中国沿海近31年冬季海平面变化特征

王慧，范文静，张建立，牟林

（国家海洋信息中心，天津 300171）

中国沿海近31年冬季海平面变化特征

王慧，范文静，张建立，牟林

（国家海洋信息中心，天津 300171）

利用29个海洋观测站的31年（1980－2010年）水文气象观测资料，分析了中国沿海近31年冬季海平面的时空分布特征与长期变化趋势。结果表明：①中国沿海冬季海平面近31年呈现明显的上升趋势，平均上升速率为3.1 mm/a，高于全年的上升速率，渤海、黄海、东海和南海沿海冬季海平面变化呈现明显的区域特征；②中国沿海冬季海平面存在显著的年际和年代际变化，其主要显著变化周期有准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与我国近海之间的水体交换影响，东中国海4～7 a的周期明显，其振幅最高，并且其周期性震荡的高位时期与赤道西太平洋暖池区的厄尔尼诺发生期间相吻合；③以浙江坎门（121°17′E , 28°05′N）为界，中国沿海冬季海平面还呈现出南北变化反相的跷跷板特征，该现象反映了中国沿海冬季海平面的气候性特征。受季风、海流、气压以及降水等因素的影响，冬季海平面的变化区域特征明显；④近31年, 中国沿海冬季气温、海温与海平面均呈显著上升趋势，上升幅度分别为1.8 ℃、1.4 ℃和135 mm，高于全年上升幅度。

冬季海平面；长期上升趋势；时空变化；年际和年代际变化

1 前 言

近百年来，全球气候正经历以变暖为主要特征的变化。全球变暖造成的海水膨胀、极地冰盖和陆源冰川融化引起海平面上升。第4次IPCC报告指出，验潮资料显示，20世纪，全球海平面上升速率为1.7±0.5 mm/a，中国沿海海平面上升速率为2.5 mm/a。1993－2003年的卫星观测结果表明：世界大洋的海平面变化具有明显的区域特征，太平洋西部、印度洋东部和大西洋的海平面上升，而太平洋东部和印度洋西部的海平面下降[1]。海平面上升是全球变暖在海洋中最显著的响应，对人类的影响巨大。

《2008年中国海平面公报》发布结果显示，近30年，中国沿海海平面呈明显上升趋势，全年上升幅度为92 mm，但上升趋势存在明显的季节性差异，冬季升幅最大，为135 mm。《2009年中国海平面公报》和《2010年中国海平面公报》发布结果显示，中国沿海近两年的海平面持续处于近30年的高位，同时，长江以北沿海2月份的海平面连续2年达30年来最高值。气温、气压和季风变动等是引起上述变化的重要原因[2]。由气候变化引起的海平面上升给全球和中国的自然生态系统和社会经济带来了重要影响，未来的影响将更加深远。

海平面变化是复杂的，其中既有长周期变化，又有趋势性变化和随机因素干扰。中国近海区域位于太平洋西岸，我国不少海洋专家对该区域海平面的变化趋势及变化周期进行了分析和讨论。根据文献分析，太平洋月均海平面中存在11组显著周期变化，这些显著周期并非统一不变，它们因站而异、因区域而异[3]。周天华等[4]提出中国沿岸海平面3～7年的周期变化，主要是本海区海面对厄尔尼诺现象、黑潮大弯曲和中国沿海气候变异等作出的响应。长江口以北有明显的18.6 a的交点潮，长江口以南则存在9 a左右的周期振动。郑文振等[5]对我国沿海海平面的长期趋势变化和周期性变化进行了较为详细的分析研究，发现我国沿海海平面变化较明显的周期有18.6 a、11 a左右、3.57 a和准2 a。

本文主要从海平面的时空变化特征、长期变化趋势以及周期性变化等方面分析了近31 年中国沿海冬季海平面的变化特征。

2 资料与分析方法

2.1 资 料

为全面反映中国沿海冬季海平面变化特征，本文由北向南选取了29个长期海洋观测站31年（1980－2010年）的月均水文气象资料作为研究对象。其中，取1月份海平面代表冬季海平面。对资料进行订正、质量控制，并做了距平处理。

