第31卷 第1期
2009年1月
海 洋 学 报
AC TA OCEANOLO GICA SIN ICA
Vol 131, No 11J anuary 2009
太平洋海平面变化特征及影响因素分析
顾小丽1, 李培良13
(11中国海洋大学物理海洋实验室, 山东青岛266100)
摘要:T/P 高度计
资料、Church (2004) 重构SSH 资料、Ishii (2005) , 、年代际变化以及资料长度内海平面变化趋势, 114mm/a , 影响, ((正) 相关, 海平面年际变化与Nino3指, 并随着纬度升高相关性减弱, 且不同地区年际变化有滞后ENSO 。海平面年际变化与PDO 指数在西(东) 太平洋为负(正) 相关, 海平面与PDO 的相关性分布有区域性和随时间演变特征。年代际变化对目前使用卫星高度计资料分析海平面长期趋势项的预测有直接影响, 可能完全掩盖海平面长期变化趋势。关键词:海平面变化; 年际变化; 年代际震荡; ENSO
中图分类号:P731 文献标识码:A
文章编号:025324193(2009) 0120028209
1 引言
海平面是上层海水特征和海洋环流的重要指示, 海平面的变化对海洋大气系统以及人类的生产生活都有着重要影响。近年来由于温室效应加剧, 导致的海平面加速上升, 使海平面变化成为社会关注的焦点问题。太平洋海平面变化受其特有的地理环境、海气相互作用、全球变暖大背景等因素的影响, 表现出特殊的规律和特征。
近年来中外学者利用验潮站资料、卫星高度计资料对海平面长期变化趋势进行了深入的研究[1-4]。研究结果表明, 太平洋海平面在过去十几到几十年间总体趋势是上升的, 且在近十几年有加速上升的现象, 海平面长期变化趋势有显著的区域性分布特征[5], 而海平面的年际和年代际变化对使用短期资料(特别是卫星高度计资料) 分析海平面的
收稿日期:2008208218; 修订日期:2008212230。
长期变化趋势有显著的影响。
Daniel 等[6],Wu 等[7],Albert 等[8]的研究表明太平洋地区的气候演变有明显年际、年代际变化特征。这种年际和年代际变化在海温场、大气压强、大气环流等方面都有显著表现, 对季风和降水有重大影响[9]。研究表明太平洋年际变率与ENSO 相关[10-12], 年代际变化与PDO 有关[8-9]。Smit h [13], Han 等[14], Y oshi 等[15]的研究表明热带太平洋海平面也存在显著的年际和年代际变化, 而ENSO 和PDO 是海平面年际和年代际变化的重要影响因素[16]。作为高频变化的重要背景, 海平面年代际变化对高频变化有重要的调制作用。而年际和年代际变化影响着海平面低频变化和长期趋势的预测。吕俊梅等[17]、Albert 等[8]认为PDO 在热带太平洋的叠加使ENSO 循环表现出年代际的低频震荡特征, 该调制作用是近年来ENSO 现象频发、强度较大的
资助项目:教育部科学技术重点项目(108159) ; 国家自然科学基金资助项目(40506006; 40676013) ; 国家重点基础研究发展计划资助项目
(2007CB411807) ; 国家高技术研究发展计划(“863”计划) 资助项目(2007AA0912012) 。
) , 女, 江苏省宿迁市人, 在读硕士, 从事海平面变化研究。E 2mail :ccho.dgl @gmail.com 作者简介:顾小丽(1984—
) , 博士, 副教授。E 2mail :lpliang@ouc. edu. cn 3通讯作者:李培良(1975—
1期 顾小丽等:太平洋海平面变化特征及影响因素分析29
重要因素。Cazenave 等[18]利用最近15a 的高度计资料得到热带西太平洋海平面有显著的上升趋势, 而热带东太平洋下降明显, 该结果与过去50a 的热比容高度分布相反, 太平洋海平面年代际震荡的空间分布[19]是影响这一结果的重要因素。因而, 海平面年代际变化对海平面长期趋势项的准确预测有非常大的影响, 对其深入的研究有重要意义。
本文利用经验模态分解(EMD ) [20-21]方法处理PSMSL (Permanent Service for Mean Sea Level ) 的验潮站资料, 研究太平洋地区海平面长期变化趋势, 海平面年际、年代际变化的分布特征、主要影响因素以及年代际变化对海平面变化趋势的影响。
) (图中蓝色W ) , 西太平洋(10°S —10°N ,140°E —180°
长方形区) 作为计算重构海面高度和比容海平面在热
带太平洋东、西区域平均的范围。为研究海平面的年际和年代际变化, 对海平面时间序列取距平, 然后进行35个月或10a 的低通滤波。计算比容海面高度的温度场为1945-2003年Ishii (2005) 月均三维海温资料, 空间分辨率为1°×1°。采用Church (2004) CSIRO 提供的海表高度重构资料, 空间分辨率为1°×1°。海面高度资料为1993-2007年共15a 的T/P 和Jason1联合高度计资料。取Nino3指数代表ENSO 现象的海洋效应(http ://cpc. ncep. noaa. gov/) http ://jisao. wash 21EMD 方法的基本思路是:如果一个原始的数据
2 资料来源及数据处理
211 资料来源
