中国近海海平面变化与ENSO的关系

王慧，刘克修，张琪，范文静，高志刚，张增建，李琰

（1.国家海洋信息中心，天津 300171；2.天津海洋环境监测中心站，天津 300457）

中国近海海平面变化与ENSO的关系

王慧1，刘克修1，张琪2，范文静1，高志刚1，张增建1，李琰1

（1.国家海洋信息中心，天津 300171；2.天津海洋环境监测中心站，天津 300457）

利用中国沿海台站潮位和中国近海及赤道太平洋的卫星测高、海表温度、风及气压资料，分析了中国近海海平面变化与ENSO的关系。分析结果表明：中国沿海海平面季节变化受ENSO影响明显，在厄尔尼诺事件期间，中国沿海海平面Sa分潮的振幅明显减小，其中年振幅的历史极小值均出现厄尔尼诺年，不同区域历史极小值出现的年份不同；另外，中国沿海Sa分潮的振幅对厄尔尼诺事件的响应与其强弱有关，在强事件中，响应区域和幅度较大，弱事件中，响应区域和幅度偏小。在厄尔尼诺年，中国沿海海平面多低于相邻年份，并且其年际变化存在明显的2～3 a、4～7 a、准9 a、11 a和准19 a的周期，其中4～7 a的周期在冬春季节震荡最显著，其震荡幅度接近2 cm。中国近海海平面与赤道东太平洋区域的海表温度年际变化之间存在反相关关系，其相关系数为－0.42；同时与Niño4和Niño3.4指数序列也呈现反相关关系。针对典型的1997／1998年尼诺事件发生前后的风场和气压场分析发现，尼诺发生前的冬半年，冬季风偏强，气压梯度加强，中国沿海海平面偏低；到了厄尔尼诺的盛期，出现较强的南风异常，气压梯度反向，季风转向，过渡到了厄尔尼诺事件的衰减期，为拉尼娜事件做准备，此时海平面偏高。

海平面；海温；ENSO；季风

1 引言

目前，全球气候变暖和海平面上升已成为全球性的重大环境问题。全球变暖导致的海水增温膨胀、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［1］。区域海平面变化除了受全球海平面变化的影响，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［2］。

当海平面减去线性趋势项和平均季节周期后，剩余部分代表了海平面的年际变化部分。在近岸，其周期反映了由海温、盐度、风、气压、流或者河口径流引起的异常状况［3］。在太平洋海域，形成异常高低水位的首要因素是ENSO，正常情况下，赤道东风在西太平洋维持较高的水位，偶尔，这种赤道风每隔3～5 a减弱，导致西太平洋水位降低，赤道东太平洋和中太平洋区域水位和海温升高，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。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其他区域［4—5］。

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出现的次数明显增多，异常值明显增大［6］。东亚季风的变化是影响中国近海和邻近海域海洋环境要素（如海流、海水温盐、海平面高度等）变化的重要原因。冬季在我国渤海、黄海和东海盛行西北偏北季风，气压较高，水位降低；夏季盛行西南偏南季风，气压较低，水位升高［7］。强冬季风将引起赤道西太平洋地面信风的减弱，造成赤道太平洋地区海洋异常Kelvin波和大气季节内震荡的异常，最终在海气耦合相互作用下，导致厄尔尼诺事件的发生。另一方面，厄尔尼诺的发生又将通过大气遥相关等过程影响东亚季风的活动［8—10］。

中国近海区域位于太平洋西岸，已有很多研究对该区域海平面的变化趋势及变化周期进行了分析和讨论［11］。周天华等［12］提出中国沿岸海平面3～7 a的周期变化，主要是该区域海平面对厄尔尼诺现象、黑潮大弯曲和中国沿海气候变异等作出的响应。郑文振和陈宗镛［13］对我国沿海海平面的长期趋势变化和周期性变化进行了较为详细的分析研究，发现我国沿海海平面变化较明显的周期有18.6 a、11 a左右、3.57 a和准2 a［14］。准2a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［14］。王慧等［15—16］使用Morlet小波变换分析方法对中国渤黄海沿海和三沙海域的年平均海平面序列进行了分析，发现中国沿海海平面变化的显著周期有2～3 a、4～7 a、准9 a和19 a。其中4～7 a的周期，其振荡的幅度在三沙海域超过1 cm，目前研究认为，该周期与ENSO现象有关。