2.2 分析方法

2.2.1 正交函数分解（EOF）分析方法 本文利用经验正交函数分解方法分析冬季海平面的空间变化特征和时间变化趋势。下面简单介绍经验正交函数分解（EOF）方法。

将变量场的冬季海平面观测资料经过距平值处理后，以矩阵的形式给出：

式中m是观测次数，n是观测站点（m＞n）。xij表示在第j个测站点上的第i次观测场的距平值。

把要素场序列(1)分解成正交的时间函数和正交的空间函数乘积之和，写成

式中lhj表示序号为h的典型场在第j个点的值，它只依赖于空间点而变化，不随时间变化，称为空间系数；thi表示序号为h典型场在第i个时刻的权重系数，它只随时间而变化，称为时间系数，(2)可写成

通常把空间函数lhj视为典型场，把时间函数thi视为典型场的权重系数。因此，(2)式表示不同时刻观测到的海平面资料场，各由一系列典型场按不同权重线性叠加而成，各个场之间的差别在于各典型场系数的不同。

2.2.2 小波分析方法 小波变换是在时间－频率域中分析信号的方法[6]。若f(t)为一时间函数，小波变换可被定义为：

这里τ为局部时间指数，s为小波尺度，ψ表示小波基函数，星号表示复数的共厄。本文选择墨西哥小帽（Maxican Hat）为小波变换的基函数。

这里，η为无量纲时间参数，ω0为无量纲频率。在方程(3)与(4)的实际计算中采用的是离散的傅立叶变换。由于基函数为由实部与虚部组成的复数，所以在时间－频率域上的分析结果有3种表示方法：的实部、模与位相。本文选择的实部在时间与频率域上表征变换结果。被定义为小波谱。对全局小波谱，我们令小波图上的垂直切片为局部谱的量度，所有特定频率小波谱或所有局地小波谱的时间平均为：

这里，T为时间序列的样本。小波谱的时间平均即为全局小波谱。

3 结果与讨论

3.1 中国沿海冬季海平面的时间和空间变化特征

对中国沿海29个验潮站近31年冬季海平面的距平值进行经验正交函数分解，得出了冬季月平均海平面的前5项特征值，其中前2个特征向量方差贡献率分别为67%和11.3%，共概括了冬季海平面78.3%的信息，相应表征了冬季海平面的时空典型特征。结合第一模态的特征向量场和时间权系数可以看出，中国沿海冬季海平面从北到南总体呈现明显的上升趋势，其中，黄海（从龙口到滩浒）上升趋势最为明显，辽东湾和北部湾上升平缓。1980－1989年，中国沿海冬季海平面处于低位，自1990年以来，海平面呈现明显的波动上升趋势，2000年至今海平面总体处于近31年高位（图1、图2）。

结合第二模态的特征向量场和时间权系数可以看出，中国沿海冬季海平面变化还呈现南北反相的跷跷板结构，以浙江坎门附近为分界点，南北变化反相（图1）。该现象反映了中国沿海冬季海平面的气候性特征。受季风、海流、气压以及降水等因素的影响，冬季海平面的变化区域特征明显，如1981年，2000年和2008年，第二特征向量的时间权系数为正值，结合第二模态的空间信号，反映了坎门以北沿海冬季海平面偏低，以南沿海冬季海平面偏高。1992年，时间权系数为负值，结合第二模态的空间信号，表征了北部沿海海平面偏高，南部沿海海平面偏低。从图2两个特征向量的时间权系数变化曲线可以看出，T1曲线反映了冬季海平面随着时间上升趋势很强，T2曲线反映了冬季海平面变化存在显著的周期性变化特征。

图 1 中国沿海冬季海平面经验正交前两项空间特征向量Fig.1 Distribution of the previous two EOF eigenvectors of sea level in winter along the coast of China

