿拉斯加發(fā)生了低位異常，1987—1988年在阿拉斯加發(fā)生了高位異常。1988—1989年發(fā)生的強拉尼娜事件導(dǎo)致了關(guān)島的高位異常和從加利福尼亞到阿拉斯加的低位異常。

1992年的厄爾尼諾事件導(dǎo)致了加利福尼亞和阿拉斯加的高位異常。1997—1998年的強厄爾尼諾事件引起關(guān)島、帕果—帕果和夸賈林環(huán)礁低位異常，整個美國西部海岸從圣地亞哥到Adak島嶼高位異常。近期，俄勒岡州和華盛頓在2000—2001年經(jīng)歷了低位異常，緊接著，2002年在阿拉斯加發(fā)生了低位異常。

4 結(jié)論

本文通過典型實例詳細介紹了美國潮位觀測數(shù)據(jù)的核定及應(yīng)用。中國作為一個海洋大國，潮位觀測站位較多且觀測資料歷史較長，由于受到臺站遷址、儀器變更、規(guī)范變動、地面沉降以及自然環(huán)境變化等影響，部分觀測資料序列存在不連續(xù)、基準(zhǔn)面不統(tǒng)一以及數(shù)據(jù)異常變化等問題。因此，在基于中國潮位觀測資料現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，借鑒使用其他國家資料核定方法，建立一套連續(xù)、基準(zhǔn)面統(tǒng)一的海平面觀測資料，對于我國的海平面和氣候變化研究工作具有重要的意義。

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表1 太平洋1982—2006年極值余水位的月個數(shù)