王骥对中国沿海年周期分潮Sa进行详细分析，考察海平面的季节变化状况，发现中国沿海Sa振幅和迟角的变化基本相同［17］，同时发现这些变化可能与厄尔尼诺事件有关，例如，在大多厄尔尼诺年期间Sa振幅出现极小值，不同的区域出现的年份不同［18］。

本文从中国沿海海平面季节变化和周期性变化与厄尔尼诺事件的关系、中国近海海平面与赤道中东太平洋区域海温及厄尔尼诺指数之间的关系等方面，阐述了中国近海海平面变化和ENSO的关系。

2 资料

本文使用了中国沿海台站潮位资料以及中国近海和赤道太平洋区域卫星测高、海表温度（SST）、风和气压资料。其中，卫星测高资料是法国空间研究中心（AVISO）制作的多卫星（Jason－1／2、T／P、Envisat、GFO、ERS－1／2、GEOSAT）融合数据，该数据为月均海平面异常（MSLA）数据，其空间分辨率为（1／3）°×（1／3）°的墨卡托网格。大气资料主要是来自于美国国家环境预测中心／国家大气研究中心（NCEP／NCAR）发布的月平均全球再分析资料，包括分辨率为2.5°×2.5°的海平面气压场（SLP）和高斯网格的风场，其纬向分辨率为1.875°，经向为不均匀分布。海表面温度（SST）数据利用了美国国家海洋大气局的最优插值SST（OISST），空间分辨率为1°×1°，以上资料时间分辨率均为1个月。本文所用数据的时间范围为台站数据自1960年1月－2012年12月，共636个月，大面数据自1993年1月－2012年12月，共228个月，研究区域为（0°～50°N，100°～150°E），（30°S～30°N，120°E～80°W），涵盖了中国近海海域和赤道中东太平洋区域，资料均经过了订正和质控处理。

3 分析结果

3.1 中国沿海海平面变化与ENSO的关系

3.1.1 中国沿海季节海平面变化

中国沿海海平面的季节变化以年周期为主，对中国沿海32个长期验潮站50余年潮位数据的年周期分潮Sa的振幅和迟角分析发现，中国沿海海平面季节变化区域特征明显，渤海和黄海的季节性高海平面，一般发生在气温最高、气压最低、降水量最大和季风影响较小的7－8月，低海平面一般发生在1－2月，海平面年变化幅度在45～60 cm，沿海各站季节海平面的变化一致性最好；东海的季节性高海平面，一般出现在盛行南向季风和表层南向沿岸流较强的9月前后，低海平面出现在2－4月，海平面年变化幅度在30～45 cm；10－11月，受东北季风影响，大量海水通过巴士、巴林塘和台湾海峡进入南海，南海东北部沿海海平面明显升高，南海和东海沿海各站Sa的变化略有不同；台湾海峡的季节性海平面在9月下旬－10月上旬最高，比同期南海沿海海平面高30～50 mm，台湾海峡Sa的振幅和迟角变化最大，振幅变化范围为5～20 cm，迟角变化范围170°～230°。

中国沿海Sa振幅和迟角的变化可以从图1和图2较详细地看出来，这两幅图分别是中国沿海代表站Sa振幅和迟角的时间变化序列。可以看出，3个区域的Sa振幅和迟角的变化基本是相同，而且变化与厄尔尼诺事件有关。不同区域对不同的厄尔尼诺事件响应不同，在1965－2010年间，1965年、1969年、1976年和1982年的厄尔尼诺事件中，自长江以南沿海各站Sa振幅明显减小，其中厦门站1965年Sa的振幅达到历史极小值，平潭站1976年Sa的振幅达到历史极小值，汕尾站1982年Sa的振幅达到历史极小值，长江以北各站Sa振幅则没有明显减小。在1992年和1995年的厄尔尼诺事件中，福建以北各站Sa的振幅明显减小，其中渤海沿海在1992年Sa的振幅均达到或接近历史极小值，黄海南部至东海北部沿海在1995年Sa的振幅均达到或接近历史极小值，台湾海峡以南沿海Sa的振幅则没有明显减小；在1972年、1997年和2006年历史较强的厄尔尼诺事件中，整个中国沿海Sa的振幅都显著减小，其中台湾海峡以南沿海在1997年Sa的振幅均达到或接近历史极小值。可见中国沿海Sa的振幅对厄尔尼诺事件的响应与其强弱有关，在强事件中，响应区域和幅度较大，弱事件中，响应区域和幅度偏小。Sa的位相对厄尔尼诺事件的响应没有振幅明显，有些厄尔尼诺事件中，可反映出一致性的Sa振幅减小和位相提前，有些则表现出明显的不一致。例如，在1982年、1992年、1995年和1997年的厄尔尼诺事件中，沿海Sa的振幅在明显减小的同时伴随位相的明显提前；而在2006年的厄尔尼诺事件中，虽然整个沿海Sa的振幅都明显减小，但位相并没有明显的提前；在1972年的厄尔尼诺事件中，虽然在南部沿海位相略有提前，但位相显著提前却发生在1973年。