验潮站资料为年均海面RLR (revised local ) , 文中选取了太平洋海区27a 以上的240个站点的资料, 站点分布见图1。计算比容海面高度的温度场为1945—2003年Ishii (2005) 月均三维海温资料, 空间分辨率为1°×1°。采用Church (2004) CSIRO (the Commonwealth Scien 2tific and Industrial Research Organisation ) 提供的海表高度重构资料, 空间分辨率为1°×1°。海面高度资料为1993—2007年共15a 的T/P 和Jasonl 联合高度计资料。取Nino3指数代表ENSO 现象的海洋效应(http ://www. cpc. ncep. noaa. gov/data/indices/) , PDO 指数来源于http ://jisao. washington. edu/pdo/PDO. latest 。选取东太平洋(10°S —10°N ,80°～120°
序列x (t ) 中极大值或极小值点的数目比上跨零点
或下跨零点的数目多两个或两个以上, 那就对该数列进行平稳化处理, 产生一系列具有不同特征尺度的数据序列, 称固有模态函数(int rinsic mode f unc 2tion ) 。EMD 分解为一个从高频到低频的极值筛选过程, 分解得原始数据的一系列IM F 分量c 1, c 2, c 3, …, c n 与原数据序列的关系如下:
n
x (t ) =
t =1
c ∑
t
+r n , (1)
式中, r n (t ) 为原始数据序列整个时间范围内的固有
适定单调函数, 或是最多一个极值的函数, 称为总体自适定趋势[21], 以下文中提到的趋势项都指该总体自适定趋势
。
图1 太平洋验潮站海平面变化趋势分布
蓝色长方形区域为热带东、西太平洋区域平均范围; 暖色系点为海平面上升站点, 冷色系点为海平面下降站点
30海洋学报 31卷
3 太平洋海平面长期趋势变化特征
EMD 方法可以很好的提取时间序列的非线性
变化趋势, 本文对太平洋沿岸的240个验潮站资料作EMD 分解, 得到各点海平面变化趋势。太平洋
地区海平面总体呈上升趋势, 其速率平均值为114mm/a , 与Church 等[1]全球海平面在过去50～100a 间上升速率约1～2mm/a 的结论较一致。各个站点的长期变化趋势空间分布极不平衡, 呈现出西部上升快、东部上升不显著的区域分布特征(见图1) 。一半以上(约57%) 的站点海平面变化趋势在-2和2mm/a 之间, 而少数站点表现出极大的上
在年际变化特征(图2,3中蓝色实线, 其他未画出站点也有类似的特征) , 年际变化的振幅可达150mm 。网格点上和区域平均的重构海表高度[24]也表现出年际变化特征(图略) , 由此可见, 太平洋海平面有明显的年际变化特征。海平面的年际变化与ENSO 的发生发展关系密切[16]。
图2为热带太平洋验潮站海平面变化与Nino3指数的关系, 其中图2a -d 为热带西太平洋站点, 图2e -h 为热带东太平洋站点, 图中数据均经35个月的低通滤波处理。由图可见热带西太平洋海平面与Nino3指数负相关, -0191。指数同步相关, 不同(0142～0187之间) 。Nino3指数呈现出东(西) 太(负) 相关的关系, 东、西区域平均(图1蓝线区域) 的Church 等[24]重构海表面高度资料与Nino3指数也有相似的相关性。Church 等[24]重构
升或下降趋势。
西太平洋区域平均趋势的线值1190mm/a 。中高纬(平均趋势为2117S —) 海平面平均趋势为2133a 平均, 上升站多于下降站点。朝鲜半岛、日本群岛附近海平面升降趋势较复杂, 大部分站点海平面上升, 日本东部由于受黑潮及其延伸体以及陆地沉降等因素的影响海平面上升很快, 个别站点受地壳运动影响表现为下降。中低纬暖池附近海域海平面上升趋势比较显著, 这与赤道西太平洋存在的海面高度变化速率的高值中心相吻合[22]。澳大利亚附近海区下降站点居多, 且由于站点稀疏, 海面变化趋势代表性不强, 很难反应总体特征。
东太平洋海域海平面上升趋势不明显, 其区域平均约0120mm/a 。北部中高纬地区总体趋势在下降, 平均年变率约-0143mm/a , 这与该区域地壳上升有关[23]。处于高纬的阿拉斯加和阿留申地区海平面下降尤为显著, 区域平均达-2113mm/a , 是验潮站海平面下降最大地区, 太平洋验潮站海平面下降的极大值点几乎都分布于该区。东太平洋中低纬地区平均海平面变化速率为1191mm/a , 由于此区站点较稀疏、区域范围较大, 平均变化趋势代表性不佳。南美沿岸验潮站较少, 但大都表现为下降趋势。
海面高度资料(见图4中蓝色和黑色线) 在热带西(东) 太平洋与ENSO 负(正) 相关为0178(-0178) 。图2—5都表现出在强ENSO 年海平面与Nino3指数相关更为明显、海平面变化振幅增大的特征, 其最大振幅差可达300mm 。由此可见, ENSO 对热带太平洋海平面的年际变化影响显著。
图3为北太平洋中高纬度验潮站海平面年际变化与Nino3指数的关系, 其中图3a -d 为西太平洋站点, 图3e -h 为东太平洋站点。与热带太平洋相似, 西(东) 太平洋中高纬地区海平面年际变化与Nino3指数负(正) 相关, 然而二者的相关性远小于热带地区, 相关系数在-012到-0154(0160～0182) 之间, 且海平面年际变化表现出滞后Nino3指数1个月到1a 不等的相关。比较图2、图3不难看出, 中高纬度地区验潮站海平面的年际变化强度小于热带低纬度地区, 热带太平洋地区年际变化振幅可达140mm , 而中高纬站点的年际变化振幅不到100mm 。由此可见, 海平面的年际变化在热带地区更为显著,ENSO 对低纬度地区的影响较大, 随纬度升高, 影响减弱。在中高纬度海区, 海平面变化与ENSO 的发生发展表现出一定的超前滞后关系。
