基于衛(wèi)星高度計(jì)數(shù)據(jù)的南海海平面時(shí)空變化特征分析

余榮臻，徐華兵，劉 貝

（廣東海洋大學(xué) 電子與信息工程學(xué)院，廣東 湛江 524088）

近年來(lái)，隨著全球氣候變暖，海平面上升已成為不爭(zhēng)的事實(shí)。根據(jù)《2018年中國(guó)海平面公報(bào)》，1980—2018年中國(guó)近海海平面上升速率為3.3 mm/a，高于同時(shí)段全球平均水平。中國(guó)海域海平面的上升不僅給中國(guó)的沿海城市帶來(lái)危機(jī)，而且還會(huì)導(dǎo)致各種海洋災(zāi)害的發(fā)生。張棟楊等[1]利用“源—路徑—受體—影響”模型分析，得到2006—2016年海平面上升使得中國(guó)沿海地區(qū)發(fā)展脆弱性等級(jí)整體呈現(xiàn)上升趨勢(shì)。研究海平面的變化對(duì)中國(guó)海洋災(zāi)害的預(yù)防、預(yù)報(bào)和海洋環(huán)境的監(jiān)測(cè)、保護(hù)有著十分重要的作用。南海是中國(guó)四大海域之一，與中國(guó)南方沿岸城市在地理位置上密緊密相連。因此，研究南海海平面的變化對(duì)中國(guó)南方沿岸城市的經(jīng)濟(jì)、政治有著不可忽視的影響。

自20世紀(jì)70年代衛(wèi)星高度計(jì)發(fā)明以來(lái)，衛(wèi)星測(cè)高技術(shù)不斷發(fā)展、完善和成熟。衛(wèi)星測(cè)高技術(shù)的出現(xiàn)彌補(bǔ)了驗(yàn)潮站的一些缺陷，使得學(xué)者們可以更全面地研究中國(guó)海平面的變化，得到更大范圍和更具代表性的結(jié)果。郭金運(yùn)等[2]利用TOPEX/Poseidon、Jason-1和Jason-2衛(wèi)星測(cè)高數(shù)據(jù)分析得到，1993年1月—2012年12月中國(guó)近海海域的海平面平均上升速率為4.64 mm/a，而南海海平面同期的平均上升速率為4.25 mm/a。國(guó)外最新研究表明，1985—2016年中國(guó)南海的海平面平均上升速率為7.6 mm/a，在越南沿岸海域的上升趨勢(shì)最大[3]。值得指出的是，與全球海平面相比，中國(guó)南海的海平面平均上升速率相對(duì)比較快[4]。

目前，研究中國(guó)南海SLA數(shù)據(jù)的方法不是很全面，數(shù)據(jù)跨度不是很大。本文主要采用多種方法對(duì)中國(guó)南海1993—2017年的海平面數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，全面分析中國(guó)南海（月、季度和年）平均SLA的空間分布和時(shí)間變化，并探究其變化周期。

1 數(shù)據(jù)和方法

1.1 數(shù)據(jù)

1.1.1 研究區(qū)域 南海是西北太平洋最大的半封閉邊緣海，海域面積約為350萬(wàn)km2，最大水深約為5 000 m，平均水深約為1 212 m，是中國(guó)最深的海區(qū)之一。本文研究區(qū)域的覆蓋范圍是從0°N—25°N，100°E—122°E。

1.1.2 數(shù)據(jù)來(lái)源 本文SLA數(shù)據(jù)資料為T(mén)OPEX/Poseidon、Jason-1/2、ERS-1/2和ENVISAT等衛(wèi)星高度計(jì)測(cè)高數(shù)據(jù)的融合產(chǎn)品，是法國(guó)AVISO數(shù)據(jù)分發(fā)中心提供的網(wǎng)格化SLA數(shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)的空間分辨率為0.25°×0.25°，數(shù)據(jù)的時(shí)間尺度為1993年1月—2017年12月，共25 a。

