对美国潮位观测数据核定的研究及应用

王 慧，范文静，刘克修，徐秀娥

（1.国家海洋信息中心 天津市 300171；2.国家海洋局北海分局东港海洋站 丹东市 118300）

近年来，许多国际组织从事于海平面上升预测的研究。中国沿海海平面变化与全球海平面变化存在着区域性的差异又存在一定的相关关系，因此全面了解全球主要沿海国家潮位观测及资料应用，对我国海平面与气候变化的研究具有重要的现实意义。

最初在台站测量潮位变化是为了研究潮汐。由于每一个沿海位置对天体引力的响应不同，因此需要一系列的逐时观测值来计算其潮汐调和常数。1个月至1年的观测值得到的调和常数足可以预报航海所需要的潮位；然而，现在科学领域开始关注潮位记录中其他的现象，如风暴潮、海啸、厄尔尼诺以及年际变化等。因此，在已知该站潮汐调和常数的情况下也需要进行潮汐观测。在多年长期的观测后，形成的长期观测资料可以用来研究海平面的长期变化趋势。

海洋与气候研究分析结果的可靠性直接源于观测资料数据集的质量。由于受到台站迁址、仪器变更、规范变动、地面沉降以及自然环境变化等影响，部分长期观测资料序列存在明显的非均一性，直接影响海洋和气候变化的研究和应用。发达国家非常重视海洋气候资料基础工作，在做好观测工作的同时，对历史资料进行了细致的核定工作，研制了一系列重要的全球及区域性数据集。中国作为一个海洋大国，地处东亚季风关键气候区，其数据质量问题不仅直接影响到中国海洋气候分析结论的准确性；同时也影响整个海洋与气候变化监测、检测和预测工作的业务质量和科学研究水平的提高。本文重点介绍美国潮位观测现状、潮位数据核定以及应用方面的情况。

1 潮位观测基本状况

在美国，由NOAA的业务化海洋产品服务中心运行和维护的国家潮位观测网（NWLON） 已运行了150余年。NWLON现在已经有205个长期站。这些站位于沿岸的24个州、哥伦比亚区域、北美五大湖以及大西洋和太平洋上美国的岛屿。其中，百慕大站和夸贾林站是目前仅有的在美国国外运行的站（图1）。

美国1854—2006年海平面变化报告显示，海平面所用的潮位数据采用的基准面是CO-OPS通过最近国家潮汐基准面（NTDE） （1983—2001年）建立的。NTDE考虑到了月亮倾斜角度的18.61 a的周期（交点潮），因此1个NTDE采用19 a的长度。NTDE使用过的时段分别有1924—1942年、1941—1959年和 1960—1978年。考虑到长期海平面变化的影响，CO-OPS每隔20—25 a对NTDE进行更新。目前，大多数的基准面是在2003开始使用的，大概要使用到2020年以后。对于相对海平面变化较快的站（如路易斯安那、德克萨斯州、阿拉斯加州），COOPS每隔5 a对基准面进行修订，这些时段分别是1990—1994年、1994—1998年、1997—2001年和2002—2006年。

图1 NWLON在美国东海岸和百慕大的长期站

由于验潮站的相对海平面变化包含了局地的陆地运动和绝对海平面变化，因此不同区域海平面的变化趋势是不同的。在一些沿海区域，有些海平面是上升的，有些海平面是下降的。尽管在海平面绝对变化趋势中存在较小的多年代区域变化，但是大多数的相对海平面变化是由于不同的陆地垂直运动引起的，如冰川均衡调整（GIA）、板块活动（地震）、沉积盆下沉、土壤压实和海退等。

GIA是岩石圈对北美和芬诺斯堪迪亚的冰盖融化的滞后反应，包括先前受到冰河作用区域的上升和外围补偿膨胀的下降。例如，17世纪后期，在阿拉斯加东南部冰川湾的冰原倒塌引起海平面快速上升。

板块活动包括短时间的地震位移和长期的内部形变，在大的地震前后，板块可能快速形变。因此，在NWLON观测网中距离板块边缘较近的站，如加利福尼亚、华盛顿和阿拉斯加区域的观测站，可能在地震前后出现偏移和速率变化（Cohen and Freymueller 2001，Burgette，Weldon and Schmidt 2009）。在路易斯安那和德克萨斯沿海地区地面下沉、土地压实和流体回退都将影响相对海平面趋势的变化（Dokka，Sella and Dixon 2006，Ivins，Dokka and Blom 2007）。

