中國沿海增減水的變化特征及與海平面變化的關系

王慧,劉克修 , 范文靜,張增建, 徐姍姍, 劉首華

(1. 國家海洋信息中心， 天津 300171)

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中國沿海增減水的變化特征及與海平面變化的關系

王慧1,劉克修1*, 范文靜1,張增建1, 徐姍姍1, 劉首華1

(1. 國家海洋信息中心， 天津 300171)

本文通過對中國沿海25個觀測站水位資料的分析，初步探討了中國沿海1980-2012年增減水的變化特征及與海平面變化的關系。結果表明：(1) 中國沿海增減水的季節(jié)變化特征明顯，相鄰站由于受到的氣象狀況相同，其沿海增減水變化的過程相近，但是變化幅度存在較大差異。從空間分布看，沿海增減水的變化幅度呈現(xiàn)中間大南北小的區(qū)域特征，自長江口至廣東沿海，增減水的年變化幅度最大，年變幅平均為5.0～7.5 cm；南海周邊及北部灣沿海，增減水的年變化幅度次之，年變幅平均為4.0～5.5 cm；自渤海至黃海沿海，增減水的年變化幅度較小，年變幅平均為3.3～3.5 cm。(2)從時間變化看，1980-2012年中國沿海年平均增減水長期基本沒有趨勢性變化，但明顯存在2至5年的周期性變化信號，該信號的震蕩幅度為0.1 cm。經過高頻濾波后，對沿海月平均增減水序列與Nio3.4指數(shù)進行相關性分析，相關系數(shù)為-0.5，該相關系數(shù)通過了顯著性檢驗，說明中國沿海的增減水變化與ENSO事件呈現(xiàn)負相關關系。(3)中國沿海增減水的長期變化及空間分布特征均與海平面變化不同。1980-2012年，中國沿海海平面的上升速率為2.9 mm/a，而增減水長期基本無趨勢性變化；另外，其季節(jié)變化與海平面的季節(jié)變化從時間和區(qū)域上均不存在一致性。(4)但是，短期海平面的變化與增減水有關，并且增減水對短期海平面的貢獻根據(jù)其具體情況而定，增水幅度大且持續(xù)時間長的過程對短期海平面有抬升作用，其貢獻率最大可達65%；反之，減水幅度大且持續(xù)時間長的過程則對短期海平面有降低的作用。

增減水；海平面；周期；ENSO

1 引言

全球氣候變暖導致的海水熱膨脹、極地冰蓋和陸源冰川融化是引起全球海平面上升的主要原因[1]。區(qū)域海平面變化與全球海平面平均狀況有明顯不同，除了受全球海平面變化的影響，還受局地海溫、海流、風、氣溫、氣壓和降水等水文氣象要素的影響[2]。近年來，隨著極端天氣、氣候事件的頻發(fā)，導致短期海平面異常的次數(shù)偏多，程度加大[3]。根據(jù)《2012年中國海平面公報》和《2013年中國海平面公報》發(fā)布的結果[4—5]，2012年中國南海沿海海平面顯著升高，其中6月和8月海平面均達1980年以來同期最高值；2013年中國南海沿海5月和10月海平面均達1980年以來同期最高值。

受地球公轉年周期的影響，季節(jié)海平面是氣壓、風、水溫、鹽度、河口徑流等季節(jié)性周期共同作用的結果[6]。我國沿岸的月平均海平面，最低值一般在冬春，最高值在夏秋，每年月平均海平面峰值的出現(xiàn)，由渤黃海的7月向南海逐步推遲至10月[7]。