1.2 方法

1.2.1 線(xiàn)性回歸 線(xiàn)性回歸是利用最小二乘法對(duì)一個(gè)或者多個(gè)自變量與因變量之間的關(guān)系進(jìn)行建模的一種回歸分析方法。本文采用最小二乘擬合方法計(jì)算南海平均海平面變化的線(xiàn)性趨勢(shì)及變化率，其計(jì)算原理如下：

式中：y為海平面變化；a為常數(shù)項(xiàng)；b為（月、季度和年）變化率；x為時(shí)間。

1.2.2 時(shí)間序列Winters指數(shù)平滑法 指數(shù)平滑法是通過(guò)一定的時(shí)間序列預(yù)測(cè)模型對(duì)現(xiàn)象的未來(lái)進(jìn)行預(yù)測(cè)。Winters指數(shù)平滑法是對(duì)非線(xiàn)性較弱的趨勢(shì)性變動(dòng)和季節(jié)性波動(dòng)的時(shí)間序列預(yù)測(cè)的方法[5]。

1.2.3 EMD分析法 EMD分析法的核心思想在于，將時(shí)間序列按一定規(guī)則分解成有限個(gè)本征模函數(shù)和一個(gè)趨勢(shì)項(xiàng)的和[6]：

1.2.4 EOF分析法 EOF分析方法是一種通過(guò)分析變量場(chǎng)的結(jié)構(gòu)特征，將時(shí)空分布的變量場(chǎng)分解成稱(chēng)作模態(tài)的正交函數(shù)的線(xiàn)性組合的數(shù)學(xué)統(tǒng)計(jì)方法[7]。數(shù)據(jù)分析用主成分分析的方法。主成分分析是一種除去波段之間的多余信息，將多波段的圖像信息壓縮到比原波段更有效的少數(shù)幾個(gè)轉(zhuǎn)換波段，從而減少數(shù)據(jù)處理量的方法。

2 結(jié)果和分析

2.1 海平面變化的空間分布

2.1.1 多年平均SLA空間分布特征 對(duì)南海每個(gè)網(wǎng)格的SLA數(shù)據(jù)求取1993—2017年的時(shí)間平均，得到1993—2017年共25 a的平均SLA空間分布情況。從圖1中可以看出，總體上，南海大部分海域的多年平均SLA為正值，只有很少一部分海域出現(xiàn)負(fù)值（菲律賓群島中部海域），南海25 aSLA的總體平均值為3.41 cm，最大為5.11 cm，最小為-1.52 cm。

圖1 南海多年平均SLA的空間分布（單位：cm）

對(duì)應(yīng)南海多年平均SLA空間分布，多年平均SLA變化率圖的色標(biāo)由藍(lán)色至紅色表示多年SLA變化率由負(fù)值（海平面下降）到正值（海平面上升）。從圖2中可以發(fā)現(xiàn)，其空間形態(tài)呈現(xiàn)較大差異，不同網(wǎng)格的海平面上升速度不同?？傮w而言，南海全部海域SLA變化率都為正值，平均變化率為4.05 mm/a，最大為6.33 mm/a，最小為1.99 mm/a。這說(shuō)明南海海域1993—2017年海平面都呈上升趨勢(shì)，且12°N—19°N之間的南海中部海域多年SLA變化幅度較大，出現(xiàn)多個(gè)正值中心?？梢园l(fā)現(xiàn)，南海中部和東部海域的上升速率比西南部的上升速率要快，而且最大的上升趨勢(shì)出現(xiàn)在越南東部海域，主要是受到該地區(qū)上升流的影響[3]。

圖2 南海多年平均SLA變化率的空間分布（單位：mm/a）

2.1.2 南海多年月、季平均SLA空間分布特征 為了研究多年月平均SLA的分布特征，對(duì)每個(gè)網(wǎng)格求取多年各個(gè)月平均SLA，得到了12個(gè)月的多年月平均SLA的空間分布（圖3）。本文季節(jié)劃分如下：春季為3—5月；夏季為6—8月；秋季為9—11月；冬季為12月至次年2月。

