渤黄海沿海季节性海平面异常偏高成因分析

2012-08-14王慧范文静高志刚

海洋通报 2012年6期

王慧，范文静，高志刚

（国家海洋信息中心，天津 300171）

全球气候变暖导致的海水热膨胀、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。区域海平面变化还受局地海温、海流、风、气温、气压和降水等水文气象要素的影响。近年来，随着极端天气、气候事件的频发，导致季节性海平面异常的次数偏多，程度加大。根据《2009年中国海平面公报》至《2011年中国海平面公报》发布的结果，中国渤黄海沿海2月份海平面近3年连续偏高，渤黄海沿海11月份海平面近两年持续偏高。

受地球公转年周期的影响，季节海平面是气压、风、水温、盐度、河口径流等季节性周期共同作用的结果。我国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现，由渤黄海的7月向南海逐步推迟至10月。海平面的异常偏高或者偏低是由非天文因素（包括气压、风、降水和径流变化等）异常引起的海平面短期变化，又称增减水，指的是低气压、强台风所引起的增水或风暴潮现象（郑文振，1986）。

中国近海南北狭长，海岸线漫长曲折，太阳辐射的不均匀分布及季节变化使得近海区域南北方向上的气候存在较大差异。受不同纬度的天气系统影响，冬季寒潮、春季气旋、夏秋季热带气旋活动频繁，增加了气候的多样性。东亚季风的变化是影响中国近海和邻近海域海平面变化的重要原因。受东亚强季风控制，使得中国近海风力较同纬度洋面偏大，而且冬季风强于夏季风。在我国渤海和黄海，冬季盛行西北偏北季风，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（蔡榕硕等，2010）。

本文使用中国沿海及西北太平洋近30年的水位、气温、海温、气压、风及降水等水文气象资料，初步探讨了渤黄海沿海季节性海平面异常的成因及由此带来的影响。

1 资料

本文从渤黄海沿海验潮站中筛选了资料长度超过30年的11个测站，这些站分布均匀，资料均经过了补充订正及零点统一。本文用于计算的均是月均海平面距平（MSLA）数据，月平均海平面距平是从月平均海平面中消去同月多年平均海平面后得到的。为了能够相互比较，对所有测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。同时也选取了该区域同一时段相应站点的气温、海温和气压资料，并对资料进行了订正、质量控制。风场资料使用的是美国NCEP/NCAR再分析资料中的1 000 hPa的月平均资料（注：本文中各要素的常年全部使用1975-1993年的同期平均值）。

2 渤黄海沿海季节性海平面变化特征

2.1 渤黄海沿海季节海平面变化

中国沿海海平面具有显著的季节变化，且其区域特征明显。年变化幅度自北向南逐渐减小，渤黄海变化幅度最大。季节性高、低海平面出现的日期自北向南逐渐推迟（方国洪等，1986）。

渤海与黄海沿海各站海平面季节变化趋势基本一致，近似于余弦曲线（图1）。渤海的海平面一般在7-8月最高，1月最低，两者的月平均海平面相差约60 cm；黄海沿海以1-2月份最低，8月最高，月平均海平面相差约45 cm。渤海、黄海的海温在月海平面最高期间也处于季节性最高。从渤海的葫芦岛到黄海的吕四，位相变化从120°到150°，相差近1个月（表1）。

2.2 渤黄海沿海季节海平面异常变化特征

本节对区域特征基本一致的渤黄海沿海主要长期验潮站资料进行了统计分析，对于月均距平值大于10 cm或者小于-10 cm的情况，视为异常，统计结果见表2。

图1 渤、黄海沿岸部分台站海平面季节变

表1 中国渤黄海沿海海平面季节（年与半年）变化

表2 渤黄海沿海近30年月均海平面异常变化统计表

表2为渤黄海区1980-2011年的月均海平面异常统计表，海平面异常月份基本在10月至翌年的3月，该时段正是冬季风盛行期。渤黄海沿海月均海平面的异常与冬季风异常的相关关系将在后面章节论述。