4 太平洋海平面年际变化特征
由于南太平洋站点较少, 将以20°S 以北海区作进一步研究, 另外由于验潮站较多难以一一画出, 本文将取部分有代表性的站点绘图。将验潮站资料进行35个月的低通滤波, 可见太平洋验潮站海平面存
5 太平洋海平面年代际变化特征
由图3验潮站资料可看出在年际变化曲线上叠加有年代际变化的信号, 其中以图3a ,c ,f ,g ,h 尤为明显, 振幅可达到50mm 。
1期 顾小丽等:太平洋海平面变化特征及影响因素分析31
众多观测和研究结果显示1977年前后北太平洋气候出现一次显著突变, 该现象引起了学者对年代际变化的认识。由于太平洋年代际涛动对气候的影响、对ENSO 循环的调制作用以及对海平面长期趋势项的影响[6,8], 年代际变化受到越来越多的关注。吕俊梅等[17]的研究表明PDO 是太平洋地区年代际变化的主导模态(图5,7中的蓝色实线) , ENSO 现象因受PDO 的调制作用, 表现出年代际变化特征(图5,7中的青色虚线) 。太平洋海平面变化有明显的年代际特征, 该年代际变化在验潮站资料(图5, 图6中红色实线) 、重构的海表高度资料(图7蓝色实线) 和比容海面高度(图7红色实线) 中均有反映。对于验潮站资料, 年代际变化振幅可达50mm , 代际振幅也达25mm 。
, 图5
为热带太平洋验潮站海平面年代际变化与PDO 指数的关系, 图中a -d 站点位于西太平洋沿岸,e -h 站位于东太平洋沿岸, 数据均经十年低通滤波处理。由图可见, 热带西太平洋海平面年代际变化与PDO 指数表现为负相关, 且部分地区海平面有滞后PDO 指数约1a 的最大负相关。热带东太平洋海平面年代际变化与PDO 指数为显著正相关(图5e -h ) , 部分地区出现前者滞后后者一年左右的最大正
相关。热带太平洋地区重构的海面高度场和比容海平面也有与PDO 相关的年代际变化现象(见图7) , 且对于重构场, PDO 一年左右, () (正) 相关。这说明PDO 一年左右。由于卫, 难以分辨年代际变化, 在此不作分析
。
图2 热带太平洋(25°S —25°N ) 验潮站海平面年际变化a sl 与Nino3指数(i ni )
蓝色实线为验潮站海平面变化, 红色虚线为Nino3指数。图中a ,b ,c 、d 位于热带西太平洋(站点经纬度依次为
13109°N ,123145°E ;10118°N ,123155°E ;9131°N ,138108°E ;8144°N ,167144°E ) ;e ,f ,g ,h 位于热带东太平洋(站
点经纬度依次为8158°N ,79134°W ;2112°N ,80155°W ;0145°N ,90119°W ;23138°N ,70124°W )
32海洋学报 31卷
图6为北太平洋中高纬地区验潮站海平面年代
际变化与PDO 的关系, 图中a -d 站点位于西北太平洋沿岸,e -h 站位于东北太平洋沿岸。由图可见, 西(东) 北太平洋海平面年代际变化与PDO 指数表现为显著的负(正) 相关, 二者的相关系数可达-0150(0190) 。验潮站海平面的年代际变化与PDO 的相关性有区域性分布和随时间演变的特征:不同
地区二者相关性大小不同, 不同时期海平面超前、滞后PDO 的关系不同。总体上, 西太平洋海平面年代际变化与PDO 指数呈反相变化; 然而在中国沿海和日本海附近站点二者负相关不显著, 年代际变化强度较小(振幅在40mm 以下) , 这些地区海平面变化可能还受其它因素的影响; 在韩国和北海道附近站点甚至表现为前者滞后后者一年左右的正相关。日
1期 顾小丽等:太平洋海平面变化特征及影响因素分析33
34海洋学报 31卷
本太平洋沿岸站点海平面的年代际变化随纬度变
化,35°N 以北(南) 海平面年代际变化超前(滞后) PDO 指数1a 左右达最大正(负) 相关。东太平洋
的阿拉斯加地区, 海平面年代际变化振幅20～40mm , 主要表现为超前PDO 指数一年左右的最
升、热带东太平洋下降,1993—2003年的热容海平
面趋势在热带太平洋有相似的空间分布。然而, 1953—2003年50a 的热容海平面变化趋势的空间分布与上面的结论相反, 即1953—2003年的50a 间, 热容海平面变化趋势在热带西太平洋下降, 热带东太平洋上升。为探求这种截然相反结果的原因, 本文分析了比容海平面和重构场的年代际变化在1993年之后的10a 多时间内的变化。
图7为热带东西太平洋重构的海面高度与比容海面高度的年代际变化于1993—2003年间的变化趋势。在热带西太平洋, (上升01) , 而东太平洋则显为-0135和-0146mm/a ) 。正是这种年代际变化对Cazenave [18]15a 的海平面趋势的预测产生重大影响, 导致了完全相反的海平面变化趋势, 从而影响结果的准确性。因此年代际变化对海平面长期趋势项的预测有直接而重大的影响, 有可能导致完全相反的趋势项结果
。
