太平洋海平面變化趨勢分析

太平洋海平面變化趨勢分析

1年際和年代際變化對海平面長期變化的影響海平面是上海水特征和海上循環(huán)的重要標(biāo)志。海平面的變化對海洋、氣候系統(tǒng)和人類的生產(chǎn)生活有重要影響。近年來由于溫室效應(yīng)加劇,導(dǎo)致的海平面加速上升,使海平面變化成為社會關(guān)注的焦點(diǎn)問題。太平洋海平面變化受其特有的地理環(huán)境、海氣相互作用、全球變暖大背景等因素的影響,表現(xiàn)出特殊的規(guī)律和特征。近年來中外學(xué)者利用驗(yàn)潮站資料、衛(wèi)星高度計(jì)資料對海平面長期變化趨勢進(jìn)行了深入的研究。研究結(jié)果表明,太平洋海平面在過去十幾到幾十年間總體趨勢是上升的,且在近十幾年有加速上升的現(xiàn)象,海平面長期變化趨勢有顯著的區(qū)域性分布特征,而海平面的年際和年代際變化對使用短期資料(特別是衛(wèi)星高度計(jì)資料)分析海平面的長期變化趨勢有顯著的影響。Daniel等,Wu等,Albert等的研究表明太平洋地區(qū)的氣候演變有明顯年際、年代際變化特征。這種年際和年代際變化在海溫場、大氣壓強(qiáng)、大氣環(huán)流等方面都有顯著表現(xiàn),對季風(fēng)和降水有重大影響。研究表明太平洋年際變率與ENSO相關(guān),年代際變化與PDO有關(guān)。Smith,Han等,Yoshi等的研究表明熱帶太平洋海平面也存在顯著的年際和年代際變化,而ENSO和PDO是海平面年際和年代際變化的重要影響因素。作為高頻變化的重要背景,海平面年代際變化對高頻變化有重要的調(diào)制作用。而年際和年代際變化影響著海平面低頻變化和長期趨勢的預(yù)測。呂俊梅等、Albert等認(rèn)為PDO在熱帶太平洋的疊加使ENSO循環(huán)表現(xiàn)出年代際的低頻震蕩特征,該調(diào)制作用是近年來ENSO現(xiàn)象頻發(fā)、強(qiáng)度較大的重要因素。Cazenave等利用最近15a的高度計(jì)資料得到熱帶西太平洋海平面有顯著的上升趨勢,而熱帶東太平洋下降明顯,該結(jié)果與過去50a的熱比容高度分布相反,太平洋海平面年代際震蕩的空間分布是影響這一結(jié)果的重要因素。因而,海平面年代際變化對海平面長期趨勢項(xiàng)的準(zhǔn)確預(yù)測有非常大的影響,對其深入的研究有重要意義。本文利用經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解(EMD)方法處理PSMSL(PermanentServiceforMeanSeaLevel)的驗(yàn)潮站資料,研究太平洋地區(qū)海平面長期變化趨勢,海平面年際、年代際變化的分布特征、主要影響因素以及年代際變化對海平面變化趨勢的影響。2數(shù)據(jù)來源和數(shù)據(jù)處理2.1數(shù)據(jù)來源2.2固有模態(tài)函數(shù)EMD方法的基本思路是:如果一個(gè)原始的數(shù)據(jù)序列x(t)中極大值或極小值點(diǎn)的數(shù)目比上跨零點(diǎn)或下跨零點(diǎn)的數(shù)目多兩個(gè)或兩個(gè)以上,那就對該數(shù)列進(jìn)行平穩(wěn)化處理,產(chǎn)生一系列具有不同特征尺度的數(shù)據(jù)序列,稱固有模態(tài)函數(shù)(intrinsicmodefunction)。EMD分解為一個(gè)從高頻到低頻的極值篩選過程,分解得原始數(shù)據(jù)的一系列IMF分量c1,c2,c3,…,cn與原數(shù)據(jù)序列的關(guān)系如下:式中,rn(t)為原始數(shù)據(jù)序列整個(gè)時(shí)間范圍內(nèi)的固有適定單調(diào)函數(shù),或是最多一個(gè)極值的函數(shù),稱為總體自適定趨勢,以下文中提到的趨勢項(xiàng)都指該總體自適定趨勢。3海平面變化特征EMD方法可以很好的提取時(shí)間序列的非線性變化趨勢,本文對太平洋沿岸的240個(gè)驗(yàn)潮站資料作EMD分解,得到各點(diǎn)海平面變化趨勢。