福建沿海年平均海平面年際、年代際變化特征及預測

林選躍，張世民，陳德文，袁方超

（1.中國海洋大學海洋環(huán)境學院,山東青島266100;2.國家海洋局廈門海洋預報臺,福建廈門361008）

福建沿海年平均海平面年際、年代際變化特征及預測

林選躍1,2，張世民2，陳德文2，袁方超2

（1.中國海洋大學海洋環(huán)境學院,山東青島266100;2.國家海洋局廈門海洋預報臺,福建廈門361008）

利用福建沿海4個驗潮站實測潮位資料，在分析實測資料變化趨勢的基礎上，采用譜分析的方法分析年平均海平面的變化趨勢，得到了4個站年平均海平面變化模型，并對未來50年福建沿海的海平面上升趨勢進行預測。

海平面；上升趨勢；預測

1 引言

福建省地處中國東南沿海，東面瀕臨臺灣海峽，南面近臨南海，擁有200 m等深線內海域面積13.6×104km2，比全省陸地面積大12%左右。海岸線蜿蜒漫長，總長3324 km，居全國第二，沿海地區(qū)地勢低平，生產要素集中，經濟發(fā)達，受氣候變化和海平面上升累積效應等多種因素的影響，福建的部分沿海地區(qū)海岸侵蝕、海水入侵與土壤鹽漬化等災害影響越發(fā)明顯，較高的海平面加劇了沿海地區(qū)風暴潮的影響，給當?shù)厝嗣竦纳a生活和經濟社會發(fā)展造成了一定的危害，防洪（潮）、排澇、減災的任務十分艱巨，海平面的上升將進一步影響到這些地區(qū)的安全和經濟發(fā)展。雖然海平面上升是一個相對緩慢的過程，但長期積累的結果足以對沿海經濟發(fā)展、城市安危和人民生活環(huán)境帶來多方面的不利影響，這種影響比任何一種自然災害都要廣泛和深入。因此研究和預測福建沿海海平面變化趨勢，對在今后福建沿海地區(qū)經濟和社會的持續(xù)發(fā)展中采取有針對性的防御措施，具有十分重要的意義。

福建沿岸驗潮站測量到的平均海平面的升降除了受天文因素影響之外，還有氣象因素的影響，包括全球性的氣候、東亞的氣候的影響，還與太平洋的海面變化、氣象環(huán)流，沿岸垂向運動，太平洋東部El Nin?o現(xiàn)象息息相關。

海平面可分為相對海平面和絕對海平面。研究海平面變化規(guī)律使用的數(shù)據(jù)對應的分為兩種：驗潮站數(shù)據(jù)和衛(wèi)星高度計數(shù)據(jù)。近年來海平面的研究已經進入了絕對海平面的研究階段，但器測海洋研究的主要內容仍為驗潮站平均海平面相對于陸地水準的相對海平面變化，由于沒有同步的驗潮和大地測量資料，本文仍探討相對海平面變化。

海平面變化的方法和模型很多，如BARNETT方法、譜分析方法、隨機動態(tài)預測模型，經驗模態(tài)分析方法，由這些方法得到的中國海平面變化速率在總的趨勢方面是比較一致，但在量值上存在一定差異。獲取海平面資料的手段也從單一的驗潮資料計算，發(fā)展到現(xiàn)在用GPS觀測技術、衛(wèi)星測高技術以及數(shù)值模擬等高新技術要獲取海平面信息[1]。馬繼瑞等[2]對水位序列重復進行最大熵譜估計和顯著周期檢驗,并用最小二乘濾波法逐次濾掉最顯著的周期成分,依次識別檢驗信號的顯著周期，在此基礎上提出了改進的月平均水位周期信號的譜分析方法。對太平洋236個站月平均水位周期成分的分析結果，表明太平洋相對海平面平均上升率為1.16mm/a。左軍成等[3]把最大熵譜分析、非線性最小二乘法應用于動態(tài)預報，建立了一種海平面的本征分析和隨機動態(tài)分析預報的聯(lián)合模型，得出太平洋海域海平面的平均上升率為1.7 mm/a。左軍成等[4]應用灰色系統(tǒng)理論，對太平洋海域48個長期驗潮站的月均海平面分別建立了GM（1,1）模型。GM（1,1）模型能較好地反映太平洋海域的海平面變化的趨勢，它除了能給出連續(xù)的海平面變化速率外，同時能方便地給海平面變化的加速率。王衛(wèi)強等[5]采用經驗模態(tài)分解法研究了中國沿岸海平面變化,解決了資料序列的非平穩(wěn)非線性問題,分離出各種海平面變化周期,得到海平面的年變率。