季节性高海平面期间发生的异常气候事件极易加重海洋灾害。从表2中看出，1985年的8月、1992年的9月和1997年的8月月均海平面较常年同期距平不大，但此期间在渤黄海沿海发生了较严重的风暴潮，由于正值季节性高海平面期，又恰逢天文大潮，二者叠加仍对沿岸造成很大的影响。2011年的8月，台风“梅花”影响期间，正值季节性高海平面期，影响期间的海平面较常年同期偏高约60 cm，月均海平面距平较常年同期偏高超过10 cm，几种因素的共同作用加重了山东、辽宁、江苏和浙江沿海的经济损失。

2007年3月，中国渤黄海沿海遭遇了1969年以来最大的一次温带风暴潮过程，恰逢天文大潮和暖冬之后的异常高海平面期，渤海沿海的月均海平面较常年同期偏高近10 cm，使风暴潮的破坏力异常加大，给这些地区的供电、供气系统、海上作业和海水养殖等造成了很大损失（中国海平面公报，2007）。

2001年的1月、2006年的1月和2009-2011年的2月海平面偏高明显，月均海平面较常年同期距平高达15～20 cm；2010至2011年的11月，月均海平面较常年同期距平高达15～20 cm。

2.3 渤黄海沿海季节海平面的历史变化

从表2中可以看出，近年来，渤黄海沿海月均海平面距平异常偏高次数增多，程度加大。本节使用渤黄海海沿海11个代表站的实测资料，分析了1980至2011年2月和11月海平面的变化。

图2为渤黄海沿海近30年2月海平面变化，年变化速率为4.5mm/a。从图中可以看出，1995年、1998年以及2009至2011年2月的海平面明显偏高，月均海平面较常年同期偏高约15 cm，此结果在表2同样体现。根据2009年和2010年的中国海平面公报公布的结果，中国北部沿海2009年和2010年2月海平面比常年同期分别高约15 cm和16 cm，连续两年达到30年来最高值。

图3为渤黄海沿海近30年11月份海平面变化，年变化速率为3.7 mm/a。从图中可以看出，2010年和2011年渤黄海11月份的海平面明显偏高，月平均海平面距平较常年同期偏高近18 cm，此结果在表2中同样体现。根据2011年的中国海平面公报公布的结果，2010年和2011年的11月份，黄海沿海平均海平面较常年同期偏高近18 cm，达近30年高位。

图2 渤黄海沿海近30年2月份海平面变化

图3 渤黄海沿海近30年11月份海平面变化

3 渤黄海沿海季节海平面异常成因

局地气候的异常变化是区域海平面异常变化的主要成因。气象条件（气压、风、降水和径流变化等）的异常变化引起沿海出现大的增水或者减水。持续时间长、强度大的增减水过程将导致月均海平面的异常升高或者降低。本部分通过气温、海温、气压和风等水文气象因子来探讨海平面异常变化的成因。

3.1 海平面与海温、气温和气压的关系

中国沿岸海平面的季节变化以年周期为主，在渤黄海沿海海平面、海温、气温和气压等水文气象要素的季节性变化基本一致。图4为烟台海平面、海温、气温和气压的季节变化，海平面、海温和气温均在7、8月份达到最高，1月份最低，气压则相反，其绝对相关系数均在0.9以上；

但是，季节海平面的异常偏高或者偏低与海温、气温和气压的相关关系则不是很大。本节使用月均距平值分析了渤黄海沿海近30年2月和11月海温、气温和气压的变化及其与海平面的对应关系（图 5、图 6）。

图4 烟台海平面、海温、气温和气压季节变化

由图2和图5可知，2月的海平面、海温和气温在近30年均呈上升趋势，气压呈下降趋势。但是海平面与海温和气温的年相关性较差，相关系数分别为0.2和0.4；与气压的相关性较好，相关系数为-0.5。2009-2011年渤黄海沿海2月份持续3年海平面异常偏高，较常年同期偏高约15 cm，达历史最高值，同期海温在2009年接近常年同期，2010-2011年均低于常年同期，气温没有明显偏高，气压则均偏低。这说明，海温和气温对2月份海平面的异常偏高影响不大，气压与海平面有一定的反相关关系（图5）。