为了得到绝对海平面上升速率，人们使用了各种方法解决陆地垂直运动的影响。IPCC第4次报告给出了20世纪全球的海平面上升速率是1.7+/-0.5 mm/yr。卫星测高表明自1993年以来绝对海平面变化存在明显的区域差异，西太平洋增速明显，美国的西部海岸和阿拉斯加呈现下降趋势。这些短期趋势与长期趋势有明显的不同，这些趋势显示出较短时间的区域性变化。

2 资料序列核定

由于资料长度越短，计算的误差范围越大，在美国海平面变化报告中，对潮位观测站的选取基于观测资料的可靠性和连续性。CO-OPS历史数据库汇编了128个NWLON站的月平均海平面资料，资料时间序列最小是30 a。除少数站有部分数据缺测，大多数站有较完整的记录。

这些站在进行潮位核定分析中存在以下问题：

2.1 强震级地震造成水准点偏移

NWLON对处于强震级地震（震级＞7.5） 的震中位置的站位做了详细分析，如加利福尼亚、阿拉斯加、夏威夷和关岛等站。这些站附近的海平面变化趋势在1957年、1964年和1993年3次强烈地震前后发生了明显的偏移或者变化，通过水准联测及相邻站比较等方法确定水准点是否偏移及偏移量。

2.2 资料序列短缺，局部代表性不好

有些站与附近站的变化特征有明显的不同，如New Rochelle站，使用1957—1981年观测数据计算的该站变化趋势明显低于附近长期站Willet Point的长期变化趋势。而使用1957—1981年资料计算的Willet Point站的趋势也低于本站的长期变化趋势。由于无法插补New Rochelle缺测的数据，因此该站资料暂时不能使用。

2.3 资料序列短，但局部代表性好

有些站，尽管资料长度稍短，但资料连续，局部代表性好，也可以使用。如Rincon Island站，使用1962—1990年共29 a的资料计算其长期变化趋势，尽管比30 a少1年，由于资料序列较好，仍然可以使用。由于该站是建在离岸约1 km的生产油气的人工岛上，其长期变化趋势明显高于附近的站，因此它的趋势只能代表局部的海平面变化特征。

2.4 环境变化，站址变迁

有时，环境变化要求改变站置。如果新站和老站的水尺零点相同，那么老站的资料序列可以在新站继续使用，通过2个站同时观测，以确定它们的潮汐特征类似，把2站的资料结合起来使用（如百慕大生物站和百慕大Esso码头）。但是，在有些情况下，如码头被风暴袭击破坏，再采集当时的资料是不可能的，这样的资料插补起来较困难，如果相邻的验潮站有同步观测资料，并且逐时观测的潮位相同或者相关性较高，也可以把资料连在一起使用。

2.5 同步观测，接补资料

如果某些站停止潮位观测后，在附近有新建站，新建站如果有同步观测资料，那么资料调整到同一基面后可以衔接起来使用。CO-OPS自1994年停止在Padre Island观测，德克萨斯沿岸大洋观测网 （TCOON） 1993年在 NWLON的Padre Island附近建了1个站，这2个站水准基点相同，并且同时从1993年5月观测到1994年4月。1997年，Port Mansfield港停止潮位观测，TCOON在1998年重建了Port Mansfield站，并运行至今。这2个站已经调整了NWLON海平面基准面，追加了NWLON数据，资料可以连续使用。

下面重点介绍旧金山（San Francisco） 站潮位资料核定情况。

旧金山站潮位资料的长期趋势在初期较好，但是，20世纪比19世纪趋势明显增大，在1900年前后，海平面明显下降。该站距离San Andreas Fault站只有8 km，Fault站在1906年4月有一次大地震，尽管在地震期间没有明显的偏移，但是，时间序列拟合在地震前后趋势的变化表明板块活动起了作用（图2）。

图2 San Francisco站去掉了平均季节周期的月平均海平面数据（1897年9月基准面偏移前后的趋势为2.05+/-0.85 mm/yr和2.01+/-0.21 mm/yr，1906年4月的地震用实粗体的垂直线标示）

