渤黃海沿海季節(jié)性海平面異常偏高成因分析

王慧，范文靜，高志剛

（國家海洋信息中心，天津 300171）

全球氣候變暖導(dǎo)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。區(qū)域海平面變化還受局地海溫、海流、風(fēng)、氣溫、氣壓和降水等水文氣象要素的影響。近年來，隨著極端天氣、氣候事件的頻發(fā)，導(dǎo)致季節(jié)性海平面異常的次數(shù)偏多，程度加大。根據(jù)《2009年中國海平面公報》至《2011年中國海平面公報》發(fā)布的結(jié)果，中國渤黃海沿海2月份海平面近3年連續(xù)偏高，渤黃海沿海11月份海平面近兩年持續(xù)偏高。

受地球公轉(zhuǎn)年周期的影響，季節(jié)海平面是氣壓、風(fēng)、水溫、鹽度、河口徑流等季節(jié)性周期共同作用的結(jié)果。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。海平面的異常偏高或者偏低是由非天文因素（包括氣壓、風(fēng)、降水和徑流變化等）異常引起的海平面短期變化，又稱增減水，指的是低氣壓、強臺風(fēng)所引起的增水或風(fēng)暴潮現(xiàn)象（鄭文振，1986）。

中國近海南北狹長，海岸線漫長曲折，太陽輻射的不均勻分布及季節(jié)變化使得近海區(qū)域南北方向上的氣候存在較大差異。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，增加了氣候的多樣性。東亞季風(fēng)的變化是影響中國近海和鄰近海域海平面變化的重要原因。受東亞強季風(fēng)控制，使得中國近海風(fēng)力較同緯度洋面偏大，而且冬季風(fēng)強于夏季風(fēng)。在我國渤海和黃海，冬季盛行西北偏北季風(fēng)，氣壓較高，水位降低；夏季盛行西南偏南季風(fēng)，氣壓較低，水位升高（蔡榕碩 等，2010）。

本文使用中國沿海及西北太平洋近30年的水位、氣溫、海溫、氣壓、風(fēng)及降水等水文氣象資料，初步探討了渤黃海沿海季節(jié)性海平面異常的成因及由此帶來的影響。

1 資料

本文從渤黃海沿海驗潮站中篩選了資料長度超過30年的11個測站，這些站分布均勻，資料均經(jīng)過了補充訂正及零點統(tǒng)一。本文用于計算的均是月均海平面距平（MSLA）數(shù)據(jù)，月平均海平面距平是從月平均海平面中消去同月多年平均海平面后得到的。為了能夠相互比較，對所有測站的多年月平均海平面都采用1975-1993年的同期海平面平均值。同時也選取了該區(qū)域同一時段相應(yīng)站點的氣溫、海溫和氣壓資料，并對資料進(jìn)行了訂正、質(zhì)量控制。風(fēng)場資料使用的是美國NCEP/NCAR再分析資料中的1 000 hPa的月平均資料（注：本文中各要素的常年全部使用1975-1993年的同期平均值）。

2 渤黃海沿海季節(jié)性海平面變化特征

2.1 渤黃海沿海季節(jié)海平面變化

中國沿海海平面具有顯著的季節(jié)變化，且其區(qū)域特征明顯。年變化幅度自北向南逐漸減小，渤黃海變化幅度最大。季節(jié)性高、低海平面出現(xiàn)的日期自北向南逐漸推遲（方國洪 等，1986）。

渤海與黃海沿海各站海平面季節(jié)變化趨勢基本一致，近似于余弦曲線（圖1）。渤海的海平面一般在7-8月最高，1月最低，兩者的月平均海平面相差約60 cm；黃海沿海以1-2月份最低，8月最高，月平均海平面相差約45 cm。渤海、黃海的海溫在月海平面最高期間也處于季節(jié)性最高。從渤海的葫蘆島到黃海的呂四，位相變化從120°到150°，相差近1個月（表1）。

2.2 渤黃海沿海季節(jié)海平面異常變化特征

本節(jié)對區(qū)域特征基本一致的渤黃海沿海主要長期驗潮站資料進(jìn)行了統(tǒng)計分析，對于月均距平值大于10 cm或者小于-10 cm的情況，視為異常，統(tǒng)計結(jié)果見表2。

