林选跃，张世民，陈德文，袁方超

（1.中国海洋大学海洋环境学院,山东青岛266100;2.国家海洋局厦门海洋预报台,福建厦门361008）

福建沿海年平均海平面年际、年代际变化特征及预测

林选跃1,2，张世民2，陈德文2，袁方超2

（1.中国海洋大学海洋环境学院,山东青岛266100;2.国家海洋局厦门海洋预报台,福建厦门361008）

利用福建沿海4个验潮站实测潮位资料，在分析实测资料变化趋势的基础上，采用谱分析的方法分析年平均海平面的变化趋势，得到了4个站年平均海平面变化模型，并对未来50年福建沿海的海平面上升趋势进行预测。

海平面；上升趋势；预测

1 引言

福建省地处中国东南沿海，东面濒临台湾海峡，南面近临南海，拥有200 m等深线内海域面积13.6×104km2，比全省陆地面积大12%左右。海岸线蜿蜒漫长，总长3324 km，居全国第二，沿海地区地势低平，生产要素集中，经济发达，受气候变化和海平面上升累积效应等多种因素的影响，福建的部分沿海地区海岸侵蚀、海水入侵与土壤盐渍化等灾害影响越发明显，较高的海平面加剧了沿海地区风暴潮的影响，给当地人民的生产生活和经济社会发展造成了一定的危害，防洪（潮）、排涝、减灾的任务十分艰巨，海平面的上升将进一步影响到这些地区的安全和经济发展。虽然海平面上升是一个相对缓慢的过程，但长期积累的结果足以对沿海经济发展、城市安危和人民生活环境带来多方面的不利影响，这种影响比任何一种自然灾害都要广泛和深入。因此研究和预测福建沿海海平面变化趋势，对在今后福建沿海地区经济和社会的持续发展中采取有针对性的防御措施，具有十分重要的意义。

福建沿岸验潮站测量到的平均海平面的升降除了受天文因素影响之外，还有气象因素的影响，包括全球性的气候、东亚的气候的影响，还与太平洋的海面变化、气象环流，沿岸垂向运动，太平洋东部El Nin˜o现象息息相关。

海平面可分为相对海平面和绝对海平面。研究海平面变化规律使用的数据对应的分为两种：验潮站数据和卫星高度计数据。近年来海平面的研究已经进入了绝对海平面的研究阶段，但器测海洋研究的主要内容仍为验潮站平均海平面相对于陆地水准的相对海平面变化，由于没有同步的验潮和大地测量资料，本文仍探讨相对海平面变化。

海平面变化的方法和模型很多，如BARNETT方法、谱分析方法、随机动态预测模型，经验模态分析方法，由这些方法得到的中国海平面变化速率在总的趋势方面是比较一致，但在量值上存在一定差异。获取海平面资料的手段也从单一的验潮资料计算，发展到现在用GPS观测技术、卫星测高技术以及数值模拟等高新技术要获取海平面信息[1]。马继瑞等[2]对水位序列重复进行最大熵谱估计和显著周期检验,并用最小二乘滤波法逐次滤掉最显著的周期成分,依次识别检验信号的显著周期，在此基础上提出了改进的月平均水位周期信号的谱分析方法。对太平洋236个站月平均水位周期成分的分析结果，表明太平洋相对海平面平均上升率为1.16mm/a。左军成等[3]把最大熵谱分析、非线性最小二乘法应用于动态预报，建立了一种海平面的本征分析和随机动态分析预报的联合模型，得出太平洋海域海平面的平均上升率为1.7 mm/a。左军成等[4]应用灰色系统理论，对太平洋海域48个长期验潮站的月均海平面分别建立了GM（1,1）模型。GM（1,1）模型能较好地反映太平洋海域的海平面变化的趋势，它除了能给出连续的海平面变化速率外，同时能方便地给海平面变化的加速率。王卫强等[5]采用经验模态分解法研究了中国沿岸海平面变化,解决了资料序列的非平稳非线性问题,分离出各种海平面变化周期,得到海平面的年变率。

目前为止，普遍认为海平面在过去几十年里是上升趋势，并在未来的几十年里维持这样的趋势，但对海平面上升的具体原因和上升的速率有不同的看法。验潮站海平面变化趋势的空间分布极不平衡，对于一个地区来说，人们更关心的是在全球海平面上升的背景下局地的特点和应对措施，本文根据福建沿海的几个验潮站的长期验潮数据来讨论福建沿海海平面的年际、年代际变化特征及预测。