图5 渤黄海沿海近30年2月海平面、海温、气温和气压的变化

图6 渤黄海沿海近30年11月份海平面、海温、气温和气压变化

图3和图6为渤黄海沿海近30年11月海平面、气温、海温和气压的变化。从长期变化看，11月的海平面、海温和气温在近30年均呈上升趋势，气压呈下降趋势。海平面与海温的相关性较好，相关系数为0.6，与气温和气压的年相关系数较差，分别为0.3和-0.3。2010的11月和2011年11月，渤黄海沿海海平面较常年同期均偏高近18 cm，达历史最高，同期海温较常年同期明显偏高，气温略有偏高，气压在2010年低于常年同期，2011年接近常年同期。这说明，海温对11月海平面的异常偏高有影响，气温和气压影响不大（图6）。

3.2 风和风生流的变化

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。

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。

对2010年2月份中国近海及邻近海域的风及风生流分析结果见图7。图7a为2010年2月中国近海及邻近海域的平均风与常年2月平均风的距平，可以看出2月份为东南风的距平风场，总体有利于沿岸海水向近岸堆积，特别是在长江口以北区域，风场距平明显为向岸方向。图7b为2月份数值计算的风生流，可以看出，自长江以北沿海，由于风引起的沿岸海面抬升由南到北逐渐增大，海平面上升明显。同期，沿海验潮站资料表明平均海平面比常年同期偏高16 cm，达30年以来最高位（图 2）。

通常情况下，冬季（12月至翌年2月），在我国渤海、黄海和东海盛行西北偏北季风，气压较高，水位降低。对2010年2月日平均距平风场分析发现，该月超过20天为东南风的日平均距平风场；其中7-9日以及20-24日东南风的日平均风场距平非常显著，同时段增水较大，海面明显偏高。

图7 年2月中国近海及邻近海域月平均距平风场和风生流场（m/s）

对2011年11月份中国近海及邻近海域的风及风生流分析结果见图8。图8 a为2011年11月中国渤黄海近海及邻近海域的平均风与常年11月平均风的距平，可以看出11月份渤黄海为偏东风距平区，有利于海水向岸堆积。图8b为11月份数值计算的风生流，可以看出，自长江以北沿海，由于风引起的沿岸海面抬升由南到北逐渐增大，海平面上升明显。同期，沿海验潮站资料分析表明，渤黄海沿海平均海平面较常年同期偏高近18 cm，达近30年最高。

图8 2011年11月中国近海及邻近海域月平均距平风场和风生流场（m/s）

4 渤黄海沿海季节海平面的低频变化

海平面的变化包含了长期趋势变化和各种周期性低频变化，存在着明显的年代变化特征。对渤黄海沿海近30年每10年的2月份海平面变化进行了统计分析，结果表明，2月份海平面呈明显的上升趋势，且年代变化特征明显。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世纪80年代2月份的平均海平面总体处于近30年的低位，经历了90年代的上升期，近十年2月份的平均海平面总体处于近30年的高位（图9）。

图9 中国渤黄海沿海2月份海平面年代变化

本文讨论的重点是近30年多年累月的海平面变化异常成因分析，主要针对1年以上周期的变化进行分析。使用Wavelet小波变化分析方法（Weng，1998）对近30年2月份海平面的年际和年代际变化进行了分析，结果如图10。从图中可以看出，渤黄海沿海2月份海平面的年际变化的显著周期有2～3 a、4～7 a；年代际变化显著周期有准11 a和19 a。其中，2～3 a的振荡周期在中国近岸水文、气象要素较为常见；4～7 a的周期通常被认为与ENSO现象有关（于非等，2003），而11a的周期振荡可能与太阳黑子活动有关（杜碧兰，1984）；19 a的周期是由于天体引潮力的作用引起的（郑文振，1986）。不同的振动周期，震荡幅度不同。2～3 a和19 a的周期震荡，振幅均超过3 cm；4～7 a的周期震荡也比较明显，其振幅为2～3 cm。不同周期的振动在不同的时间段里交叉或者叠加，对海平面产生抬升或者降低的作用，如1990年前后，海平面的振动处于2～3 a、4～7 a以及11 a周期的重合期，海平面明显偏高；2009-2010年，海平面的振动处于2～3 a、4～7 a、11 a以及19 a周期的高位重合期，其振幅叠加近8 cm，海平面抬升显著。1983年、1993年和1999年，海平面的振动处于这几个显著性周期的交叉期，其产生的作用相互消减，海平面总体偏低。