圖1 渤、黃海沿岸部分臺站海平面季節(jié)變

表1 中國渤黃海沿海海平面季節(jié)（年與半年）變化

表2 渤黃海沿海近30年月均海平面異常變化統(tǒng)計表

表2為渤黃海區(qū)1980-2011年的月均海平面異常統(tǒng)計表，海平面異常月份基本在10月至翌年的3月，該時段正是冬季風(fēng)盛行期。渤黃海沿海月均海平面的異常與冬季風(fēng)異常的相關(guān)關(guān)系將在后面章節(jié)論述。

季節(jié)性高海平面期間發(fā)生的異常氣候事件極易加重海洋災(zāi)害。從表2中看出，1985年的8月、1992年的9月和1997年的8月月均海平面較常年同期距平不大，但此期間在渤黃海沿海發(fā)生了較嚴(yán)重的風(fēng)暴潮，由于正值季節(jié)性高海平面期，又恰逢天文大潮，二者疊加仍對沿岸造成很大的影響。2011年的8月，臺風(fēng)“梅花”影響期間，正值季節(jié)性高海平面期，影響期間的海平面較常年同期偏高約60 cm，月均海平面距平較常年同期偏高超過10 cm，幾種因素的共同作用加重了山東、遼寧、江蘇和浙江沿海的經(jīng)濟損失。

2007年3月，中國渤黃海沿海遭遇了1969年以來最大的一次溫帶風(fēng)暴潮過程，恰逢天文大潮和暖冬之后的異常高海平面期，渤海沿海的月均海平面較常年同期偏高近10 cm，使風(fēng)暴潮的破壞力異常加大，給這些地區(qū)的供電、供氣系統(tǒng)、海上作業(yè)和海水養(yǎng)殖等造成了很大損失（中國海平面公報，2007）。

2001年的1月、2006年的1月和2009-2011年的2月海平面偏高明顯，月均海平面較常年同期距平高達(dá)15～20 cm；2010至2011年的11月，月均海平面較常年同期距平高達(dá)15～20 cm。

2.3 渤黃海沿海季節(jié)海平面的歷史變化

從表2中可以看出，近年來，渤黃海沿海月均海平面距平異常偏高次數(shù)增多，程度加大。本節(jié)使用渤黃海海沿海11個代表站的實測資料，分析了1980至2011年2月和11月海平面的變化。

圖2為渤黃海沿海近30年2月海平面變化，年變化速率為4.5mm/a。從圖中可以看出，1995年、1998年以及2009至2011年2月的海平面明顯偏高，月均海平面較常年同期偏高約15 cm，此結(jié)果在表2同樣體現(xiàn)。根據(jù)2009年和2010年的中國海平面公報公布的結(jié)果，中國北部沿海2009年和2010年2月海平面比常年同期分別高約15 cm和16 cm，連續(xù)兩年達(dá)到30年來最高值。

圖3為渤黃海沿海近30年11月份海平面變化，年變化速率為3.7 mm/a。從圖中可以看出，2010年和2011年渤黃海11月份的海平面明顯偏高，月平均海平面距平較常年同期偏高近18 cm，此結(jié)果在表2中同樣體現(xiàn)。根據(jù)2011年的中國海平面公報公布的結(jié)果，2010年和2011年的11月份，黃海沿海平均海平面較常年同期偏高近18 cm，達(dá)近30年高位。

圖2 渤黃海沿海近30年2月份海平面變化

圖3 渤黃海沿海近30年11月份海平面變化

3 渤黃海沿海季節(jié)海平面異常成因

局地氣候的異常變化是區(qū)域海平面異常變化的主要成因。氣象條件（氣壓、風(fēng)、降水和徑流變化等）的異常變化引起沿海出現(xiàn)大的增水或者減水。持續(xù)時間長、強度大的增減水過程將導(dǎo)致月均海平面的異常升高或者降低。本部分通過氣溫、海溫、氣壓和風(fēng)等水文氣象因子來探討海平面異常變化的成因。

3.1 海平面與海溫、氣溫和氣壓的關(guān)系

中國沿岸海平面的季節(jié)變化以年周期為主，在渤黃海沿海海平面、海溫、氣溫和氣壓等水文氣象要素的季節(jié)性變化基本一致。圖4為煙臺海平面、海溫、氣溫和氣壓的季節(jié)變化，海平面、海溫和氣溫均在7、8月份達(dá)到最高，1月份最低，氣壓則相反，其絕對相關(guān)系數(shù)均在0.9以上；

但是，季節(jié)海平面的異常偏高或者偏低與海溫、氣溫和氣壓的相關(guān)關(guān)系則不是很大。本節(jié)使用月均距平值分析了渤黃海沿海近30年2月和11月海溫、氣溫和氣壓的變化及其與海平面的對應(yīng)關(guān)系（圖 5、圖 6）。