大正相关, 向南二者总体为正相关, 振幅增大, 于2000年之前前者超前后者5个月左右的达最大正相关,2000年之后为同步相关。1977年到2000年间, PDO 变化有两次极大值(图6中蓝色实线) , 西(东) 太平洋中高纬度站点海平面年代际变化也表现出相对应的两个极小(大) 值, 由此可见太平洋海平面年代际变化受PDO 影响显著。比较图5,7可见太平洋中高纬地区的验潮站海平面与PDO 的相关性大于低纬度地区, 的影响更为显著分布和时间演变特模的时空演变[25]有关。
Cazenave 等[18]的研究表明, 1993—2008年卫星高度计观测的海平面变化趋势在热带西太平洋上
图7 重构的海平面年代际变化(蓝色实线) 于1993—2002年间的趋势项变化和比容
海面高度(红色实线) 于1993—2003年间的趋势项变化
a 为热带西太平洋,b 为热带东太平洋。蓝色虚线为重构海平面后10a 趋势, 红色虚线为比容海
平面后11a 趋势。图中资料经10a 低通滤波
1期 顾小丽等:太平洋海平面变化特征及影响因素分析35
6 小结
太平洋地区验潮站海平面总体呈上升趋势, 其平均速率为114mm/a , 升降速率的大小在空间上分布极不平衡, 呈现出西部上升快、东北部主要为下降的区域分布特征, 少数站点表现出极大的上升或下降趋势。
太平洋海平面有明显的年际和年代际变化特征。ENSO 是影响海平面年际变化的主要因素, 二者在西(东) 太平洋表现为负(正) 相关。ENSO 对低纬度地区海平面的影响较大, 随着纬度的升高影响有所减弱。海平面年代际变化与PDO 指数在西(东) 太平洋为负(正) 相关, 且由低纬到中高纬, 二者
的相关性增大。PDO 对北太平洋中高纬地区海平面的影响大于热带地区。海平面与PDO 的相关性有区域分布特征和随时间演变特征:不同地区二者相关性大小不同, 不同时期海平面超前、滞后PDO 的关系不同。中国和日本海附近海平面年代际变化可能还受其他因素影响, 日本太平洋沿岸海平面年代际变化在35°N 以南(北) 海平面年代际变化滞后(超前) PDO 指数1a 左右达最大负(正) 相关。由南向北, 东太平洋海平面年代际变化超前PDO 达到最大正相关的时间由5个月增大到1a 左右。年代际, 参考文献:
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Pacif ic sea level variations its (11L , Universit y of China , Qing dao 266100, China )
Abstract :Decompo sing mo nt hly sea level data at tide gauges along t he coast of t he Pacific Ocean in t he EMD met hod , and combining wit h ot her data , t he Pacific Ocean sea level πs interannual and decadal o scilla 2tion were in vestigatel , as well as information on t he sea level t rends 1Overall , t he Pacific Ocean coastal sea level rises , wit h an average rate in 114mm/a , and shows highly non 2uniform properties in geograp hy 1There are obvious interannual and decadal variability at t he Pacific sea level 1The interannual variations of t he Pacific Ocean sea level o scillations are significantly affected by t he ENSO 1In t he east Pacific Ocean t he interannual sea level variability and Nino3index are po sitive correlation , while negative correlations in t he west Pacific Ocean 1The correlation between bot h is significant in t he tropical Pacific Ocean , and t he corre 2lation is weakened wit h latit ude increasing 1At different areas t his correlation coefficient is different 1In t he west (east ) Pacific Ocean sea level decadal variation performs significant negative (positive ) correlation wit h t he PDO index overall 1The correlation between t hem is non 2uniform geograp hically and evolves wit h time 1Sea level decadal changes could lead to exactly t he oppo site sea level t rend , due to decadal variation direct impact on t he t rends 1