增減水泛指水文氣象狀況變化(風暴潮等)引起的水位變化，是由非天文因素(氣壓、風、降水和徑流變化等)引起的水位異常變化，又稱余水位。增減水是氣象條件的非周期性變化引起的水位升降，這種升降常造成海平面的短期或突然變化[7]。在中國沿海，由于受不同緯度的天氣系統(tǒng)影響，冬季寒潮、春季氣旋、夏秋季熱帶氣旋活動頻繁[8]，增減水的變化也呈現(xiàn)多樣性。在我國北方沿海，海平面出現(xiàn)的異常增減水多與寒潮有關，南部沿海海平面出現(xiàn)的異常增減水多與熱帶氣旋有較大的關系。短期海平面的異常偏高或者偏低可以通過增減水的變化統(tǒng)計出來，但是增減水的累積效應對于海平面的長期變化的貢獻以及它的時空變化特征，目前有關這方面的研究還缺乏。

在全球變暖的大背景下，海平面上升已經成為全球性的重大環(huán)境問題，海平面上升對沿海地區(qū)的經濟發(fā)展、海洋生態(tài)環(huán)境和人民生產生活的影響日益顯著。高海平面抬升了風暴潮增水的基礎水位，高潮位相應提高，風暴潮的致災程度加大，較低的海平面將影響港口的通航能力[5]。

本文使用中國沿海25個站的水位資料，初步探討了中國沿海增減水的變化特征及與海平面變化的關系。

2 資料和方法

2.1 資料

本文從中國沿海驗潮站中篩選了分布均勻的25個代表站(圖1)，資料序列的長度為1980—2012年，這些站的潮位資料均經過質控和均一性訂正處理[9]。由于相鄰臺站受到的天氣、氣候事件相同因此產生的增減水過程也相近，因此對于資料缺測的站位使用了相鄰站相關法對缺測月份的增減水數(shù)據(jù)進行插補。

圖1 本文中使用的中國沿海主要代表站Fig.1 The representative stations used in this paper

2.2 增減水的計算

增減水是指實時水位中去掉天文潮剩余的部分。本文使用的增減水計算公式如下，

V0i+ui-gi)，

(1)

式中，ζ(t)為觀測的逐時潮位，A0為觀測期間平均海面，γ(t)為增減水。考慮到中國近海高頻振動顯著的特點，在余水位的計算中考慮了12周/日以內的高頻振動。

3 中國沿海增減水的變化特征

3.1 中國沿海增減水的季節(jié)變化

對沿海代表臺站1980—2012年的增減水統(tǒng)計結果見圖2?？梢钥闯觯袊睾Ｔ鰷p水的季節(jié)變化特征明顯，且變化特征及變化幅度具有明顯的區(qū)域性。相鄰臺站由于受到的氣象狀況相同，增減水變化過程相近。在渤海及遼東灣的西部沿海，1-4月、7-8月以增水過程為主，5-6月、9-12月以減水過程為主，增減水的年變幅平均為3.5cm；在渤海西南部以及北黃海沿海，1-4月、8月以增水過程為主，5-7月、9-12月以減水過程為主，增減水的年變幅平均為3.3cm；在黃海南部沿海，1-6月、8-9月以增水過程為主，7月、10-12月以減水過程為主，增減水的年變幅平均為3.6cm；在長江口至浙江沿海，1-3月、5-6月和9月以增水過程為主，4月、7-8月和10-12月以減水過程為主，增減水的年變幅平均為5～7.5cm；在福建和廣東沿海，1-3月、5-6月和9-10月以增水過程為主，4月、7-8月和11-12月以減水過程為主，增減水的年變幅平均為6.2cm；在海南北部至東部沿海，2-3月、6-7月和10月以增水過程為主，4月、8-9月和11-12月以減水過程為主，增減水的年變幅平均為4～5.5cm；在北部灣沿海，2-3月、6-8月和10月以增水過程為主，1月、4-5月、9月和11-12月以減水過程為主，增減水的年變幅平均為4.7cm。

圖2 中國沿海主要臺站增減水季節(jié)變化Fig.2 The seasonal changes of residual water levels along China coast

圖3 中國沿海增減水長期變化Fig.3 The long-term change of residual water level along the China coast

圖4 中國沿海增減水小波變換結果Fig.4 Wavelet transform of residual water level along the China coast左部為小波譜的實部；右部為小波譜的振幅Left part is real part of wavelet spectrum,right part is wavelet spectrum amplitude