圖4 煙臺海平面、海溫、氣溫和氣壓季節(jié)變化

由圖2和圖5可知，2月的海平面、海溫和氣溫在近30年均呈上升趨勢，氣壓呈下降趨勢。但是海平面與海溫和氣溫的年相關(guān)性較差，相關(guān)系數(shù)分別為0.2和0.4；與氣壓的相關(guān)性較好，相關(guān)系數(shù)為-0.5。2009-2011年渤黃海沿海2月份持續(xù)3年海平面異常偏高，較常年同期偏高約15 cm，達(dá)歷史最高值，同期海溫在2009年接近常年同期，2010-2011年均低于常年同期，氣溫沒有明顯偏高，氣壓則均偏低。這說明，海溫和氣溫對2月份海平面的異常偏高影響不大，氣壓與海平面有一定的反相關(guān)關(guān)系（圖5）。

圖5 渤黃海沿海近30年2月海平面、海溫、氣溫和氣壓的變化

圖6 渤黃海沿海近30年11月份海平面、海溫、氣溫和氣壓變化

圖3和圖6為渤黃海沿海近30年11月海平面、氣溫、海溫和氣壓的變化。從長期變化看，11月的海平面、海溫和氣溫在近30年均呈上升趨勢，氣壓呈下降趨勢。海平面與海溫的相關(guān)性較好，相關(guān)系數(shù)為0.6，與氣溫和氣壓的年相關(guān)系數(shù)較差，分別為0.3和-0.3。2010的11月和2011年11月，渤黃海沿海海平面較常年同期均偏高近18 cm，達(dá)歷史最高，同期海溫較常年同期明顯偏高，氣溫略有偏高，氣壓在2010年低于常年同期，2011年接近常年同期。這說明，海溫對11月海平面的異常偏高有影響，氣溫和氣壓影響不大（圖6）。

3.2 風(fēng)和風(fēng)生流的變化

對近年的月均海平面異常與月均風(fēng)距平和風(fēng)生流進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，月均海平面的異常變化與風(fēng)場有密切的關(guān)系，由風(fēng)引起的風(fēng)生流與海平面的高度場變化基本一致。

采用ECOM（Esturine Coastal Ocean Model）模型，建立了西北太平洋-中國近海海洋數(shù)值模式。模式計算的水平分辨率為5′×5′，垂向分為10個Sigma層。上邊界氣象強迫采用NCEP/QuickScat混合風(fēng)場。分別計算當(dāng)年月平均風(fēng)場和累年月平均風(fēng)場兩種條件驅(qū)動下的水位和流場，二者結(jié)果之差反映風(fēng)生流的變化狀況。

對2010年2月份中國近海及鄰近海域的風(fēng)及風(fēng)生流分析結(jié)果見圖7。圖7a為2010年2月中國近海及鄰近海域的平均風(fēng)與常年2月平均風(fēng)的距平，可以看出2月份為東南風(fēng)的距平風(fēng)場，總體有利于沿岸海水向近岸堆積，特別是在長江口以北區(qū)域，風(fēng)場距平明顯為向岸方向。圖7b為2月份數(shù)值計算的風(fēng)生流，可以看出，自長江以北沿海，由于風(fēng)引起的沿岸海面抬升由南到北逐漸增大，海平面上升明顯。同期，沿海驗潮站資料表明平均海平面比常年同期偏高16 cm，達(dá)30年以來最高位（圖 2）。

通常情況下，冬季（12月至翌年2月），在我國渤海、黃海和東海盛行西北偏北季風(fēng)，氣壓較高，水位降低。對2010年2月日平均距平風(fēng)場分析發(fā)現(xiàn)，該月超過20天為東南風(fēng)的日平均距平風(fēng)場；其中7-9日以及20-24日東南風(fēng)的日平均風(fēng)場距平非常顯著，同時段增水較大，海面明顯偏高。

圖7 年2月中國近海及鄰近海域月平均距平風(fēng)場和風(fēng)生流場（m/s）

對2011年11月份中國近海及鄰近海域的風(fēng)及風(fēng)生流分析結(jié)果見圖8。圖8 a為2011年11月中國渤黃海近海及鄰近海域的平均風(fēng)與常年11月平均風(fēng)的距平，可以看出11月份渤黃海為偏東風(fēng)距平區(qū)，有利于海水向岸堆積。圖8b為11月份數(shù)值計算的風(fēng)生流，可以看出，自長江以北沿海，由于風(fēng)引起的沿岸海面抬升由南到北逐漸增大，海平面上升明顯。同期，沿海驗潮站資料分析表明，渤黃海沿海平均海平面較常年同期偏高近18 cm，達(dá)近30年最高。