图1 中国沿海各代表站Sa分潮振幅的时间变化Fig.1 The Sa amplitudes change in the China's coastal representative stations

图2 中国沿海各代表站Sa分潮位相的时间变化Fig.2 The Sa phases change in the China's coastal representative stations

为分析方便，根据Sa振幅和迟角的变化及对厄尔尼诺事件响应的一致性以及历史极小值出现的时间，把中国沿海分为3个区域进行统计：区域1为渤海沿海；区域2为黄海至台湾海峡以北沿海；区域3为台湾海峡以南沿海。由于不同厄尔尼诺事件的时间长度不同，为了统一，极小值是从厄尔尼诺开始年的1月份到次年的12月份这两年中选择。从下表1可以看出，区域1在1992年、1995年和1997年Sa振幅的距平值较小，其中1992年为历史极小值；区域2在1965年、1995年Sa振幅的距平值较小，其中1965年为历史极小值；区域3在1982年和1997年Sa振幅的距平值较小，其中1997年为历史极小值。可以看出，不同的区域，Sa的振幅对厄尔尼诺事件的响应程度不同。

3.1.2 中国沿海海平面年际变化

中国沿海海平面变化具有明显的趋势性和波动性特征，总体呈上升趋势。50多年来，中国沿海海平面变化上升速率为2.0 mm／a。1980—2012年，中国沿海海平面平均上升速率为2.9 mm／a，高于全球平均水平［19］。中国沿海海平面变化具有年际和年代际变化周期，海平面的季节性变化显著，区域特征明显。从图3可知，中国沿海海平面变化与厄尔尼诺事件有关，1960年以来出现9次较强的厄尔尼诺事件（1965／1966年、1972／1973年、1982／1983年、1986／1987年、1991／1992年、1997／1998年、2002／2003年、2006／2007年和2009／2010年），中国沿海海平面在1965年、1972年、1982年、1987年、1992年、2002年和2005年海平面较相邻年份比均偏低。其中在1997／1998年的厄尔尼诺事件中，中国南黄海以南沿海海平面偏低；在2006／2007厄尔尼诺事件中，中国沿海海平面在2005年明显偏低；1968年为弱厄尔尼诺年，海平面也明显偏低。说明中国沿海海平面在大多厄尔尼诺年海平面出现偏低，个别事件会出现海平面提前偏低的现象。

表1 厄尔尼诺事件期间Sa分潮振幅距平的极小值Tab.1 The minimum value of Sa amplitude anomalies during El Niño events

图3 1960—2012年中国沿海年平均海平面变化Fig.3 Mean sea level change in the China's coastal area from 1960 to 2012

对中国沿海年平均海平面距平进行Morlet小波变换分析［20—21］（见图4）。从图中可以看出，中国沿海海平面包含了多个时间尺度的显著周期变化。结合振幅变化，可以看出中国沿海海平面变化的显著周期主要有2～3 a、准4 a、准7 a、准9 a、11 a和准19 a，其振幅均达1 cm。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；其次是4～7 a的周期，目前研究认为，该周期与ENSO现象有关；准11 a的周期是反映了中国沿海海平面的变化受太阳黑子的影响；9 a和19 a是潮汐天文潮周期，反映了月球赤纬的变化，又叫交点潮。

图4 中国沿海海平面小波变换分析结果Fig.4 Wavelet transform of annual mean sea level in the coastal region of China