对图2中两个特征向量的时间权系数进行小波变换分析[7]，结果见图3。第一模态具有2～3 a、4～7 a和18.61 a的显著变化周期，即中国沿海冬季的海平面在上升的同时，伴随着这3个主要的周期性震荡；模态二具有2～3 a、8～9 a以及18.61 a的显著变化周期，表明中国沿海的冬季海平面南北变化反相，并且变化周期主要为2～3 a和8～9 a以及18.61 a；由于这两个模态方差的贡献率概括了原有海平面资料78.3%的信息，故可以反映出中国沿海海平面的主要周期性变化特征。中国沿海冬季海平面在1987－1992年、1996－2001年以及2005－2009年处于高海平面期，同时也是4～7 a、8～9 a及18.61 a周期震荡的高位，说明中国沿海冬季海平面受4～7 a和8～9 a及18.61 a周期震荡影响明显，其中4～7 a周期的周期通常被认为与ENSO现象有关[8]。

3.2 中国沿海各海区冬季海平面的变化特征

图 3 前两个特征向量的时间权系数的小波变换结果（a小波谱的实部（cm）；b全局小波谱（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 中国沿海各海区冬季海平面的上升速率本文使用中国沿海29个长期观测站的月均海平面资料，计算了近31年来中国沿海冬季海平面的上升速率，计算结果见表1。由表1可以看出，中国沿海冬季海平面上升速率存在明显的区域特征,平均上升速率约为3.1 mm/a。其中渤海北部的辽东湾沿海近31年冬季海平面上升速率较为平缓，平均上升速率约为2.0 mm/a，渤海西南部沿海近31年冬季海平面上升速率较快，平均上升速率近5.0 mm/a；黄海沿海自1980年至今冬季海平面上升速率较快，平均上升速率为3.9 mm/a；长江口近31年冬季海平面的上升速率与黄海接近，东海中南部沿海近31年冬季海平面上升趋势平缓，平均上升速率约2.3 mm/a；南海的广东、海南沿海近31年冬季海平面的上升速率较高，平均上升速率约4.0 mm/a，北部湾沿海近31年冬季海平面的上升速率平缓，平均上升速率约2.4 mm/a。总之，中国沿海近31冬季海平面的变化趋势所呈现出的明显区域特征，除了与区域性的年际和年代际变化有关外，还与各区域的地面沉降有着重要的关系。

表 1 中国沿海台站冬季海平面上升速率（单位：mm/a）Tab.1 Rising rate of sea level in winter along the coast of China (unit: mm/a)

3.2.2 中国沿海各海区冬季海平面的年际和年代际变化 把29个站区域划分成渤海、黄海、东海和南海四个海区后，对冬季月平均海平面资料的距平值进行小波变换分析[9]。发现较为显著的周期性震荡有准2 a，4～7 a，9 a左右以及18.6 a（图4）。准2 a的振荡周期在中国近岸水文、气象要素较常见，4～7 a的周期通常被认为与ENSO现象有关[9]，18.6a是潮汐天文潮周期，反映了月球赤纬的变化，又叫交点潮。四海区中，渤海和黄海18.6 a的周期震荡明显，振幅达3.5 cm；东海和南海4～7 a的周期震荡较为明显，振幅达3 cm左右，超过了2～3 a以及18.61 a周期震荡的振幅。由于西太平洋暖池区是我国边缘海的邻近大洋，是黑潮的源头区域，黑潮是联系副热带环流与我国近海的纽带，它与我国近海之间的水体交换影响到东中国海海平面变化，自80年代以来，对我国沿海影响较大的厄尓尼诺年份分别是1983－1983年、1997－1998年、2007年，从图4-c和4-d中可以看到4～7年周期的振幅最大，并且在这几个厄尓尼诺年期间，海平面也处于该周期震荡的高位。这充分说明了东中国海的海平面受厄尔尼诺的影响较大。