圖5 中國沿海增減水與Nio3.4指數(shù)的相關關系Fig.5 The correlation between the residual water level along the China coast and Nio3.4 index

3.2 中國沿海增減水的年際變化

1980—2012年，中國沿海增減水長期變化見圖3?？梢钥闯觯睾Ｔ鰷p水長期變化趨勢為0.14mm/a，基本沒有明顯的趨勢性變化。對該增減水時間序列進行小波變換分析[10—11]發(fā)現(xiàn)，沿海增減水在20世紀80年代和2005年之后存在5年的周期性信號，該信號的震蕩幅度約為0.1cm，在20世紀90年代至2005年間存在2年的周期性信號(圖4)。2～3年的振蕩周期在中國近岸水文、氣象要素較為常見；5年的周期目前研究認為與ENSO現(xiàn)象有關。說明中國沿海的增減水變化除了受中國近岸水文、氣象因素的影響，還受到ENSO的影響[7]。

為了驗證中國沿海增減水的變化與ENSO的關系，本文使用1993—2013年的Nio3.4指數(shù)與增減水進行相關性分析，增減水數(shù)據(jù)序列為圖1中標出的25個代表站月平均增減水的平均值。為了過濾掉高頻信號，本文使用Butterworth濾波器過濾掉頻率大于1/24的信號，保留了周期大于等于2年的尺度變化，分析結果顯示兩者的相關系數(shù)為-0.5(圖5)。對此相關系數(shù)進行顯著性檢驗發(fā)現(xiàn)，在置信度為95%的顯著性水平，自由度為100的情況下，|γ0.05|=0.194 6<0.5。圖5中兩個變量的時間序列長度為252，自由度是250，在同一顯著性水平下，相關系數(shù)的臨界值隨著自由度的增大而減小。因此說明，中國沿海的增減水變化與ENSO事件呈明顯的負相關關系。當厄爾尼諾發(fā)生時，中國沿海西風異常[12]，多以離岸風為主，導致中國沿海出現(xiàn)持續(xù)時間較長的減水過程，海平面偏低；當拉尼娜發(fā)生時，季風轉向，中國沿海多以向岸風為主，導致沿海出現(xiàn)持續(xù)時間較長的增水過程，海平面偏高。

4 中國沿海增減水的時空變化特征

對中國沿海25個站的增減水數(shù)據(jù)進行經驗正交函數(shù)(EOF)分解[13]，前3個模態(tài)共占總方差的83.8%，解釋了沿海增減水變化的主要特征，其中第一模態(tài)占總方差的53.4%。從圖6可以看出，中國沿海增減水變化幅度呈現(xiàn)中間大南北小的區(qū)域特征，自江蘇連云港至廣東西部的閘坡，增減水的變化幅度較大，渤海灣至北黃海、瓊州海峽至北部灣增減水的變化幅度較小。從時間系數(shù)來看，中國沿海增減水無明顯的趨勢性變化。

圖6 中國沿海增減水EOF分解第一模態(tài)的空間分布和時間系數(shù)Fig.6 The first modal of the EOF of the residual water levels along the China coast

圖7 中國沿海增減水EOF分解第二模態(tài)的空間分布和時間系數(shù)變化Fig.7 The second modal of the EOF of the residual water levels along the China coast

圖8 中國沿海海平面與增減水的長期變化Fig.8 Long-term changes of sea level and residual water level along the China coast

圖9 中國沿海海平面小波變換分析Fig.9 Wavelet transform of sea level along the China coast左部為小波譜的實部；右部為小波譜的振幅Left part is real part of wavelet spectrum, right part is wavelet spectrum amplitude

第二模態(tài)占總方差的21.5%，從圖7可以看出，中國沿海增減水變化呈現(xiàn)南北反相的區(qū)域分布特征，以浙江的坎門和福建的三沙為界，當北部為增水時，南部為減水，反之當北部為減水時，南部為增水。從時間變化來看，中國沿海增減水無明顯的趨勢性變化。