目前為止，普遍認為海平面在過去幾十年里是上升趨勢，并在未來的幾十年里維持這樣的趨勢，但對海平面上升的具體原因和上升的速率有不同的看法。驗潮站海平面變化趨勢的空間分布極不平衡，對于一個地區(qū)來說，人們更關心的是在全球海平面上升的背景下局地的特點和應對措施，本文根據(jù)福建沿海的幾個驗潮站的長期驗潮數(shù)據(jù)來討論福建沿海海平面的年際、年代際變化特征及預測。

2 福建沿海潮位站和潮位資料情況

本文采用的年平均海平面是以驗潮站的水尺零點為基準，收集了國家海洋局在福建沿海的三沙、平潭、東山、廈門4個驗潮站截止到2005年底的年平均海平面的實測資料，其中三沙站資料2005年和1978年以前的資料由于水準點不確定，模型估計的時候沒有采用。除上述四站資料外的沿海驗潮資料都無法采用，其中崇武站資料年限太短，福建沿海的其他水文站的潮位資料沒有進行訂正。（見表1）

3 平均海平面的變化

福建沿海海平面變化總體呈波動上升趨勢，沿海平均海平面受天文、氣象、水文等因素的綜合影響，變化較為復雜。但不同的海區(qū)，不同潮位站的長期變化仍有許多相似之處。圖1給出了所研究的4個測站的年平均海平面的時間序列，4各站年平均海平面變化趨勢相當一致，1978—2004年四站年平均海平面相關系數(shù)都在0.86以上。

沿海各站多年平均海平面在0.1—0.6 m（國家85高程）之間變化，振幅分別為：15 cm、18 cm、24 cm、18 cm，不考慮海島站平潭站的時候，呈南高北低之勢，年際變化上從方差分析上看，三沙年際變化變化最小，東山、平潭次之，廈門年際變化最大，可能因為廈門站在九龍江入海處，受其影響比較大。

表1 4個測站的資料年限

表2 年平均海平面速率

4 平均海平面上升實況分析

4.1 線性趨勢分析

由于選用11年比較法研究海平面變化速率抗干擾性強，所以本文采用各驗潮站的11年平均海面滑動平均求各站年平均海面變化速度，見表2。

年平均海平面的線性變化趨勢采用的公式為：

利用最小二乘法進行擬合得到的四站的年平均海平面線性上升速度在0.17—0.2 cm/a之間，平均上升速度為0.17 cm/a；采用11年滑動平均得到的速率0.16—0.2 cm/a,平均上升速度為0.18 cm/a。

4.2 非線性趨勢分析

根據(jù)海平面的時變特性，將其描述為以時間t為自變量的函數(shù)形式：

式中，y為年平均海平面觀測值；T為趨勢值；P為周期性變化分量；N為隨機噪聲。由于隨機噪聲對海平面長期變化影響可以忽略，故在此僅考慮確定性部分T和P兩部分[6]。

4.2.1 周期項研究方案

從原始序列中減去趨勢項T（t）后，剩余序列Pt＝y(tǒng)t－Tt可以認為是含有某些周期的平穩(wěn)過程，運用平穩(wěn)過程的譜分析可以得到該過程的顯著周期。

在進行混合譜周期分析時，每挑選一個基本顯著性周期，即要進行一次功率譜估計，同時對其顯著檢驗。最大熵譜法對序列較長的資料能分析出10—25 a的長周期，對低頻信號有較高的分辨力，而且能得到較大的復相關系數(shù)和較小的方差，其具體的周期分析計算步驟如下：

（1）首先去掉年平均水位時間序列的均值和線性趨勢項；

（2）用最大熵譜法計算功率譜，為提高分辨力，使分析出的周期更接近實際周期，應加密功率譜估計的頻率間隔，并對最大熵譜進行顯著周期檢驗，從顯著振動周期中挑選一個譜峰最大的周期作為海面變化的顯著周期；

（3）用最小二乘法求出這一顯著周期對應的振動分量；

（4）將剩余的序列減去顯著周期對應的振動分量，并用剩余的量值作為（2）步中序列的量值；

（5）重復進行（2）—（4）步的作法，逐次挑選最顯著周期，直至無顯著周期為止。

（6）根據(jù)譜分析理論和物理背景對上述逐次選擇的顯著周期進一步取舍。

海平面的周期性變化常用下式表示。

統(tǒng)計檢驗時通常是把時間序列數(shù)據(jù)按周期性的時間間隔進行分組（非整數(shù)周期按四舍五入取整），比較分組后不同組的組內方差與組間方差的大小，然后用方差檢驗來確定可能存在的周期[7]。