海平面的变化在不同的时间段和区域，具有不同的主要变化周期。如，1987年、1994年、2001年和2006年渤海和黄海海平面处于2～3 a，4～7 a以及18.61 a周期性震荡的高位，3个主要周期性震荡高位叠加，这几年的海平面也处于高位；与之相反，如1985年前后，东海海平面处于2～3 a，4～7 a以及18.61 a周期性震荡的低位，海平面也偏低；自80年代后期至2000年是18.6 a周期的震荡的高位，也是海平面上升明显的时期，这与3.1的结果相吻合。

3.3 中国沿海冬季水文气象的变化特征

海平面上升与气候变化密切相关。本文使用中国沿海29个长期海洋观测站31年的月均水文、气象资料，对中国沿海冬季海平面、海温和气温的变化特征进行了分析，发现冬季海平面长期变化特征与气候变化特征基本一致。

自20世纪80年代以来,中国沿海气温、海温与海平面均呈显著上升趋势，上升幅度分别为1.1℃、0.9℃和92 mm。其中，冬季升幅最大，分别为1.8℃、1.4℃和135 mm。春秋季次之，夏季最小（表2）。

图5列出了老虎滩、烟台、连云港、坎门、闸坡和东方冬季气温、海温和海平面的长期变化，可以看出，中国沿海海平面与气温和海温长期变化特征基本一致。

图4 冬季渤海、黄海、东海和南海海平面的小波变换分析结果（各图左边为小波谱的实部（cm））；右边为全局小波谱（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))

图5 冬季气温、海温和海平面长期变化Fig.5 Long trend of China’s coastal temperature, sea surface temperature and sea level in winter

表2 中国沿海31年气温、海温和海平面上升幅度Tab.2 China’s coastal temperature, sea surface temperature and sea level increasing ranges in the past 31 years

4 结 论

（1）近31年，中国沿海全海域冬季海平面总体呈现明显的上升趋势，且区域特征明显。其中，黄海自1980年至今上升速度加快，平均上升速率为3.9 mm/a；渤海北部的辽东湾沿海、东海的中南部沿海以及北部湾沿海上升趋势平缓，分别为2.0 mm/a、2.3 mm/a和2.4 mm/a；南海的广东和海南沿海上升速率与黄海接近，为4.0 mm/a。

（2）以浙江坎门为界，中国沿海冬季海平面变化还呈现出南北变化反相的跷跷板特征。该现象反映了中国沿海冬季海平面的气候性特征。受季风、海流、气压以及降水等因素的影响，冬季海平面的变化区域特征明显。

（3）小波分析结果表明，中国沿海冬季海平面变化的主要显著周期有准2 a，4～7 a，9 a左右以及18.6 a。其中，渤海和黄海18.6 a交点潮周期震荡最为明显；东海和南海与ENSO现象有关的4～7 a周期震荡明显。

（4）近31年，中国沿海冬季气温、海温与海平面均呈显著上升趋势，上升幅度分别为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]国家海洋局.2010年中国海平面公报 [Z].北京: 国家海洋局, 2010.

[3]于宜法.中国近海海平面变化研究进展 [J].中国海洋大学学报（自然科学版）, 2004, 34(5): 713-719.

[4]周天华, 陈宗镛, 田晖, 等.近几十年来中国沿海海面变化趋势的研究 [J].海洋学报, 1992, 14(2): 1-8.

[5]郑文振, 陈宗镛.我国海平面年速率的分布和长周期分潮的变化[J].海洋通报, 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, 许一.东海海表温度长期变化趋势研究 [J].海洋科学进展, 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 ).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 文献标示码：A

1001-6932(2011)06-0637-07

2011-04-07；

2011-05-19

国家自然科学基金（41006002）。

王慧（1972－），女，山东省临沂市人，高级工程师，主要从事潮汐与海平面变化研究。电子邮箱：wh_cherry@yahoo.com.cn。