2012年中国沿海海平面上升显著成因分析

王慧，刘克修，范文静，高志刚，张建立，李琰，张增建

（1.国家海洋信息中心，天津 300171）

1 引言

全球气候变暖导致的海水膨胀、极地冰盖和陆源冰川融化是引起全球海平面上升的主要原因［1］。从全球海平面上升趋势分布可知，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［2］。其中，菲律宾周边海域的海平面上升又最为显著，我国沿海海域正位于海平面上升速率相对较高区域，海平面上升速率较大［3］。

区域海平面变化除了受全球海平面变化的影响，还受局地海温、海流、风、气温、气压和降水等水文气象要素的影响［4］，气温和海温升高、气压降低，海平面升高［5—6］。短期海平面的异常偏高或者偏低是由非天文因素（气压、风、降水和径流变化等）引起的海平面短期变化或突然变化。海平面的突然变化，指的是低气压、强台风所引起的增水或风暴潮现象，动力作用在于由压力梯度引起的风和流［7—8］。

自1990年以来，随着极端天气、气候事件的频发，导致季节性海平面异常出现的次数明显增多，异常值明显增大［9］。异常海平面发生期间的气压较常年（本文中常年指1975－1993年平均值）同期偏低，风多为离岸或者向岸风，风生流引起水位的变化；而同时段的气温、海温与异常海平面的相关系数较低，影响不大［10］。对近年的月均海平面异常与月均风距平和风生流进行分析发现，月均海平面的异常变化与风场有密切的关系，由风引起的风生流与海平面的高度场变化基本一致［11］。东亚季风的变化是影响中国近海和邻近海域海洋环境要素（如海流、海水温盐、海平面高度等）变化的重要原因。冬季在渤海、黄海和东海盛行西北偏北季风，气压较高，水位降低；夏季盛行西南偏南季风，气压较低，水位升高［12—13］。

自1980年以来，全球海平面上升速率有加大的趋势，而同期中国沿海海平面的上升速率高于全球［14—15］。自2000年以来，中国沿海海平面除了2005年略有下降外，持续位于高位，2012年达到了1980年以来最高位［5］。在全球变暖的大背景下，海平面上升已经成为全球性的重大环境问题，海平面上升对沿海地区的经济发展、海洋生态环境和人民生产生活的影响日益显著。

本文使用中国沿海及西北太平洋区域近30a的水位、海温、气温、气压和风等水文气象资料，详细分析了2012年中国沿海海平面异常偏高的成因。

2 资料

本文使用了中国沿海近30个海洋监测站1980－2012年的水位、海温、气温和气压资料；美国国家环境预报中心（NCEP）/美国大气研究中心（NCAR）提供的再分析10m高风场资料；以及卫星高度计资料等。其中，卫星高度计资料是法国空间研究中心（AVISO）制作的多卫星（Jason－1/2、T/P、Envisat、GFO、ERS－1/2、GEOSAT）融合数据，该数据为月均海平面异常（MSLA）数据，其空间分辨率为（1/3）°×（1/3）°的墨卡托网格。本文所用数据的时间范围为1980年1月－2012年12月和1993年1月－2012年12月，研究区域为0°～50°N，100°～150°E，涵盖了中国沿海渤海、黄海、东海和南海以及中国近海日本周边、中国台湾及菲律宾以东区域，资料均经过了质量控制以及核定处理。

3 2012年中国沿海海平面变化特征

使用中国沿海近30个海洋站长期潮位观测资料分析结果表明，2012年中国沿海海平面变化最突出的特点是海平面升高显著，达1980年以来最高位。1980－2012年，中国沿海海平面上升速率为2.9mm/a，高于全球平均水平（图1）。

图1 1980－2012年中国沿海海平面变化

与常年相比，2012年中国沿海海平面总体偏高122mm，除河北沿海，其他地区沿海海平面较常年上升幅度均超过90mm；其中，渤海西南部、长江口、广东西部和海南东部沿海海平面上升幅度超过150 mm。与2011年相比，2012年中国沿海海平面总体偏高53mm，上升幅度为近30年来最大；其中，东海沿海海平面上升最为明显，比2011年偏高为66mm（见图2）。