5 中國沿海海平面變化與增減水的關系

海平面是消除潮汐、波浪或其他擾動因素后海水的平均高度，一般是通過計算一段時期內觀測水位的平均值得到。海平面變化包括長期變化、年際和年代際變化、季節(jié)變化及短期變化等。長期變化主要是由氣候變化和陸地升降等因素引起[7，14]。短期海平面的異常偏高或者偏低可以通過增減水的變化統(tǒng)計出來。增減水是氣象條件的非周期性變化引起的水位升降，這種升降常造成海平面的短期或突然變化[7]。

5.1 中國沿海海平面的長期變化與增減水的關系

本文分別統(tǒng)計計算了中國沿海1980—2012年的海平面和增減水的長期變化狀況，結果見圖8?？梢钥闯?，中國沿海海平面的變化呈現(xiàn)明顯的波動上升趨勢，1980—2012年間海平面的上升速率為2.9mm/a，海平面在1980年代處于近30年最低位，2012年達近30年最高位；1995年和2005年之后海平面經歷了兩次躍變。而增減水從長期的變化狀況看基本無明顯趨勢性變化(圖3)。說明增減水對海平面的長期變化基本沒有貢獻。

5.2 中國沿海海平面的年際和年代際變化

對圖8中的中國沿海年平均海平面時間序列進行Morlet小波變換分析(圖9)。從圖中可以看出，中國沿海海平面包含了多個時間尺度的顯著周期變化。結合右邊的振幅，可以看出中國沿海海平面變化的顯著周期主要有2～3年、準4年、準7年、準9年、11年和準19年，其振幅均達1cm。其中，2～3年的振蕩周期在中國近岸水文、氣象要素較為常見；其次是4～7年的周期[7]，目前研究認為，該周期與ENSO現(xiàn)象有關；準11年的周期是反映了中國沿海海平面的變化受太陽黑子的影響；9年和19年是潮汐天文潮周期，反映了月球赤緯的變化，又叫交點潮。由于海平面時間序列長度的限制，更長周期的振蕩周期反映不出來。

通過圖4可以看到沿海增減水存在較弱的2年和5年的周期性信號，該信號的振蕩幅度為0.1cm。相比于海平面均達1cm的振蕩幅度，該值僅為海平面周期性振蕩幅度的1/10，其貢獻很小。

5.3 中國沿海海平面的季節(jié)變化

海平面的季節(jié)變化是指主要因氣候季節(jié)變化引起的海平面有規(guī)律的升降變化，這種變化規(guī)律每年大致是相同的。但由于受到大尺度海洋和氣候環(huán)境變化的影響，這種規(guī)律有時也會發(fā)生變化[15]。

中國沿海海平面的季節(jié)變化與氣候密切相關，且其區(qū)域特征明顯。受季風、海洋暖流和寒流、氣壓、降水、海洋表層流變化等多因素的影響，中國沿海季節(jié)性高海平面發(fā)生時間由北向南逐漸推遲，年變化幅度自北向南逐漸減小。渤海和黃海的季節(jié)性高海平面，一般發(fā)生在氣溫最高、氣壓最低、降水量最大和季風影響較小的7-8月，低海平面一般發(fā)生在1-2月，海平面年變化幅度在45～60cm；東海的季節(jié)性高海平面，一般出現(xiàn)在盛行南向季風和表層南向沿岸流較強的9月前后，低海平面以2-4月最低，海平面年變化幅度在30～45cm；臺灣海峽的季節(jié)性海平面在9月下旬-10月上旬最高，比同期南海沿海海平面高30～50mm；10-11月，受東北季風影響，大量海水通過巴士海峽、巴林塘海峽和臺灣海峽進入南海，南海東北部沿海海平面明顯升高[16—18]。中國沿海各代表站海平面的季節(jié)變化特征見表1。

而從3.1節(jié)可以看出中國沿海增減水的發(fā)生時間以及區(qū)域分布均與海平面不同，其季節(jié)變化與海平面的季節(jié)變化從時間和區(qū)域上均不存在一致性。