太平洋地區(qū)海平面總體呈上升趨勢,其速率平均值為1.4mm/a,與Church等全球海平面在過去50～100a間上升速率約1～2mm/a的結(jié)論較一致。各個(gè)站點(diǎn)的長期變化趨勢空間分布極不平衡,呈現(xiàn)出西部上升快、東部上升不顯著的區(qū)域分布特征(見圖1)。一半以上(約57%)的站點(diǎn)海平面變化趨勢在-2和2mm/a之間,而少數(shù)站點(diǎn)表現(xiàn)出極大的上升或下降趨勢。西太平洋區(qū)域平均趨勢的線性上升值為1.90mm/a。中高緯(25°N以北)日韓附近海平面平均趨勢為2.17mm/a,中低緯(25°S—25°N)海平面平均趨勢為2.33mm/a,兩者都大于西太的總體平均,上升站多于下降站點(diǎn)。朝鮮半島、日本群島附近海平面升降趨勢較復(fù)雜,大部分站點(diǎn)海平面上升,日本東部由于受黑潮及其延伸體以及陸地沉降等因素的影響海平面上升很快,個(gè)別站點(diǎn)受地殼運(yùn)動(dòng)影響表現(xiàn)為下降。中低緯暖池附近海域海平面上升趨勢比較顯著,這與赤道西太平洋存在的海面高度變化速率的高值中心相吻合。澳大利亞附近海區(qū)下降站點(diǎn)居多,且由于站點(diǎn)稀疏,海面變化趨勢代表性不強(qiáng),很難反應(yīng)總體特征。東太平洋海域海平面上升趨勢不明顯,其區(qū)域平均約0.20mm/a。北部中高緯地區(qū)總體趨勢在下降,平均年變率約-0.43mm/a,這與該區(qū)域地殼上升有關(guān)。處于高緯的阿拉斯加和阿留申地區(qū)海平面下降尤為顯著,區(qū)域平均達(dá)-2.13mm/a,是驗(yàn)潮站海平面下降最大地區(qū),太平洋驗(yàn)潮站海平面下降的極大值點(diǎn)幾乎都分布于該區(qū)。東太平洋中低緯地區(qū)平均海平面變化速率為1.91mm/a,由于此區(qū)站點(diǎn)較稀疏、區(qū)域范圍較大,平均變化趨勢代表性不佳。南美沿岸驗(yàn)潮站較少,但大都表現(xiàn)為下降趨勢。4enso與太平洋的年際變化比較由于南太平洋站點(diǎn)較少,將以20°S以北海區(qū)作進(jìn)一步研究,另外由于驗(yàn)潮站較多難以一一畫出,本文將取部分有代表性的站點(diǎn)繪圖。將驗(yàn)潮站資料進(jìn)行35個(gè)月的低通濾波,可見太平洋驗(yàn)潮站海平面存在年際變化特征(圖2,3中藍(lán)色實(shí)線,其他未畫出站點(diǎn)也有類似的特征),年際變化的振幅可達(dá)150mm。網(wǎng)格點(diǎn)上和區(qū)域平均的重構(gòu)海表高度也表現(xiàn)出年際變化特征(圖略),由此可見,太平洋海平面有明顯的年際變化特征。海平面的年際變化與ENSO的發(fā)生發(fā)展關(guān)系密切。圖2為熱帶太平洋驗(yàn)潮站海平面變化與Nino3指數(shù)的關(guān)系,其中圖2a-d為熱帶西太平洋站點(diǎn),圖2e-h為熱帶東太平洋站點(diǎn),圖中數(shù)據(jù)均經(jīng)35個(gè)月的低通濾波處理。由圖可見熱帶西太平洋海平面與Nino3指數(shù)負(fù)相關(guān),二者的相關(guān)系數(shù)可達(dá)-0.91。熱帶東太平洋海平面與Nino3指數(shù)同步相關(guān),不同站點(diǎn)二者相關(guān)性大小不等(在0.42～0.87之間)。驗(yàn)潮站海平面資料與Nino3指數(shù)呈現(xiàn)出東(西)太平洋二者正(負(fù))相關(guān)的關(guān)系,東、西區(qū)域平均(圖1藍(lán)線區(qū)域)的Church等重構(gòu)海表面高度資料與Nino3指數(shù)也有相似的相關(guān)性。Church等重構(gòu)海面高度資料(見圖4中藍(lán)色和黑色線)在熱帶西(東)太平洋與ENSO負(fù)(正)相關(guān)為0.78(-0.78)。圖2—5都表現(xiàn)出在強(qiáng)ENSO年海平面與Nino3指數(shù)相關(guān)更為明顯、海平面變化振幅增大的特征,其最大振幅差可達(dá)300mm。