K ey w ords :sea level variations ; interannual variatio n ; decadal o scillation ; ENSO
第31卷 第1期
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1 引言
海平面是上层海水特征和海洋环流的重要指示, 海平面的变化对海洋大气系统以及人类的生产生活都有着重要影响。近年来由于温室效应加剧, 导致的海平面加速上升, 使海平面变化成为社会关注的焦点问题。太平洋海平面变化受其特有的地理环境、海气相互作用、全球变暖大背景等因素的影响, 表现出特殊的规律和特征。
近年来中外学者利用验潮站资料、卫星高度计资料对海平面长期变化趋势进行了深入的研究[1-4]。研究结果表明, 太平洋海平面在过去十几到几十年间总体趋势是上升的, 且在近十几年有加速上升的现象, 海平面长期变化趋势有显著的区域性分布特征[5], 而海平面的年际和年代际变化对使用短期资料(特别是卫星高度计资料) 分析海平面的
收稿日期:2008208218; 修订日期:2008212230。
长期变化趋势有显著的影响。
Daniel 等[6],Wu 等[7],Albert 等[8]的研究表明太平洋地区的气候演变有明显年际、年代际变化特征。这种年际和年代际变化在海温场、大气压强、大气环流等方面都有显著表现, 对季风和降水有重大影响[9]。研究表明太平洋年际变率与ENSO 相关[10-12], 年代际变化与PDO 有关[8-9]。Smit h [13], Han 等[14], Y oshi 等[15]的研究表明热带太平洋海平面也存在显著的年际和年代际变化, 而ENSO 和PDO 是海平面年际和年代际变化的重要影响因素[16]。作为高频变化的重要背景, 海平面年代际变化对高频变化有重要的调制作用。而年际和年代际变化影响着海平面低频变化和长期趋势的预测。吕俊梅等[17]、Albert 等[8]认为PDO 在热带太平洋的叠加使ENSO 循环表现出年代际的低频震荡特征, 该调制作用是近年来ENSO 现象频发、强度较大的
资助项目:教育部科学技术重点项目(108159) ; 国家自然科学基金资助项目(40506006; 40676013) ; 国家重点基础研究发展计划资助项目
(2007CB411807) ; 国家高技术研究发展计划(“863”计划) 资助项目(2007AA0912012) 。
) , 女, 江苏省宿迁市人, 在读硕士, 从事海平面变化研究。E 2mail :ccho.dgl @gmail.com 作者简介:顾小丽(1984—
) , 博士, 副教授。E 2mail :lpliang@ouc. edu. cn 3通讯作者:李培良(1975—
1期 顾小丽等:太平洋海平面变化特征及影响因素分析29
重要因素。Cazenave 等[18]利用最近15a 的高度计资料得到热带西太平洋海平面有显著的上升趋势, 而热带东太平洋下降明显, 该结果与过去50a 的热比容高度分布相反, 太平洋海平面年代际震荡的空间分布[19]是影响这一结果的重要因素。因而, 海平面年代际变化对海平面长期趋势项的准确预测有非常大的影响, 对其深入的研究有重要意义。
本文利用经验模态分解(EMD ) [20-21]方法处理PSMSL (Permanent Service for Mean Sea Level ) 的验潮站资料, 研究太平洋地区海平面长期变化趋势, 海平面年际、年代际变化的分布特征、主要影响因素以及年代际变化对海平面变化趋势的影响。
) (图中蓝色W ) , 西太平洋(10°S —10°N ,140°E —180°
长方形区) 作为计算重构海面高度和比容海平面在热
带太平洋东、西区域平均的范围。为研究海平面的年际和年代际变化, 对海平面时间序列取距平, 然后进行35个月或10a 的低通滤波。计算比容海面高度的温度场为1945-2003年Ishii (2005) 月均三维海温资料, 空间分辨率为1°×1°。采用Church (2004) CSIRO 提供的海表高度重构资料, 空间分辨率为1°×1°。海面高度资料为1993-2007年共15a 的T/P 和Jason1联合高度计资料。取Nino3指数代表ENSO 现象的海洋效应(http ://cpc. ncep. noaa. gov/) http ://jisao. wash 21EMD 方法的基本思路是:如果一个原始的数据
2 资料来源及数据处理
211 资料来源
验潮站资料为年均海面RLR (revised local ) , 文中选取了太平洋海区27a 以上的240个站点的资料, 站点分布见图1。计算比容海面高度的温度场为1945—2003年Ishii (2005) 月均三维海温资料, 空间分辨率为1°×1°。采用Church (2004) CSIRO (the Commonwealth Scien 2tific and Industrial Research Organisation ) 提供的海表高度重构资料, 空间分辨率为1°×1°。海面高度资料为1993—2007年共15a 的T/P 和Jasonl 联合高度计资料。取Nino3指数代表ENSO 现象的海洋效应(http ://www. cpc. ncep. noaa. gov/data/indices/) , PDO 指数来源于http ://jisao. washington. edu/pdo/PDO. latest 。选取东太平洋(10°S —10°N ,80°～120°