2 福建沿海潮位站和潮位资料情况

本文采用的年平均海平面是以验潮站的水尺零点为基准，收集了国家海洋局在福建沿海的三沙、平潭、东山、厦门4个验潮站截止到2005年底的年平均海平面的实测资料，其中三沙站资料2005年和1978年以前的资料由于水准点不确定，模型估计的时候没有采用。除上述四站资料外的沿海验潮资料都无法采用，其中崇武站资料年限太短，福建沿海的其他水文站的潮位资料没有进行订正。（见表1）

3 平均海平面的变化

福建沿海海平面变化总体呈波动上升趋势，沿海平均海平面受天文、气象、水文等因素的综合影响，变化较为复杂。但不同的海区，不同潮位站的长期变化仍有许多相似之处。图1给出了所研究的4个测站的年平均海平面的时间序列，4各站年平均海平面变化趋势相当一致，1978—2004年四站年平均海平面相关系数都在0.86以上。

沿海各站多年平均海平面在0.1—0.6 m（国家85高程）之间变化，振幅分别为：15 cm、18 cm、24 cm、18 cm，不考虑海岛站平潭站的时候，呈南高北低之势，年际变化上从方差分析上看，三沙年际变化变化最小，东山、平潭次之，厦门年际变化最大，可能因为厦门站在九龙江入海处，受其影响比较大。

表1 4个测站的资料年限

表2 年平均海平面速率

4 平均海平面上升实况分析

4.1 线性趋势分析

由于选用11年比较法研究海平面变化速率抗干扰性强，所以本文采用各验潮站的11年平均海面滑动平均求各站年平均海面变化速度，见表2。

年平均海平面的线性变化趋势采用的公式为：

利用最小二乘法进行拟合得到的四站的年平均海平面线性上升速度在0.17—0.2 cm/a之间，平均上升速度为0.17 cm/a；采用11年滑动平均得到的速率0.16—0.2 cm/a,平均上升速度为0.18 cm/a。

4.2 非线性趋势分析

根据海平面的时变特性，将其描述为以时间t为自变量的函数形式：

式中，y为年平均海平面观测值；T为趋势值；P为周期性变化分量；N为随机噪声。由于随机噪声对海平面长期变化影响可以忽略，故在此仅考虑确定性部分T和P两部分[6]。

4.2.1 周期项研究方案

从原始序列中减去趋势项T（t）后，剩余序列Pt＝yt－Tt可以认为是含有某些周期的平稳过程，运用平稳过程的谱分析可以得到该过程的显著周期。

在进行混合谱周期分析时，每挑选一个基本显著性周期，即要进行一次功率谱估计，同时对其显著检验。最大熵谱法对序列较长的资料能分析出10—25 a的长周期，对低频信号有较高的分辨力，而且能得到较大的复相关系数和较小的方差，其具体的周期分析计算步骤如下：

（1）首先去掉年平均水位时间序列的均值和线性趋势项；

（2）用最大熵谱法计算功率谱，为提高分辨力，使分析出的周期更接近实际周期，应加密功率谱估计的频率间隔，并对最大熵谱进行显著周期检验，从显著振动周期中挑选一个谱峰最大的周期作为海面变化的显著周期；

（3）用最小二乘法求出这一显著周期对应的振动分量；

（4）将剩余的序列减去显著周期对应的振动分量，并用剩余的量值作为（2）步中序列的量值；

（5）重复进行（2）—（4）步的作法，逐次挑选最显著周期，直至无显著周期为止。

（6）根据谱分析理论和物理背景对上述逐次选择的显著周期进一步取舍。

海平面的周期性变化常用下式表示。

统计检验时通常是把时间序列数据按周期性的时间间隔进行分组（非整数周期按四舍五入取整），比较分组后不同组的组内方差与组间方差的大小，然后用方差检验来确定可能存在的周期[7]。

表3 四站海平面变化的显著周期、复相关系数、方差

4.2.2 结果分析

按照上述的方法，对四个站的资料进行分析得到表3。

4站的主要低频振动周期为8—17 a，主要高频振动周期为2 a。海平面的年际变化是由尺度2—5 a的变化叠加在尺度为16—20 a的长期尺度上的，尺度2—5 a的变化似乎和El Nino有关。上述周期基本对应一些常用的理论天文周期（如3.57 a，4.4 a，8.8 a，18.6 a）、准2 a的大气振动和3—7 a的El Nino周期、太阳黑子活动平均11.1周期、双太阳黑子22.2 a周期。最大熵谱法对低频信号有较高的分辨力，分析出了20—35 a的长周期，对东山站资料分析得到35.3的低频周期，并且得到较大的复相关系数和较小的方差。