从时间特征上，2012年，除4月外，中国沿海其他各月海平面均较常年同期高100mm以上，其中5月、6月、8月和10月中国沿海海平面分别较常年同期偏高136mm、154mm、159mm和131mm，均达1980年以来同期最高值，多个月份的高海平面造成了2012年平均海平面的显著升高（见图3）。

图2 1980－2012年中国沿海主要监测站海平面变化示意图

4 中国沿海海平面的时空变化分析

对中国沿海近30个长期验潮站1980－2012年年平均海平面距平序列进行经验正交函数分解［16］，得出的前5项特征值共解释总方差的93%，其中前两个特征向量方差贡献率分别为75%和6.4%，基本反映了中国沿海海平面近30a的时空变化典型特征。由第一模态的空间分布和时间系数可见，中国沿海海平面整体均呈现明显的上升趋势，强信号主要分布在中国渤海西南部、长江口和北部湾，辽东湾西部海平面上升较弱。并且从时间系数可以看出，中国沿海海平面在20世纪80年代总体处于低位，2000年之前海平面上升明显，之后海平面一直处于高位（除了在2005年中国沿海海平面总体下降外），2012年中国沿海海平面上升显著，达1980年以来最高位（见图4）。

第二模态解释总方差的6.4%，该模态主要反映出中国沿海海平面南北反位相变化的特征，以中国福建的平潭为分界点，南北反向。从时间系数可知，中国沿海年平均海平面在2000年以前南北变化较大，特别是在1982－1993年，中国沿海海平面距平基本表现为北部高于南部，1995－1997年、2001年，中国沿海海平面距平表现为明显的北低南高的变化特征（见图5）。

使用Morlet小波变换分析方法对图4和图5中两个特征向量的时间权系数进行分析［17—18］，结果见图6。可以看出中国沿海海平面具有2～3a、4～7a、8～9a和准19a的显著变化周期，即中国沿海海平面在上升的同时，伴随着这几个主要周期的震荡。并且从模态一时间系数小波分析结果看，2011－2012年中国沿海海平面处于2～3a、8～9a和准19a周期震荡的高位，几个周期震荡高位叠加，对海平面上升起了明显的作用。

图3 中国沿海5月、6月、8月和10月海平面变化

5 中国近海海平面变化

IPCC第四次评估报告指出，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。从1993－2012年全球卫星高度计海平面上升趋势空间分布可以看出，西太平洋属于海平面上升速率相对较大的区域，我国沿海位于海平面上升明显的区域中（见图7）。

对西北太平洋年平均海平面变化趋势分析可知，1993－2012年该区域海平面年平均上升速率约为4.5mm/a。中国近海海平面在2008年明显偏高之后，2012年又明显上升，达到近20a最高值（见图8），该结果与中国沿海2012年海平面显著升高相一致。

图4 中国沿海年平均海平面EOF分解第一特征向量场及其时间系数

图5 中国沿海年平均海平面EOF分解第二特征向量场及其时间系数

6 中国沿海海平面与海温、气温和气压变化

使用中国沿海近30个海洋站1980－2012年海平面、海温、气温和气压资料分析结果表明，中国沿海海平面、海温和气温呈上升趋势，气压呈下降趋势。海温 和 气 温 上 升 速 率 分 别 为 0.38℃/（10a）与0.20℃/（10a）；气压变化速率为－0.29hPa/（10a），而海平面上升速率为2.9mm/a（见图9）。

2012年统计结果表明，中国沿海气温和海温分别较常年高0.4℃和0.3℃，气压较常年低1.2hPa，气压达历史最低位。

图6 中国沿海海平面两个特征向量的时间系数小波变换分析

图7 1993－2012年全球（60°S～60°N）卫星高度计海平面上升趋势空间分布（单位：mm/a）

图8 1993－2012年中国近海海平面变化

7 中国近海风和风生流变化

由图3可知，2012年5月、6月、8月和10月中国沿海海平面均达到1980年以来同期最高值。2012年，中国南海夏季风于5月第4候爆发，较常年偏早1候；10月第2候结束，较常年偏晚2候［20］，季风持续时间较常年偏长。由中国近海月平均风场距平可以看出（见图10），2012年5－6月和8月，在黄海和东海海域，东北风持续偏强，南海海域南风偏强，风场的异常导致黄海、东海和南海沿海海水长时间堆积，是造成海平面升高的原因之一。