序列x (t ) 中极大值或极小值点的数目比上跨零点
或下跨零点的数目多两个或两个以上, 那就对该数列进行平稳化处理, 产生一系列具有不同特征尺度的数据序列, 称固有模态函数(int rinsic mode f unc 2tion ) 。EMD 分解为一个从高频到低频的极值筛选过程, 分解得原始数据的一系列IM F 分量c 1, c 2, c 3, …, c n 与原数据序列的关系如下:
n
x (t ) =
t =1
c ∑
t
+r n , (1)
式中, r n (t ) 为原始数据序列整个时间范围内的固有
适定单调函数, 或是最多一个极值的函数, 称为总体自适定趋势[21], 以下文中提到的趋势项都指该总体自适定趋势
。
图1 太平洋验潮站海平面变化趋势分布
蓝色长方形区域为热带东、西太平洋区域平均范围; 暖色系点为海平面上升站点, 冷色系点为海平面下降站点
30海洋学报 31卷
3 太平洋海平面长期趋势变化特征
EMD 方法可以很好的提取时间序列的非线性
变化趋势, 本文对太平洋沿岸的240个验潮站资料作EMD 分解, 得到各点海平面变化趋势。太平洋
地区海平面总体呈上升趋势, 其速率平均值为114mm/a , 与Church 等[1]全球海平面在过去50～100a 间上升速率约1～2mm/a 的结论较一致。各个站点的长期变化趋势空间分布极不平衡, 呈现出西部上升快、东部上升不显著的区域分布特征(见图1) 。一半以上(约57%) 的站点海平面变化趋势在-2和2mm/a 之间, 而少数站点表现出极大的上
在年际变化特征(图2,3中蓝色实线, 其他未画出站点也有类似的特征) , 年际变化的振幅可达150mm 。网格点上和区域平均的重构海表高度[24]也表现出年际变化特征(图略) , 由此可见, 太平洋海平面有明显的年际变化特征。海平面的年际变化与ENSO 的发生发展关系密切[16]。
图2为热带太平洋验潮站海平面变化与Nino3指数的关系, 其中图2a -d 为热带西太平洋站点, 图2e -h 为热带东太平洋站点, 图中数据均经35个月的低通滤波处理。由图可见热带西太平洋海平面与Nino3指数负相关, -0191。指数同步相关, 不同(0142～0187之间) 。Nino3指数呈现出东(西) 太(负) 相关的关系, 东、西区域平均(图1蓝线区域) 的Church 等[24]重构海表面高度资料与Nino3指数也有相似的相关性。Church 等[24]重构
升或下降趋势。
西太平洋区域平均趋势的线值1190mm/a 。中高纬(平均趋势为2117S —) 海平面平均趋势为2133a 平均, 上升站多于下降站点。朝鲜半岛、日本群岛附近海平面升降趋势较复杂, 大部分站点海平面上升, 日本东部由于受黑潮及其延伸体以及陆地沉降等因素的影响海平面上升很快, 个别站点受地壳运动影响表现为下降。中低纬暖池附近海域海平面上升趋势比较显著, 这与赤道西太平洋存在的海面高度变化速率的高值中心相吻合[22]。澳大利亚附近海区下降站点居多, 且由于站点稀疏, 海面变化趋势代表性不强, 很难反应总体特征。
东太平洋海域海平面上升趋势不明显, 其区域平均约0120mm/a 。北部中高纬地区总体趋势在下降, 平均年变率约-0143mm/a , 这与该区域地壳上升有关[23]。处于高纬的阿拉斯加和阿留申地区海平面下降尤为显著, 区域平均达-2113mm/a , 是验潮站海平面下降最大地区, 太平洋验潮站海平面下降的极大值点几乎都分布于该区。东太平洋中低纬地区平均海平面变化速率为1191mm/a , 由于此区站点较稀疏、区域范围较大, 平均变化趋势代表性不佳。南美沿岸验潮站较少, 但大都表现为下降趋势。
海面高度资料(见图4中蓝色和黑色线) 在热带西(东) 太平洋与ENSO 负(正) 相关为0178(-0178) 。图2—5都表现出在强ENSO 年海平面与Nino3指数相关更为明显、海平面变化振幅增大的特征, 其最大振幅差可达300mm 。由此可见, ENSO 对热带太平洋海平面的年际变化影响显著。
图3为北太平洋中高纬度验潮站海平面年际变化与Nino3指数的关系, 其中图3a -d 为西太平洋站点, 图3e -h 为东太平洋站点。与热带太平洋相似, 西(东) 太平洋中高纬地区海平面年际变化与Nino3指数负(正) 相关, 然而二者的相关性远小于热带地区, 相关系数在-012到-0154(0160～0182) 之间, 且海平面年际变化表现出滞后Nino3指数1个月到1a 不等的相关。比较图2、图3不难看出, 中高纬度地区验潮站海平面的年际变化强度小于热带低纬度地区, 热带太平洋地区年际变化振幅可达140mm , 而中高纬站点的年际变化振幅不到100mm 。由此可见, 海平面的年际变化在热带地区更为显著,ENSO 对低纬度地区的影响较大, 随纬度升高, 影响减弱。在中高纬度海区, 海平面变化与ENSO 的发生发展表现出一定的超前滞后关系。
4 太平洋海平面年际变化特征