由此可見,ENSO對熱帶太平洋海平面的年際變化影響顯著。圖3為北太平洋中高緯度驗(yàn)潮站海平面年際變化與Nino3指數(shù)的關(guān)系,其中圖3a-d為西太平洋站點(diǎn),圖3e-h為東太平洋站點(diǎn)。與熱帶太平洋相似,西(東)太平洋中高緯地區(qū)海平面年際變化與Nino3指數(shù)負(fù)(正)相關(guān),然而二者的相關(guān)性遠(yuǎn)小于熱帶地區(qū),相關(guān)系數(shù)在-0.2到-0.54(0.60～0.82)之間,且海平面年際變化表現(xiàn)出滯后Nino3指數(shù)1個(gè)月到1a不等的相關(guān)。比較圖2、圖3不難看出,中高緯度地區(qū)驗(yàn)潮站海平面的年際變化強(qiáng)度小于熱帶低緯度地區(qū),熱帶太平洋地區(qū)年際變化振幅可達(dá)140mm,而中高緯站點(diǎn)的年際變化振幅不到100mm。由此可見,海平面的年際變化在熱帶地區(qū)更為顯著,ENSO對低緯度地區(qū)的影響較大,隨緯度升高,影響減弱。在中高緯度海區(qū),海平面變化與ENSO的發(fā)生發(fā)展表現(xiàn)出一定的超前滯后關(guān)系。5太平洋的年代際變化與pdo指數(shù)的關(guān)系由圖3驗(yàn)潮站資料可看出在年際變化曲線上疊加有年代際變化的信號,其中以圖3a,c,f,g,h尤為明顯,振幅可達(dá)到50mm。眾多觀測和研究結(jié)果顯示1977年前后北太平洋氣候出現(xiàn)一次顯著突變,該現(xiàn)象引起了學(xué)者對年代際變化的認(rèn)識。由于太平洋年代際濤動(dòng)對氣候的影響、對ENSO循環(huán)的調(diào)制作用以及對海平面長期趨勢項(xiàng)的影響,年代際變化受到越來越多的關(guān)注。呂俊梅等的研究表明PDO是太平洋地區(qū)年代際變化的主導(dǎo)模態(tài)(圖5,7中的藍(lán)色實(shí)線),ENSO現(xiàn)象因受PDO的調(diào)制作用,表現(xiàn)出年代際變化特征(圖5,7中的青色虛線)。太平洋海平面變化有明顯的年代際特征,該年代際變化在驗(yàn)潮站資料(圖5,圖6中紅色實(shí)線)、重構(gòu)的海表高度資料(圖7藍(lán)色實(shí)線)和比容海面高度(圖7紅色實(shí)線)中均有反映。對于驗(yàn)潮站資料,年代際變化振幅可達(dá)50mm,重構(gòu)場區(qū)域平均的年代際振幅也達(dá)25mm。海平面的年代際變化與PDO的影響有關(guān),圖5為熱帶太平洋驗(yàn)潮站海平面年代際變化與PDO指數(shù)的關(guān)系,圖中a-d站點(diǎn)位于西太平洋沿岸,e-h站位于東太平洋沿岸,數(shù)據(jù)均經(jīng)十年低通濾波處理。由圖可見,熱帶西太平洋海平面年代際變化與PDO指數(shù)表現(xiàn)為負(fù)相關(guān),且部分地區(qū)海平面有滯后PDO指數(shù)約1a的最大負(fù)相關(guān)。熱帶東太平洋海平面年代際變化與PDO指數(shù)為顯著正相關(guān)(圖5e-h),部分地區(qū)出現(xiàn)前者滯后后者一年左右的最大正相關(guān)。熱帶太平洋地區(qū)重構(gòu)的海面高度場和比容海平面也有與PDO相關(guān)的年代際變化現(xiàn)象(見圖7),且對于重構(gòu)場,海平面年代際變化滯后PDO一年左右,在西(東)太平洋達(dá)到最大負(fù)(正)相關(guān)。這說明太平洋年代際濤動(dòng)對熱帶太平洋海平面有顯著影響,海平面的響應(yīng)變化滯后PDO一年左右。由于衛(wèi)星高度計(jì)資料時(shí)間長度有限,難以分辨年代際變化,在此不作分析。圖6為北太平洋中高緯地區(qū)驗(yàn)潮站海平面年代際變化與PDO的關(guān)系,圖中a-d站點(diǎn)位于西北太平洋沿岸,e-h站位于東北太平洋沿岸。