圖8 2011年11月中國近海及鄰近海域月平均距平風(fēng)場和風(fēng)生流場（m/s）

4 渤黃海沿海季節(jié)海平面的低頻變化

海平面的變化包含了長期趨勢變化和各種周期性低頻變化，存在著明顯的年代變化特征。對渤黃海沿海近30年每10年的2月份海平面變化進(jìn)行了統(tǒng)計分析，結(jié)果表明，2月份海平面呈明顯的上升趨勢，且年代變化特征明顯。2001-2010年的2月份平均海平面比1981-1990年的2月份平均海平面高近9 cm，比1991-2000年的2月份平均海平面高近4 cm。20世紀(jì)80年代2月份的平均海平面總體處于近30年的低位，經(jīng)歷了90年代的上升期，近十年2月份的平均海平面總體處于近30年的高位（圖9）。

圖9 中國渤黃海沿海2月份海平面年代變化

本文討論的重點是近30年多年累月的海平面變化異常成因分析，主要針對1年以上周期的變化進(jìn)行分析。使用Wavelet小波變化分析方法（Weng，1998）對近30年2月份海平面的年際和年代際變化進(jìn)行了分析，結(jié)果如圖10。從圖中可以看出，渤黃海沿海2月份海平面的年際變化的顯著周期有2～3 a、4～7 a；年代際變化顯著周期有準(zhǔn)11 a和19 a。其中，2～3 a的振蕩周期在中國近岸水文、氣象要素較為常見；4～7 a的周期通常被認(rèn)為與ENSO現(xiàn)象有關(guān)（于非 等，2003），而11a的周期振蕩可能與太陽黑子活動有關(guān)（杜碧蘭，1984）；19 a的周期是由于天體引潮力的作用引起的（鄭文振，1986）。不同的振動周期，震蕩幅度不同。2～3 a和19 a的周期震蕩，振幅均超過3 cm；4～7 a的周期震蕩也比較明顯，其振幅為2～3 cm。不同周期的振動在不同的時間段里交叉或者疊加，對海平面產(chǎn)生抬升或者降低的作用，如1990年前后，海平面的振動處于2～3 a、4～7 a以及11 a周期的重合期，海平面明顯偏高；2009-2010年，海平面的振動處于2～3 a、4～7 a、11 a以及19 a周期的高位重合期，其振幅疊加近8 cm，海平面抬升顯著。1983年、1993年和1999年，海平面的振動處于這幾個顯著性周期的交叉期，其產(chǎn)生的作用相互消減，海平面總體偏低。

圖10 渤黃海沿海2月份海平面小波變化 （cm）（左部為小波譜的實部；右部為小波譜的振幅）

5 結(jié)論

本文通過對中國沿海及西北太平洋近30年的水位、氣溫、海溫、氣壓和風(fēng)等水文氣象資料的分析，初步探討了渤黃海沿海季節(jié)性海平面異常的變化規(guī)律和成因。

（1）中國渤海、黃海沿海季節(jié)海平面變化異常月份基本在10月至翌年的3月，該時段也是冬季風(fēng)盛行期；

（2）中國沿岸海平面的季節(jié)變化以年周期為主，在渤黃海沿海海平面、海溫、氣溫和氣壓等水文氣象要素的季節(jié)性變化基本一致，但季節(jié)海平面的異常偏高或者偏低與海溫、氣溫和氣壓的相關(guān)性不是很高；

（3）東亞季風(fēng)的變化是影響中國近海海域海平面變化的重要原因，月均海平面的異常變化與風(fēng)場有密切的關(guān)系，由風(fēng)引起的風(fēng)生流場與海平面的高度場變化基本一致；

（4）近30年，中國渤海和黃海沿海季節(jié)海平面變化呈明顯上升趨勢，2001年至2010年的2月份平均海平面比1981年至1990年的2月份平均海平面高近9 cm，比1991年至2000年的2月份平均海平面高近4 cm；

（5）在中國渤海、黃海沿海，多個長周期振動振幅的疊加，可引起月均海平面大約8 cm的抬升。

致謝：國家海洋信息中心張錦文研究員、儲英杰研究員為文章修改提出寶貴意見，在此一并致謝。

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