对其残差序列更进一步的研究发现，1897年资料有明显的偏移。把旧金山站的资料和Fort Point站 （1854—1877年）、Sausalito站 （1877—1897年） 以及Presidio站（1897年） 这些时段的资料结合，形成完整的资料序列。分析发现，该站从Sausalito越过金门（Golden Gate） 移回Presidio的时间与变化趋势发生明显偏移的时间相一致，资料序列从基准点明显偏移的1897年9月断开，而不是在1906年地震时断开，基准点偏移前后的趋势基本相同，这样2个序列连接的准确性有待考证。

旧金山站时间序列上明显偏移的时间与站位越过金门迁移的时间一致，在每个站址都记录了验潮零点（基准面）。站位在1877年第1次从Forpoint移到sausalito时有9个月的资料是重复的，6个月的同期观测显示1.128 m的不同。1877年穿过金门的水准线显示，Sausalito验潮站的基准面高于Fort Point的基准面0.140 m，Smith（1980） 使用该差值（0.140 m） 连接这2个站的资料序列。

该站在1897年从Sausalito穿过金门回到Presidio时，2个站有1.5 a的时间同时测量，同期观测资料显示出0.039 m的差值。该期间没有对这2个站进行水准联测。在1906—1907年期间，美国海岸和大地测量局对1906年大地震期间旧金山的水尺零点进行了核定，从Sausalito到Presidio的水准联测显示前者基准面高于后者0.076 m，Smith（1980年） 使用该值连接2个站的资料序列。

通过把1906—1907年与1897年的水准线连接使用，发现在1906年的大地震中这2个站水尺的陆地垂直运动没有区别。然而，Lawson和Reid（1908年） 认为San Francisco站的多个地方在地震中的陆地垂直运动略有不同。新Fort Point站附近的4个验潮水尺零点比Presidio站水尺零点高出0.071 m。更重要的是，与Presidio站验潮零点比较，Sausalito站的第1次验潮零点上升了0.035 m，另一次零点上升了0.04 m。

地震引起的旧金山区域不同的垂直运动导致Sausalito站水尺上升，Presidio水尺下降，两者相差达到了0.035 m。Presidio的验潮记录在地震期间、地震前后都是连续的，但在地震后有1次海啸记录；当1906年的时间序列去掉潮汐部分后，没有发现地震偏移量。Lawson和Reid（1908年）也检查了Presidio站1987—1907年的月均海平面，没有发现地震偏移量，小于0.035 m的偏移量在潮位上是很难观测到的。

因此，Smith使用了0.076 m的差值把Fort Point/Sausalito站和Presidio站的资料结合起来，差值可能包含了地震偏移，差值也用于连接1897年地震前后的资料序列。如果从0.076 m减去Sausalito与Presidio由于地震引起的水尺差值0.035 m，那么结果应该是0.041 m。该值非常接近在1897年2个验潮站同时进行1个半月测量时2个观测序列的差值0.039 m。

因此，使用1897年2个站同时联测得到的0.039 m连接2个序列比地震10年后从水尺联测得到的0.076 m要好。图3显示了使用0.037 m调整的完整资料序列，资料线性趋势较好。COOPS将更进一步对1897年和1906—1907年同期观测时水准联测结果进行比较。

图3 旧金山去掉了平均季节周期和1897年9月基准偏移0.037 m之后的月平均海平面数据（整个趋势是1.73+/-0.13 mm/yr，1906年4月的地震用实粗体的垂直线标识）

1977年，在Sausalito（1877—1897年） 站附近建立新的潮位站，当调查新站的潮汐水准基点时，发现原1877年的第1个水准基点是稳定的（Smith 1980，Smith 2002）。在新站基准采集了2.5 a的数据，该基准高出原Sausalito站基准0.829 m。使用该信息，1877—1897年数据可以调整到新的基准，得到的线性趋势是0.96 m/yr（图 4）。

忽略1906年地震偏移的可能性计算Sausalito站的线性趋势，但是没有地震偏移前后的即时数据不可能模拟出偏移幅度。如果没有地震偏移，或者只有0.035 m的微小偏移，那么自1897年以来的变率要小于2.01+/-0.21 mm/yr。这很可能是由于在整个San Francisco湾区域多个缺测时段上的结构上升。该站1939年建在Alameda以东大约15 km，上升趋势为0.82+/-0.51/yr，该站与旧金山的趋势差异很大。