冬季：冬季盛行東北風(fēng)，它把寒冷干燥的大氣帶到南海，從而通過(guò)海氣熱交換來(lái)冷卻海面，并且產(chǎn)生一股西南向的沿岸流，使得南海SLA正值區(qū)域逐漸減少。冬季的正異常中心在泰國(guó)灣，負(fù)異常中心在呂宋海峽西部和菲律賓群島海域（圖4）。南海12月的月平均SLA達(dá)到全年的次大值9.10 cm（表1）。

春季：由于3至4月黑潮的影響，和5月東北季風(fēng)變成西南季風(fēng)的結(jié)果，南海SLA的負(fù)值區(qū)域先增加后減少，且4月達(dá)到全年最大范圍。3月越南東部SLA出現(xiàn)正異常中心，在4至5月，該正異常逐漸擴(kuò)增，泰國(guó)灣的SLA從正異常逐漸變成負(fù)異常。南海的月平均SLA逐漸變成負(fù)值。

夏季：西南季風(fēng)對(duì)南海的持續(xù)影響，使得呂宋海峽西部海域的SLA正值區(qū)域逐漸增加，最強(qiáng)風(fēng)速出現(xiàn)在越南海岸線(xiàn)上，使得越南東海岸局部出現(xiàn)了上升流，越南東部海域的正異常中心開(kāi)始偏移。夏季的正異常中心在呂宋海峽西南部和越南東部，負(fù)異常中心在泰國(guó)灣。南海夏季SLA的正異常范圍持續(xù)增大，月平均SLA由負(fù)值逐漸變成正值，6月的月平均SLA達(dá)到全年的最小值-0.77 cm。

秋季：西南季風(fēng)開(kāi)始減小，南海SLA的正值區(qū)域先增加后減少，且10月達(dá)到最大范圍。呂宋海峽西部海域的SLA從正異常逐漸變成負(fù)異常。泰國(guó)灣的SLA從負(fù)異常逐漸變成正異常，西沙群島附近海域SLA的負(fù)異常區(qū)域逐漸增加。南海秋季的月平均SLA逐漸增大，11月達(dá)到全年的最大值9.25 cm。

圖3 南海多年月平均SLA的空間分布（單位：cm）

圖4 南海海域多年季平均SLA的空間分布（單位：cm）

表1 南海各月的SLA平均值以及正（負(fù)）SLA所占比例

1993—2017年共25 a間，對(duì)應(yīng)南海多年季平均SLA空間分布，多年季平均SLA變化率見(jiàn)圖5。南海四季的多年季平均SLA變化率全部為正值。春季的正變化率最大值主要分布在越南東部。夏季的正變化率最大值主要分布在呂宋海峽西南部和西沙群島附近。秋季的正變化率最大值主要分布在西沙群島東北部和越南東部。冬季的正變化率最大值主要分布在呂宋海峽西部、西沙群島和泰國(guó)灣?？梢钥闯觯侥蠔|部的正變化率最大值主要出現(xiàn)在春季和秋季，呂宋海峽西南部的正變化率最大值主要出現(xiàn)在夏季和冬季，即南海的平均SLA有明顯的季節(jié)性變化。

圖5 南海多年季平均SLA變化率的空間分布（單位：mm/a）

2.2 海平面的時(shí)間變化

2.2.1 海平面線(xiàn)性變化趨勢(shì) 對(duì)南海1993—2017年SLA數(shù)據(jù)網(wǎng)格求取區(qū)域平均，得到南海25 a的年、季節(jié)和月平均SLA時(shí)間序列，對(duì)該序列進(jìn)行線(xiàn)性擬合，得到了南海25 a的年、季節(jié)和月SLA平均變化速率。

如圖6所示，1993—2017年南海海平面的平均上升速率為4.00 mm/a，年平均SLA呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，從1998年起，年平均SLA全部為正值，南海海平面高度整體上升，并且得到從1993—2002年南海海平面的平均上升速率為7.60 mm/a，而從2003—2017年南海海平面的平均上升速率為4.26 mm/a，即1993—2002年南海海平面平均上升速率高于2003—2017年南海海平面平均上升速率。

圖6 南海年平均SLA的時(shí)間變化及其線(xiàn)性趨勢(shì)