表1 2012年中国沿海海平面、海温、气温和气压变化（相对常年同期）

对近年的月均海平面异常与月均风距平和风生流进行分析发现，月均海平面的异常变化与风场有密切的关系［21］，由风引起的风生流与海平面的高度场变化基本一致。

本文采用ECOM（Esturine Coastal Ocean Model）模型，建立了西北太平洋－中国近海海洋数值模式。模式计算的水平分辨率为5＇×5＇，垂向分为10个Sigma层。上边界气象强迫采用NCEP/QuickScat混合风场。分别计算当年月平均风场和累年月平均风场两种条件驱动下的水位和流场，二者结果之差反映风生流的变化状况。

图9 1980－2012年中国沿海气温、海温、气压与海平面变化

对2012年5－6月、8月和10月中国近海及邻近海域的风及风生流进行数值分析，结果见图10。图10a～d为数值计算的各月风生流场，图10e～h为数值计算的各月风生水位。2012年5－6月，由于南海夏季风爆发时间偏早，且强度偏大，造成同期东海东北风持续偏强，风场的异常有利于东海沿海海水汇聚和向近岸堆积，海平面上升较明显的区域是长江口至广东沿海；8月夏季风持续偏强，在东海沿海形成较强的向岸风，有利于海水向岸堆积，自山东中部沿海至广东沿海，海平面升幅较大，由风催生的海平面上升高度达80～150mm；10月份，由于季风转向，沿海海平面仅渤海上升较为明显。该结果与沿海台站各月海平面升高幅度基本接近，说明月均海平面的异常变化与风场有密切的关系。

8 其他因素

2012年，热带气旋登陆我国沿海的时间集中，影响范围广，北上和影响东北地区的台风数量均为历史之最［20］。特别是2012年8月，台风频繁，中国沿海6个热带气旋相继影响我国沿海，对当月海平面升高有一定影响，从图11可以看出，2012年8月，热带气旋带来的长时间增减水对当月海平面上升的贡献率约为14%，其中受影响较严重的厦门沿海，月平均增减水超过100mm，对该区域平均海平面的贡献率达65%。

另外，2012年副热带高压偏北、偏东、偏弱［11］的特点对东海和南海的海平面也有一定影响。

9 结论

本文通过对中国沿海及西北太平洋区域近30a的水位、气温、海温、气压和风等水文气象资料的分析，解释了2012年中国沿海海平面显著升高的成因。

（1）2012年，除4月外，中国沿海其他各月海平面均较常年同期高100mm以上，其中5月、6月、8月和10月中国沿海海平面达1980年以来同期最高值，多个月份的高海平面造成了2012年海平面的显著升高。

（2）2010年至2012年中国沿海海平面处于2～3 a、8～9a和准19a周期震荡的高位，几个周期震荡高位叠加，对海平面上升影响明显。

（3）从长期变化趋势上，中国沿海海平面、海温和气温呈上升趋势，气压呈下降趋势。2012年中国沿海气温和海温分别较常年高0.4℃和0.3℃，气压较常年低1.2hPa，气压达历史最低位。

（4）2012年，南海夏季风较常年爆发时间早，结束时间较常年偏晚，季风持续时间较常年偏长。2012年5－6月和8月，在黄海和东海海域，东北风持续偏强，南海海域南风偏强，风场的异常导致黄海、东海和南海沿海海水长时间堆积，是造成海平面升高的原因之一。

图10 2012年5－6月、8月和10月中国近海及邻近海域风生流和水位距平场

图11 2012年8月中国沿海月平均海平面和平均增减水

（5）2012年，热带气旋登陆我国沿海时间集中，影响范围广，北上和影响东北地区的台风数量均为历史之最，特别是2012年8月，台风频繁，中国沿海6个热带气旋相继影响我国沿海，对当月海平面升高有一定影响。

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