由圖可見,西(東)北太平洋海平面年代際變化與PDO指數(shù)表現(xiàn)為顯著的負(fù)(正)相關(guān),二者的相關(guān)系數(shù)可達(dá)-0.50(0.90)。驗(yàn)潮站海平面的年代際變化與PDO的相關(guān)性有區(qū)域性分布和隨時(shí)間演變的特征:不同地區(qū)二者相關(guān)性大小不同,不同時(shí)期海平面超前、滯后PDO的關(guān)系不同?？傮w上,西太平洋海平面年代際變化與PDO指數(shù)呈反相變化;然而在中國沿海和日本海附近站點(diǎn)二者負(fù)相關(guān)不顯著,年代際變化強(qiáng)度較小(振幅在40mm以下),這些地區(qū)海平面變化可能還受其它因素的影響;在韓國和北海道附近站點(diǎn)甚至表現(xiàn)為前者滯后后者一年左右的正相關(guān)。日本太平洋沿岸站點(diǎn)海平面的年代際變化隨緯度變化,35°N以北(南)海平面年代際變化超前(滯后)PDO指數(shù)1a左右達(dá)最大正(負(fù))相關(guān)。東太平洋的阿拉斯加地區(qū),海平面年代際變化振幅20～40mm,主要表現(xiàn)為超前PDO指數(shù)一年左右的最大正相關(guān),向南二者總體為正相關(guān),振幅增大,于2000年之前前者超前后者5個(gè)月左右的達(dá)最大正相關(guān),2000年之后為同步相關(guān)。1977年到2000年間,PDO變化有兩次極大值(圖6中藍(lán)色實(shí)線),西(東)太平洋中高緯度站點(diǎn)海平面年代際變化也表現(xiàn)出相對應(yīng)的兩個(gè)極小(大)值,由此可見太平洋海平面年代際變化受PDO影響顯著。比較圖5,7可見太平洋中高緯地區(qū)的驗(yàn)潮站海平面與PDO的相關(guān)性大于低緯度地區(qū),由此可見北太平洋中緯度地區(qū)海平面變化受北太平洋年代際震蕩的影響更為顯著。海平面年代際變化的這種空間分布和時(shí)間演變特征與PDO模的時(shí)空演變有關(guān)。Cazenave等的研究表明,1993—2008年衛(wèi)星高度計(jì)觀測的海平面變化趨勢在熱帶西太平洋上升、熱帶東太平洋下降,1993—2003年的熱容海平面趨勢在熱帶太平洋有相似的空間分布。然而,1953—2003年50a的熱容海平面變化趨勢的空間分布與上面的結(jié)論相反,即1953—2003年的50a間,熱容海平面變化趨勢在熱帶西太平洋下降,熱帶東太平洋上升。為探求這種截然相反結(jié)果的原因,本文分析了比容海平面和重構(gòu)場的年代際變化在1993年之后的10a多時(shí)間內(nèi)的變化。圖7為熱帶東西太平洋重構(gòu)的海面高度與比容海面高度的年代際變化于1993—2003年間的變化趨勢。在熱帶西太平洋,比容海面高度和重構(gòu)場的年代際變化在后10a間都表現(xiàn)為上升趨勢(上升速率分別為0.54和0.4mm/a),而東太平洋則顯著下降(下降速率分別為-0.35和-0.46mm/a)。正是這種年代際變化對Cazenave15a的海平面趨勢的預(yù)測產(chǎn)生重大影響,導(dǎo)致了完全相反的海平面變化趨勢,從而影響結(jié)果的準(zhǔn)確性。因此年代際變化對海平面長期趨勢項(xiàng)的預(yù)測有直接而重大的影響,有可能導(dǎo)致完全相反的趨勢項(xiàng)結(jié)果。6海平面年代際變化與pdo指數(shù)的關(guān)系隨時(shí)間演變特征,其與中、東太平洋地區(qū)驗(yàn)潮站海平面總體呈上升趨勢,其平均速率為1.4mm/a,升降速率的大小在空間上分布極不平衡,呈現(xiàn)出西部上升快、東北部主要為下降的區(qū)域分布特征,少數(shù)站點(diǎn)表現(xiàn)出極大的上升或下降趨勢。太平洋海平面有明顯的年際和年代際變化特征。ENSO是影響海平面年際變化的主要因素,二者在西(東)太平洋表現(xiàn)為負(fù)(正)相關(guān)。ENSO對低緯度地區(qū)海平面的影響較大,隨著緯度的升高影響有所減弱。海平面年代際變化與PDO指數(shù)在西(東)太平洋為負(fù)(正)相關(guān),且由低緯到中高緯,二者