由于南太平洋站点较少, 将以20°S 以北海区作进一步研究, 另外由于验潮站较多难以一一画出, 本文将取部分有代表性的站点绘图。将验潮站资料进行35个月的低通滤波, 可见太平洋验潮站海平面存
5 太平洋海平面年代际变化特征
由图3验潮站资料可看出在年际变化曲线上叠加有年代际变化的信号, 其中以图3a ,c ,f ,g ,h 尤为明显, 振幅可达到50mm 。
1期 顾小丽等:太平洋海平面变化特征及影响因素分析31
众多观测和研究结果显示1977年前后北太平洋气候出现一次显著突变, 该现象引起了学者对年代际变化的认识。由于太平洋年代际涛动对气候的影响、对ENSO 循环的调制作用以及对海平面长期趋势项的影响[6,8], 年代际变化受到越来越多的关注。吕俊梅等[17]的研究表明PDO 是太平洋地区年代际变化的主导模态(图5,7中的蓝色实线) , ENSO 现象因受PDO 的调制作用, 表现出年代际变化特征(图5,7中的青色虚线) 。太平洋海平面变化有明显的年代际特征, 该年代际变化在验潮站资料(图5, 图6中红色实线) 、重构的海表高度资料(图7蓝色实线) 和比容海面高度(图7红色实线) 中均有反映。对于验潮站资料, 年代际变化振幅可达50mm , 代际振幅也达25mm 。
, 图5
为热带太平洋验潮站海平面年代际变化与PDO 指数的关系, 图中a -d 站点位于西太平洋沿岸,e -h 站位于东太平洋沿岸, 数据均经十年低通滤波处理。由图可见, 热带西太平洋海平面年代际变化与PDO 指数表现为负相关, 且部分地区海平面有滞后PDO 指数约1a 的最大负相关。热带东太平洋海平面年代际变化与PDO 指数为显著正相关(图5e -h ) , 部分地区出现前者滞后后者一年左右的最大正
相关。热带太平洋地区重构的海面高度场和比容海平面也有与PDO 相关的年代际变化现象(见图7) , 且对于重构场, PDO 一年左右, () (正) 相关。这说明PDO 一年左右。由于卫, 难以分辨年代际变化, 在此不作分析
。
图2 热带太平洋(25°S —25°N ) 验潮站海平面年际变化a sl 与Nino3指数(i ni )
蓝色实线为验潮站海平面变化, 红色虚线为Nino3指数。图中a ,b ,c 、d 位于热带西太平洋(站点经纬度依次为
13109°N ,123145°E ;10118°N ,123155°E ;9131°N ,138108°E ;8144°N ,167144°E ) ;e ,f ,g ,h 位于热带东太平洋(站
点经纬度依次为8158°N ,79134°W ;2112°N ,80155°W ;0145°N ,90119°W ;23138°N ,70124°W )
32海洋学报 31卷
图6为北太平洋中高纬地区验潮站海平面年代
际变化与PDO 的关系, 图中a -d 站点位于西北太平洋沿岸,e -h 站位于东北太平洋沿岸。由图可见, 西(东) 北太平洋海平面年代际变化与PDO 指数表现为显著的负(正) 相关, 二者的相关系数可达-0150(0190) 。验潮站海平面的年代际变化与PDO 的相关性有区域性分布和随时间演变的特征:不同
地区二者相关性大小不同, 不同时期海平面超前、滞后PDO 的关系不同。总体上, 西太平洋海平面年代际变化与PDO 指数呈反相变化; 然而在中国沿海和日本海附近站点二者负相关不显著, 年代际变化强度较小(振幅在40mm 以下) , 这些地区海平面变化可能还受其它因素的影响; 在韩国和北海道附近站点甚至表现为前者滞后后者一年左右的正相关。日
1期 顾小丽等:太平洋海平面变化特征及影响因素分析33
34海洋学报 31卷
本太平洋沿岸站点海平面的年代际变化随纬度变
化,35°N 以北(南) 海平面年代际变化超前(滞后) PDO 指数1a 左右达最大正(负) 相关。东太平洋
的阿拉斯加地区, 海平面年代际变化振幅20～40mm , 主要表现为超前PDO 指数一年左右的最
升、热带东太平洋下降,1993—2003年的热容海平
面趋势在热带太平洋有相似的空间分布。然而, 1953—2003年50a 的热容海平面变化趋势的空间分布与上面的结论相反, 即1953—2003年的50a 间, 热容海平面变化趋势在热带西太平洋下降, 热带东太平洋上升。为探求这种截然相反结果的原因, 本文分析了比容海平面和重构场的年代际变化在1993年之后的10a 多时间内的变化。
图7为热带东西太平洋重构的海面高度与比容海面高度的年代际变化于1993—2003年间的变化趋势。在热带西太平洋, (上升01) , 而东太平洋则显为-0135和-0146mm/a ) 。正是这种年代际变化对Cazenave [18]15a 的海平面趋势的预测产生重大影响, 导致了完全相反的海平面变化趋势, 从而影响结果的准确性。因此年代际变化对海平面长期趋势项的预测有直接而重大的影响, 有可能导致完全相反的趋势项结果
。
大正相关, 向南二者总体为正相关, 振幅增大, 于2000年之前前者超前后者5个月左右的达最大正相关,2000年之后为同步相关。1977年到2000年间, PDO 变化有两次极大值(图6中蓝色实线) , 西(东) 太平洋中高纬度站点海平面年代际变化也表现出相对应的两个极小(大) 值, 由此可见太平洋海平面年代际变化受PDO 影响显著。比较图5,7可见太平洋中高纬地区的验潮站海平面与PDO 的相关性大于低纬度地区, 的影响更为显著分布和时间演变特模的时空演变[25]有关。