5.4 中國沿海海平面的短期變化與增減水的關系

風暴潮是由熱帶氣旋、溫帶氣旋等強烈的大氣擾動引起的海水異常升降(風暴增水或減水)，其持續(xù)時間為數(shù)小時到數(shù)天，對長期平均海平面基本沒有影響(從5.1節(jié)已看到)，對月平均海平面有一定影響，但一般不會改變海平面變化的主要特征[14]。由風暴潮引起的短期海平面的異常偏高或者偏低可以通過增減水的變化統(tǒng)計出來。下面對2012年發(fā)生的典型風暴潮過程進行分析。

2012年8月，先后有雙臺風“蘇拉”和“達維”、強臺風“?？?、臺風“啟德”、雙臺風“天秤”和“布拉萬”6個熱帶氣旋影響中國沿海，熱帶氣旋影響期間的海平面及影響狀況見表2?？梢钥闯?，臺風影響期間的海平面均遠高于當月的平均海平面，偏高幅度在173～318cm，該短期海平面的升高同時也抬升了當月的平均海平面。2012年8月臺風影響期間海平面的升高與沿海6個熱帶氣旋帶來的長時間增減水有著密切的關系。對該月的增減水進行統(tǒng)計分析，結果顯示全月增減水對當月海平面上升的貢獻率約為14%，但各站增減水對各站當月海平面上升的貢獻差異較大，其中貢獻率最大的廈門站為65%；連云港貢獻率次之，為48%；閘坡和?？谪暙I率較小，約為5%；秦皇島和北海貢獻率為負(圖10)，該貢獻率的大小與臺風影響的位置以及增減水過程有關系。

表1 中國沿海代表站海平面的季節(jié)(年與半年)變化

表2 2012年8月熱帶氣旋影響期間海平面及影響狀況

注：*海平面數(shù)據(jù)為受影響較大代表站的統(tǒng)計結果(相對于常年平均海平面，單位：mm)。

圖10 2012年8月中國沿海月平均海平面和平均增減水Fig.10 Monthly mean sea levels and residual water levels along the China coast

在中國沿海，風暴潮影響期間對海平面的貢獻根據(jù)其風暴的增減水情況而定，增水幅度大且持續(xù)時間長的過程對短期海平面有抬升作用，反之，減水幅度大且持續(xù)時間長的過程則對短期海平面有降低的作用。2014年7月23日，臺風“麥德姆”在福建福清沿海登陸，風暴潮過程先以短暫的增水之后伴隨著近3天的減水(圖11)，影響期間海平面總體偏低，低于當月平均海平面，見表3?？梢钥闯觯?014年7月福建沿海海平面偏低，接近常年同期，而臺風影響期間的海平面更是低于當月的平均海平面。

表3 2014年熱帶氣旋影響期間海平面及影響狀況

注：*海平面數(shù)據(jù)為受影響較大代表站的統(tǒng)計結果(相對于常年平均海平面，單位：mm)。

圖11 2014年7月廈門站增減水Fig.11 Residual water level at Xiamen station in July, 2014

6 結論

本文使用中國沿海25個代表站的水位資料，分析了1980—2012年中國沿海增減水的變化特征及其與海平面變化的關系，分析結果表明：

(1) 中國沿海增減水的季節(jié)變化特征明顯，相鄰站由于受到的氣象狀況相同，其沿海增減水變化的過程相近，但是變化幅度存在較大差異。從空間分布看，沿海增減水的變化幅度呈現(xiàn)中間大南北小的區(qū)域特征，自長江口至廣東沿海，增減水的年變化幅度最大，年變幅平均為5.0～7.5 cm；南海周邊及北部灣沿海，增減水的年變化幅度次之，年變幅平均為4.0～5.5 cm；自渤海至黃海沿海，增減水的年變化幅度較小，年變幅平均為3.3～3.5 cm。