通过上述的分析，可以得到四站的年平均海平面变化模型，其中t=1，2，3……代表年份序列。各站平均海面实测、拟合图见图2—5。

厦门年平均海平面变化模型：

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)

东山年平均海平面变化模型：

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)

图1 4个验潮站年平均海平面变化图（国家85高程）

图2 厦门站年平均海面实测、拟合图

图3 东山站年平均海面实测、拟合图

图4 平潭站年平均海面实测、拟合图

图5 三沙站年平均海面实测、拟合图

图6 东山年平均海平面变化模型预测曲线

图7 三沙年平均海平面变化模型预测曲线

图8 平潭年平均海平面变化模型预测曲线

图9 厦门年平均海平面变化模型预测曲线

平潭年平均海平面变化模型:

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)

三沙年平均海平面变化模型:

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 分析结果

由上述分析可知，不管用线性还是非线性方法估算，在过去约40 a的时间中，各站海平面总体趋势是上升的，上升的速率各站虽有不同，同一站由于采用的方法不同也有差异，但所有站的平均年上升速率无论用线性还是非线性方法基本相同，即年平均上升速率为0.05—0.2 cm/a之间。

文献8中指出，利用厦门GPS基准站截止到2002年约3.2年的高程时间序列计算，厦门站地壳呈缓慢上升趋势，上升速度约0.15 cm/a，联合高精度GPS定位数据和验潮观测数据，可以确定验潮站所处海域的海平面绝对变化速度。验潮数据获得的海平面变化结果是海平面绝对变化和地壳垂直运动的综合结果。厦门海域的海平面绝对变化呈上升趋势，其值为0.24 cm/a。数据的时间段为1999—2002年，而验潮数据的时间段为1954—1997年，两者并不重合。

5 未来50年福建沿海海平面上升预测

根据年平均海平面变化模型，可以预测出未来的海平面变化趋势，见图6—9。

年平均海平面变化模型的上升平均线性速率为0.16 cm/a，平均11年滑动平均速率为0.15 cm/a，在0.1—0.2 cm/a之间变化，具体值见表4。

年平均海平面变化模型预测的2006—2056年的上升平均速率为0.17 cm/a，具体在0.12—0.23 cm/a之间，考虑海平面非线性变化，根据上述4站年平均海平面非线性变化模式外延至2056年，计算出2056年福建沿海各站海平面相对于2005年海平面上升预测值，平均增加12 cm，厦门站预计上升最大为16.9 cm，东山站预计上升最小为6.4 cm，具体值见表5。与实测的速率分布进行对比发现，平均上升速率变化不大，年平均海平面没有明显加速上升的趋势。

表4 四站年平均海平面变化模型的速率分布

表5 年平均海平面变化模型预测2006—2056年速率分布

6 结语

（1）近四十年来福建沿海海平面呈上升趋势，平均上升速度为0.17 cm/a，非线性变化中主要低频振动周期为8—17年，主要高频振动周期为2年；

（2）年平均海平面变化模型预测的2006—2056年的上升平均速率为0.17 cm/a，2056年福建沿海各站海平面相对于2005年海平面平均增加12 cm，厦门站预计上升最大为16.9 cm，东山站预计上升最小为6.4 cm；

（3）福建沿海未来50年平均上升速率与实测的速率变化不大，年平均海平面没有明显加速上升的趋势。

[1]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. 2004,34(5):713-719.

[2]马继瑞,田素珍,郑文振,等.月平均水位周期信号的谱分析和检验方法研究[J].海洋学报,1996,18(3):5-12.

[3]左军成,陈宗镛,周天华,等.海平面变化的一种本征分析与随机动态的联合模型[J].1996,海洋学报,18(2):7-14.

[4]左军成,陈宗镛,戚建华,等.太平洋海域海平面变化的灰色系统分析[J].青岛海洋大学学报,1997,27(2):138-144.

[5]王卫强,陈宗镛,左军成,等.经验模态法在中国沿岸海平面变化中的应用研究[J].海洋学报,1999,21(6):102-109.

[6]伍远康,汪邦道.浙江省沿海海平面上升及预测.浙江水利科技[J].2003,2:1-4.

[7]马继瑞,田素珍.月平均水位周期信号谱分析检验方法研究[J].海洋学报,1996,18(3):6-13.

[8]焦文海,魏子卿,郭海荣.联合GPS基准站和验潮站数据确定海平面绝对变化[J].武汉大学学报,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

海洋公益性行业科研专项（201105017）

林选跃（1981-），男，工程师，主要从事海洋环境预报工作。E-mail：linxuanyue@foxmail.com