Cazenave 等[18]的研究表明, 1993—2008年卫星高度计观测的海平面变化趋势在热带西太平洋上
图7 重构的海平面年代际变化(蓝色实线) 于1993—2002年间的趋势项变化和比容
海面高度(红色实线) 于1993—2003年间的趋势项变化
a 为热带西太平洋,b 为热带东太平洋。蓝色虚线为重构海平面后10a 趋势, 红色虚线为比容海
平面后11a 趋势。图中资料经10a 低通滤波
1期 顾小丽等:太平洋海平面变化特征及影响因素分析35
6 小结
太平洋地区验潮站海平面总体呈上升趋势, 其平均速率为114mm/a , 升降速率的大小在空间上分布极不平衡, 呈现出西部上升快、东北部主要为下降的区域分布特征, 少数站点表现出极大的上升或下降趋势。
太平洋海平面有明显的年际和年代际变化特征。ENSO 是影响海平面年际变化的主要因素, 二者在西(东) 太平洋表现为负(正) 相关。ENSO 对低纬度地区海平面的影响较大, 随着纬度的升高影响有所减弱。海平面年代际变化与PDO 指数在西(东) 太平洋为负(正) 相关, 且由低纬到中高纬, 二者
的相关性增大。PDO 对北太平洋中高纬地区海平面的影响大于热带地区。海平面与PDO 的相关性有区域分布特征和随时间演变特征:不同地区二者相关性大小不同, 不同时期海平面超前、滞后PDO 的关系不同。中国和日本海附近海平面年代际变化可能还受其他因素影响, 日本太平洋沿岸海平面年代际变化在35°N 以南(北) 海平面年代际变化滞后(超前) PDO 指数1a 左右达最大负(正) 相关。由南向北, 东太平洋海平面年代际变化超前PDO 达到最大正相关的时间由5个月增大到1a 左右。年代际, 参考文献:
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Pacif ic sea level variations its (11L , Universit y of China , Qing dao 266100, China )
Abstract :Decompo sing mo nt hly sea level data at tide gauges along t he coast of t he Pacific Ocean in t he EMD met hod , and combining wit h ot her data , t he Pacific Ocean sea level πs interannual and decadal o scilla 2tion were in vestigatel , as well as information on t he sea level t rends 1Overall , t he Pacific Ocean coastal sea level rises , wit h an average rate in 114mm/a , and shows highly non 2uniform properties in geograp hy 1There are obvious interannual and decadal variability at t he Pacific sea level 1The interannual variations of t he Pacific Ocean sea level o scillations are significantly affected by t he ENSO 1In t he east Pacific Ocean t he interannual sea level variability and Nino3index are po sitive correlation , while negative correlations in t he west Pacific Ocean 1The correlation between bot h is significant in t he tropical Pacific Ocean , and t he corre 2lation is weakened wit h latit ude increasing 1At different areas t his correlation coefficient is different 1In t he west (east ) Pacific Ocean sea level decadal variation performs significant negative (positive ) correlation wit h t he PDO index overall 1The correlation between t hem is non 2uniform geograp hically and evolves wit h time 1Sea level decadal changes could lead to exactly t he oppo site sea level t rend , due to decadal variation direct impact on t he t rends 1
K ey w ords :sea level variations ; interannual variatio n ; decadal o scillation ; ENSO