表3 四站海平面變化的顯著周期、復相關系數(shù)、方差

4.2.2 結果分析

按照上述的方法，對四個站的資料進行分析得到表3。

4站的主要低頻振動周期為8—17 a，主要高頻振動周期為2 a。海平面的年際變化是由尺度2—5 a的變化疊加在尺度為16—20 a的長期尺度上的，尺度2—5 a的變化似乎和El Nino有關。上述周期基本對應一些常用的理論天文周期（如3.57 a，4.4 a，8.8 a，18.6 a）、準2 a的大氣振動和3—7 a的El Nino周期、太陽黑子活動平均11.1周期、雙太陽黑子22.2 a周期。最大熵譜法對低頻信號有較高的分辨力，分析出了20—35 a的長周期，對東山站資料分析得到35.3的低頻周期，并且得到較大的復相關系數(shù)和較小的方差。

通過上述的分析，可以得到四站的年平均海平面變化模型，其中t=1，2，3……代表年份序列。各站平均海面實測、擬合圖見圖2—5。

廈門年平均海平面變化模型：

Y(t)=0.1802t+354.8923+

2.096 cos(2tπ/8.063)-0.6333sin(2tπ/8.063)+

1.269 cos(2tπ/16)-1.859sin(2tπ/16)+

1.923 cos(2tπ/20.0784)-0.2517sin(2tπ/20.0784)+

1.202 cos(2tπ/6.8267)+0.4994sin(2tπ/6.8267)+

1.281 cos(2tπ/2.4615)+0.597sin(2tπ/2.4615)+

0.3931 cos(2tπ/2.8055)-0.9658sin(2tπ/2.8055)

東山年平均海平面變化模型：

Y(t)=534.9562+0.1394t+

1.643 cos(2πt/14.0274)+1.037sin(2πt/14.0274)+

1.603 cos(2πt/20.8980)-0.4627sin(2πt/20.8980)-

0.7840 cos(2πt/8.7521)-0.8662sin(2πt/8.7521)+

0.9797cos(2πt/35.3103)+0.7069sin(2πt/35.3103)+

1.5960 cos(2πt/2.4675)+0.3081sin(2πt/2.4675)+

0.4748 cos(2πt/2.7751)-0.9051sin(2πt/2.7751)+

0.0925 cos(2πt/4.9231)+1.059sin(2πt/4.9231)

圖1 4個驗潮站年平均海平面變化圖（國家85高程）

圖2 廈門站年平均海面實測、擬合圖

圖3 東山站年平均海面實測、擬合圖

圖4 平潭站年平均海面實測、擬合圖

圖5 三沙站年平均海面實測、擬合圖

圖6 東山年平均海平面變化模型預測曲線

圖7 三沙年平均海平面變化模型預測曲線

圖8 平潭年平均海平面變化模型預測曲線

圖9 廈門年平均海平面變化模型預測曲線

平潭年平均海平面變化模型:

Y(t)=372.7012+0.2t-

2.859 cos(2πt/17.067)+1.545sin(2πt/17.067)-

2.215 cos(2πt/23.273)-1.188sin(2πt/23.273)+

1.118 cos(2πt/8.9043)-1.266sin(2πt/8.9043)-

0.8653 cos(2πt/7.4203)-0.4675sin(2πt/7.4203)-

0.8457 cos(2πt/2.4794)-0.6719sin(2πt/2.4794)

三沙年平均海平面變化模型:

Y(t)=488.3209+0.1091t+

1.793 cos(2πt/8.9043)+0.1359sin(2πt/8.9043)+

0.2622 cos(2πt/18.286)+1.344sin(2πt/18.286)-

0.06979 cos(2πt/26.947)+1.879sin(2πt/26.947)+

0.9547 cos(2πt/11.907)-0.07544sin(2πt/11.907)+

0.3223 cos(2πt/6.6928)-0.7265sin(2πt/6.6928)+

0.4169 cos(2πt/2.2908)+0.9057sin(2πt/2.2908)-

0.8948 cos(2πt/2.3704)+0.5985sin(2πt/2.3704)

4.3 分析結果

由上述分析可知，不管用線性還是非線性方法估算，在過去約40 a的時間中，各站海平面總體趨勢是上升的，上升的速率各站雖有不同，同一站由于采用的方法不同也有差異，但所有站的平均年上升速率無論用線性還是非線性方法基本相同，即年平均上升速率為0.05—0.2 cm/a之間。