季平均SLA最大的是秋季，為7.76 cm，最小的是春季，為0.09 cm。冬季為5.45 cm，夏季為0.31 cm。如圖7所示，季平均SLA上升速率最大的是冬季，為4.53 mm/a，最小的是夏季，為3.77 mm/a。

圖7 南海季平均SLA的時(shí)間變化及其線(xiàn)性趨勢(shì)

在1993—2017年的SLA時(shí)間序列基礎(chǔ)上，預(yù)測(cè)接下來(lái)6年的SLA變化。如圖8所示，南海平均SLA不斷升高，接下來(lái)6年最高可達(dá)到將近20 cm。

圖8 用Winters指數(shù)平滑法對(duì)南海平均SLA進(jìn)行預(yù)測(cè)

2.2.2 海平面周期變化 EMD分解得到的時(shí)間序列的第一個(gè)分量IMF1是高頻信號(hào)，主要是信號(hào)的高頻變化，時(shí)間序列的第二個(gè)分量 IMF2、第三個(gè)分量 IMF3和第四個(gè)分量 IMF4都為年際震蕩，第五個(gè)分量 IMF5為年代際震蕩，隨著分量增加，頻率逐漸變低（圖9）。IMF2主要變化周期是1 a；IMF3主要變化周期是2 a；IMF4主要變化周期是5 a；IMF5主要變化周期是10 a。最后一個(gè)分量是1993—2017 年南海海平面單調(diào)遞增的趨勢(shì)項(xiàng)。

圖9 南海平均SLA的EMD分析

2.3 海平面變化的EOF分析

如圖10所示，當(dāng)時(shí)間系數(shù)為正時(shí)，空間分布為正值的南海海平面上升，空間分布為負(fù)值的南海海平面下降，如果時(shí)間系數(shù)為負(fù)，則空間分布狀況相反。本文主要對(duì)包含了59.8%信息量的前三個(gè)模態(tài)進(jìn)行分析，第一模態(tài)占總方差的46.24%，第一模態(tài)的時(shí)間系數(shù)呈現(xiàn)上升的趨勢(shì)，這表明南海海平面在該區(qū)間內(nèi)呈現(xiàn)上升的趨勢(shì)，見(jiàn)表2。而且該模態(tài)的水平梯度是從東南部到西部的。第三模態(tài)主要是以越南東部海域?yàn)橹行牡恼鹗帲@顯示了對(duì)該海域的上升流的響應(yīng)（圖11）。

表2 南海海平面EOF分解的模態(tài)信息

圖10 南海海平面的EOF分解的時(shí)間系數(shù)

圖11 南海海平面EOF分解的空間分布（單位：cm）

3 討 論

3.1 南海多年平均SLA變化率

本文得到1993—2017年南海全部海域的SLA平均變化率為4.05 mm/a，最小為1.99 mm/a，表明南海海域的海平面都呈現(xiàn)上升趨勢(shì)。經(jīng)分析可知南海中部和東部海域的上升速率比西南部的上升速率要快，這與丁榮榮等[8]發(fā)現(xiàn)南海東北部海域海平面高度上升較快，西南部海域海平面上升較慢相吻合。

3.2 南海多年月、季平均SLA

本文發(fā)現(xiàn)南海SLA變化具有非常明顯的季節(jié)性。呂宋海峽西部海域，冬季時(shí)海平面高度呈現(xiàn)為負(fù)異常，夏季時(shí)呈現(xiàn)為正異常；泰國(guó)灣海域，冬季時(shí)海平面高度呈現(xiàn)為正異常，夏季時(shí)呈現(xiàn)為負(fù)異常；越南東部海域，春季時(shí)海平面高度呈現(xiàn)為正異常，秋季時(shí)呈現(xiàn)為負(fù)異常。這與劉秦玉等[9]利用POM模式，得出南海海平面高度的季節(jié)變化明顯，冬季與夏季，春季與秋季，海平面高度的異常場(chǎng)型式完全相反的研究成果相似。