3 异常潮位变化

使用核定后的潮位资料序列进行分析，当平均海平面（MSL）减去线性趋势项和平均季节周期后，剩余的序列代表了海平面的年际和年代际变化部分。余水位反映了近岸由水温、盐度、风、气压、流或者河口径流引起的异常状况。沿岸相邻站的余水位是高度相关的。如果4—30月的周期存在0.1～0.2 m的明显偏差，那么可以认为该数据可疑。

图4 Sausalito去掉了平均季节周期的月平均海平面数据（整个趋势是0.96+/-0.54 mm/yr，1906年4月的地震用实粗体的垂直线标识）

太平洋海域形成异常高、低水位的首要因素是ENSO，正常情况下，赤道东风在西部太平洋维持较高的水位。这种赤道风每隔3—5年减弱，导致西太平洋水位偏低，赤道东太平洋和中太平洋区域水位和水温升高。当赤道东太平洋的风比正常情况强时，发生相反的拉尼娜现象，该现象导致西太平洋的水位升高，赤道东太平洋和中太平洋的水位和水温降低。在ENSO活动强烈期间，其影响不仅局限在太平洋，还可以通过大气远程传播到世界的其他区域（图5）。

图5 圣地亚哥的月平均海平面余水位（实线）与大洋尼诺指数（Oceanic Nino Index） （虚线）的比较（ONI用因子10表示相关，单位是度）

图5显示了太平洋沿岸水位和ENSO之间的高度相关。大洋尼诺指数（ONI）是NOAA的气候预报中心（气候预报中心，1999） 用来确定ENSO事件的标准方法。它是通过在尼诺3.4区域 （5 °N-5 °S，120 °W-170 °W） 相对于 1971—2000年期间的海面温度3个月的滑动平均得到的。在图5中，大洋尼诺指数用因子10来分开，与余水位进行比较。

近岸的站与站之间的余水位是高度相关的，它们代表了近岸的区域异常状况。为了突出强调近岸的极端大洋状况，并且确定这些事件的地理范围，应用0.1 m来界定月均海平面余水位5个月的平均值（Zervas 2001）。当5个月的均值大于0.1 m时，定义为正异常；当5个月的均值低于-0.1 m时，定义为负异常。

表1列出了太平洋部分站每年极值余水位的月份数。月余水位超过0.1 m的年份为正，标为红色；月余水位低于-0.1 m的年份为负，标为兰色；没有极值余水位的年份标为0；没有资料的年份空白。表中给出了过去100 a来海平面异常的时间段和区域范围。

1982—1983年的强厄尔尼诺事件使得关岛、帕果—帕果和夸贾林环礁低位异常，整个美国西部海岸从圣地亚哥到阿拉斯加高位异常。在1985年从俄勒冈州到阿拉斯加发生了低位异常，1987—1988年在阿拉斯加发生了高位异常。1988—1989年发生的强拉尼娜事件导致了关岛的高位异常和从加利福尼亚到阿拉斯加的低位异常。

1992年的厄尔尼诺事件导致了加利福尼亚和阿拉斯加的高位异常。1997—1998年的强厄尔尼诺事件引起关岛、帕果—帕果和夸贾林环礁低位异常，整个美国西部海岸从圣地亚哥到Adak岛屿高位异常。近期，俄勒冈州和华盛顿在2000—2001年经历了低位异常，紧接着，2002年在阿拉斯加发生了低位异常。

4 结论

本文通过典型实例详细介绍了美国潮位观测数据的核定及应用。中国作为一个海洋大国，潮位观测站位较多且观测资料历史较长，由于受到台站迁址、仪器变更、规范变动、地面沉降以及自然环境变化等影响，部分观测资料序列存在不连续、基准面不统一以及数据异常变化等问题。因此，在基于中国潮位观测资料现状的基础上，借鉴使用其他国家资料核定方法，建立一套连续、基准面统一的海平面观测资料，对于我国的海平面和气候变化研究工作具有重要的意义。

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表1 太平洋1982—2006年极值余水位的月个数