文獻8中指出，利用廈門GPS基準站截止到2002年約3.2年的高程時間序列計算，廈門站地殼呈緩慢上升趨勢，上升速度約0.15 cm/a，聯(lián)合高精度GPS定位數(shù)據(jù)和驗潮觀測數(shù)據(jù)，可以確定驗潮站所處海域的海平面絕對變化速度。驗潮數(shù)據(jù)獲得的海平面變化結果是海平面絕對變化和地殼垂直運動的綜合結果。廈門海域的海平面絕對變化呈上升趨勢，其值為0.24 cm/a。數(shù)據(jù)的時間段為1999—2002年，而驗潮數(shù)據(jù)的時間段為1954—1997年，兩者并不重合。

5 未來50年福建沿海海平面上升預測

根據(jù)年平均海平面變化模型，可以預測出未來的海平面變化趨勢，見圖6—9。

年平均海平面變化模型的上升平均線性速率為0.16 cm/a，平均11年滑動平均速率為0.15 cm/a，在0.1—0.2 cm/a之間變化，具體值見表4。

年平均海平面變化模型預測的2006—2056年的上升平均速率為0.17 cm/a，具體在0.12—0.23 cm/a之間，考慮海平面非線性變化，根據(jù)上述4站年平均海平面非線性變化模式外延至2056年，計算出2056年福建沿海各站海平面相對于2005年海平面上升預測值，平均增加12 cm，廈門站預計上升最大為16.9 cm，東山站預計上升最小為6.4 cm，具體值見表5。與實測的速率分布進行對比發(fā)現(xiàn)，平均上升速率變化不大，年平均海平面沒有明顯加速上升的趨勢。

表4 四站年平均海平面變化模型的速率分布

表5 年平均海平面變化模型預測2006—2056年速率分布

6 結語

（1）近四十年來福建沿海海平面呈上升趨勢，平均上升速度為0.17 cm/a，非線性變化中主要低頻振動周期為8—17年，主要高頻振動周期為2年；

（2）年平均海平面變化模型預測的2006—2056年的上升平均速率為0.17 cm/a，2056年福建沿海各站海平面相對于2005年海平面平均增加12 cm，廈門站預計上升最大為16.9 cm，東山站預計上升最小為6.4 cm；

（3）福建沿海未來50年平均上升速率與實測的速率變化不大，年平均海平面沒有明顯加速上升的趨勢。

[1]于宜法,中國近海海平面變化研究進展[J].中國海洋大學學報. 2004,34(5):713-719.

[2]馬繼瑞,田素珍,鄭文振,等.月平均水位周期信號的譜分析和檢驗方法研究[J].海洋學報,1996,18(3):5-12.

[3]左軍成,陳宗鏞,周天華,等.海平面變化的一種本征分析與隨機動態(tài)的聯(lián)合模型[J].1996,海洋學報,18(2):7-14.

[4]左軍成,陳宗鏞,戚建華,等.太平洋海域海平面變化的灰色系統(tǒng)分析[J].青島海洋大學學報,1997,27(2):138-144.

[5]王衛(wèi)強,陳宗鏞,左軍成,等.經驗模態(tài)法在中國沿岸海平面變化中的應用研究[J].海洋學報,1999,21(6):102-109.

[6]伍遠康,汪邦道.浙江省沿海海平面上升及預測.浙江水利科技[J].2003,2:1-4.

[7]馬繼瑞,田素珍.月平均水位周期信號譜分析檢驗方法研究[J].海洋學報,1996,18(3):6-13.

[8]焦文海,魏子卿,郭海榮.聯(lián)合GPS基準站和驗潮站數(shù)據(jù)確定海平面絕對變化[J].武漢大學學報,2004,29(10):901-904.

Variability of interannual and decadal sea level and its prediction along Fujian coastal area

LIN Xuan-yue1,2，ZHANG Shi-min2，CHEN De-wen2，YUAN Fang-chao2
（1.Ocean University of China，Qingdao 266100 China；2.Marine Forecast Station of Xiamen,Xiamen 361008 China）

In this study,sea level records from 4 tidal gauges along Fujian province are used to analyze the regional sea level variability.The mean sea level rising trend are obtained and sea level change model for each tidal station is constructed by the spectral method.Finanlly,the sea level rising rate along Fujian coastal oceans in the next 50 years is predicted.

sea level；rising rate；predict

P731.23

：A

：1003-0239（2014）05-0063-06

10.11737/j.issn.1003-0239.2014.05.010

2013-07-15

海洋公益性行業(yè)科研專項（201105017）

林選躍（1981-），男，工程師，主要從事海洋環(huán)境預報工作。E-mail：linxuanyue@foxmail.com