冬季的負(fù)異常中心在呂宋海峽西部和菲律賓群島海域，春季的正異常中心在越南東部，夏季的正異常中心在呂宋海峽西南部和越南東部，秋季的負(fù)異常中心在越南東部。這與劉克修等[10]分析得到南海夏季有2個(gè)正距平中心，冬季有2個(gè)負(fù)距平中心，春季有1個(gè)正距平中心，秋季有1個(gè)負(fù)距平中心的結(jié)果相同。

3.3 利用最小二乘擬合方法分析海平面線(xiàn)性變化趨勢(shì)

本文得到1993—2017年南海海平面的平均上升速率為4.00 mm/a，這與郭金運(yùn)等[2]分析得到南海海平面在1993—2012年的平均上升速率為4.25 mm/a相近。

1993—2002年南海海平面平均上升速率為7.60 mm/a高于2003—2017年南海海平面平均上升速率4.26 mm/a。這與丁榮榮[8]分析得到1993—2002年南海平均海平面上升速率為4.7 mm/a，高于謝友鴿[11]分析得到2004—2015年南海平均海平面上升速率為1.61 mm/a的結(jié)果相類(lèi)似。

3.4 EMD的海平面周期分析

本文利用EMD分解得到主要周期變化1 a、2 a、5 a、10 a，證明了南海有明顯的年際和年代際變化，這與潘秩等[6]利用EMD等算法，對(duì)1993—2015年南海海平面變化的規(guī)律進(jìn)行總結(jié)，得到南海海平面的主要變化周期0.5 a、1 a、1.5 a、2至3 a、4至7 a的研究成果相似。

3.5 海平面變化的EOF分析

SLA第一模態(tài)空間分布主要呈現(xiàn)ENSO模態(tài)，正值主要出現(xiàn)在南海東南部海域，負(fù)值主要出現(xiàn)在南海西部海域。1993—1999年、2002—2006年第一模態(tài)的時(shí)間系數(shù)為負(fù)值，在1998年附近出現(xiàn)了極小值，南海東部海域海平面高度下降，南海西部海域海平面高度上升，與1994—1995年、1997—1998年和2002—2003年出現(xiàn)了厄爾尼諾現(xiàn)象吻合。與沈春等[12]分析的南海SLA的EOF第一模態(tài)是ENSO模態(tài)的特征是SLA由西南部向東部?jī)A斜的結(jié)果相同。Ho C R等[13]進(jìn)一步揭示了南海海面高度對(duì)ENSO事件的響應(yīng)。

3.6 南海海平面上升的機(jī)理

影響南海海平面上升的機(jī)理主要包括海水的熱膨脹和冰川融化。全球變暖引起的熱膨脹有一個(gè)滯后過(guò)程，這表明20世紀(jì)溫室效應(yīng)對(duì)海平面的影響將在下一世紀(jì)表現(xiàn)出來(lái)，世界海平面受熱膨脹的影響還會(huì)以一定的速率持續(xù)上升。南極西部冰蓋的穩(wěn)定性決定了未來(lái)海平面是否在短時(shí)間內(nèi)上升，下一世紀(jì)海平面的上升幅度在30～60 cm之間[14]。

4 結(jié) 論

本文針對(duì)中國(guó)南海1993—2017年的SLA數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。利用線(xiàn)性擬合分析，得到1993—2017年中國(guó)南海海平面的平均上升速率為4.00 mm/a，說(shuō)明近25 a中國(guó)南海的海平面高度上升。對(duì)南海多年平均SLA空間分布進(jìn)行分析，得到南海大部分海域的多年平均SLA為正，只有很少一部分海域出現(xiàn)負(fù)值（菲律賓群島中部海域）。對(duì)南海的四季進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)SLA平均上升速率最大的是冬季，最小的是夏季，且南海海平面高度變化具有明顯的季節(jié)性變化規(guī)律。利用Winters指數(shù)平滑法分析，預(yù)測(cè)到相比1993年，2023年南海平均海平面高度可達(dá)到將近20 cm。利用EMD方法分析，得到南海有明顯的年際和年代際變化。利用EOF對(duì)前三個(gè)主成分分析，發(fā)現(xiàn)第一模態(tài)是ENSO模態(tài)，說(shuō)明ENSO對(duì)中國(guó)南海海平面的作用不可忽視。