(3)從時間變化看，1980—2012年中國沿海年平均增減水長期基本沒有趨勢性變化，但存在2～5年的周期性信號，該信號的震蕩幅度為0.1 cm。經過高頻濾波后，對沿海月平均增減水序列與Nio3.4指數(shù)進行相關性分析發(fā)現(xiàn)，相關系數(shù)為-0.5，該相關系數(shù)通過了顯著性檢驗，說明中國沿海的增減水變化與ENSO事件呈負相關關系。

(4)中國沿海增減水的時間變化及空間分布特征均與海平面不同。1980—2012年，中國沿海海平面的上升速率為2.9 mm/a，而增減水長期基本無趨勢性變化；另外，其季節(jié)變化與海平面的季節(jié)變化從時間和區(qū)域上均不存在一致性。

(6)短期海平面變化與增減水有關，并且增減水對短期海平面的貢獻根據(jù)其具體情況而定，增水幅度大且持續(xù)時間長的過程對短期海平面有抬升作用，最大貢獻率達65%；反之，減水幅度大且持續(xù)時間長的過程則對短期海平面有降低的作用。

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Characteristics of residual water level variation along China coast and its relation to sea level change

Wang Hui1, Liu Kexiu1, Fan Wenjing1, Zhang Zengjian1,Xu Shanshan1, Liu Shouhua1

(1.NationalMarineData&InformationService,Tianjin300171,China)

By analyzing 25 stations’ sea level data, this paper preliminarily investigate the characteristics of residual water level variation along China coast and its relation to sea level change during 1980-2012. The results show: (1) Residual water level along China coast has significant seasonal variation. As the weather condition is the same in the adjacent stations, the procedure of residual water level variation is similar. From spatial distribution, residual water level variation along China coast presents obviously regional characteristics, and the amplitude of variation is big in middle, small in south and north. From Yangtze River to the coastal region of Guangdong, the amplitude of residual water level variation is largest, and the average annual range is 5.0-7.5 cm. From the coast of Hainan to the coast of Beibu Gulf, the amplitude of residual water level variation is larger, and the average annual range is 4.0-5.5 cm. From the coast of Bohai Sea to the coast of Yellow Sea, the amplitude of residual water level variation is small, and the average annual range is 3.3-3.5 cm. (2) From temporal variation, average annual residual water level basically has no tendency change during 1980-2012, but it has a 2-5 a periodic signal. The oscillation amplitude is 0.1 cm. Correlation coefficient between the monthly residual water level time sequence and Nio3.4 index is -0.5, which passed the significance test. It shows that the monthly residual water level is associated with ENSO. (3) Residual water level time variation and spatial distribution characteristic along China coast are all different from sea level. 1980-2012, the rise rate of China coast sea level is 2.9 mm/a, but there is almost no long-term tendency change in residual water level. In addition, the seasonal variation of residual water level and sea level is inconsistent in time and area. (4) Residual water level has an impact on short-term sea level change, and the magnitude of the impact is based on its residual water level. The long time increasing water make the sea level higher, and its maximum contribution rate is 65%. On the contrary, the long time decreasing water make the sea level lower.

residual water level; sea level; period; ENSO

10.3969/j.issn.0253-4193.2017.06.002

2016-04-18；

2016-09-18。

全球變化和海氣相互作用專項(GASI-03-01-01-09)。

王慧(1972—)，女，山東省臨沂市人，副研究員，主要從事海平面和氣候變化研究。E-mail：wh_cherry@126.com

*通信作者：劉克修(1971—)，男，研究員，主要從事潮汐海平面變化及影響研究。E-mail：kxliu@163.com

P731.23

A

0253-4193(2017)06-0010-11

王慧, 劉克修, 范文靜，等. 中國沿海增減水的變化特征及與海平面變化的關系[J].海洋學報，2017，39(6)：10—20,

Wang Hui, Liu Kexiu, Fan Wenjing, et al. Characteristics of residual water level variation along China coast and its relation to sea level change[J]. Haiyang Xuebao，2017，39(6)：10—20, doi:10.3969/j.issn.0253-4193.2017.06.002