对1960—2012年春、夏、秋、冬4个季节的海平面进行Morlet小波变换分析（图5），可以看出，中国沿海春季海平面变化存在准2～3 a、4～7 a、准9 a和准11 a的显著周期；中国沿海夏季海平面变化存在准2 a、3～5 a、准9 a和准19 a的显著周期；中国沿海秋季海平面变化存在准2 a、5～7 a和准9 a的显著周期；中国沿海冬季海平面变化存在2～3 a、4～5 a、准9 a和11 a的显著周期。四个季节的海平面变化均存在明显的厄尔尼诺周期，其震荡幅度均超过1 cm，其中春季最明显，振幅接近2 cm。

图5 1960—2012年中国沿海4个季节海平面小波变换分析Fig.5 Wavelet transform of sea level in spring，summer，autumn and winter along China coast

3.2 中国近海海平面变化和ENSO的关系

为了更进一步地分析中国近海海平面和厄尔尼诺事件的关系，对中国近海（18°～40°N，110°～130°E）区域近20 a的SSH距平数据及赤道中东太平洋（30° S～30°N，120°E～90°W）区域的SST距平数据进行联合经验正交函数（EOF）分解［22］，第一特征向量分别占总方差的47%和38%，反映了中国近海海平面变化和热带太平洋区域海表温度变化的一致性。结合图6分析，SSH的空间模态除台湾岛东南部小区域为负外，其他区域主要呈现全场一致的空间型；b中SST的空间模态表现为赤道太平洋海温异常变化的ENSO型；c为中国近海海平面高度和热带太平洋区域海表温度的EOF第一特征向量的时间系数，可以看出，中国近海海平面的年际变化与赤道中东太平洋区域海表温度的年际变化有着负相关关系，其相关系数为－0.42。分析各自的时间序列，发现在1997／1998，2002／2003，2006／2007，2009／2010这些厄尔尼诺年，当赤道中东太平洋区域海表温度（SST）出现明显的正异常时，对应着中国近海海平面高度（SSH）负异常，相反，当发生拉尼娜事件时（1999／2000／2001，2007／2008，2010／2011），赤道中东太平洋区域海表温度（SST）的负异常又对应着中国近海海平面高度（SSH）的正异常，说明中国近海海平面高度（SSH）和热带太平洋海表温度（SST）之间存在着负相关关系（图6）。在中国黄海、东海和南海沿海，海平面高度与热带太平洋海温负相关关系也较明显，在强厄尔尼诺年中，对应的中国沿海海平面偏低，而在拉尼娜年中，对应的中国沿海海平面偏高。

图6 a、b分别为中国近海海平面高度（SSH）距平和热带太平洋海表温度（SST）距平EOF分解第一特征向量，c中红线和蓝线分别为其对应的时间系数Fig.6 a and b are EOF decomposition of the first eigenvector for China's offshore sea level anomaly and tropical Pacific SST anomaly，the red and blue lines represent the corresponding coefficient of times in c

对中国近海（18～40°N，110～130°E）区域的海平面高度EOF第一特征向量的时间系数与Niño4和Niño3.4指数序列进行相关性分析发现，其年相关系数分别为－0.38和－0.35。

根据厄尔尼诺形成机制和传播方向的不同，可分为东部型和中部型［23］。中国沿海海平面对厄尔尼诺事件的响应与其强弱和类型有关，在强事件中，响应区域和幅度较大，弱事件中，响应区域和幅度偏小。本文仅以近年来对中国沿海海平面影响最强的1997／1998年东部型El Nino事件为例，初步从大气环流方面，浅显地分析厄尔尼诺事件前后中国近海风场的变化、气压梯度的变化以及期间中国沿海海平面的变化。

厄尔尼诺事件的前期征兆应该在赤道西太平洋地区，资料统计和理论分析结果表明，东亚强寒潮异常活动对厄尔尼诺的发生有激发作用［9］。在厄尔尼诺事件发生前的冬半年，西伯利亚地面高压持续偏强，而中国东部气温持续偏低，东亚冬季风偏强［8］。1996年的冬季（图7a）到1997年的春季（图7b），伴随着前期冬季风异常风场（寒潮大风）的出现，气压梯度明显加强，在赤道地区，出现了异常西风，在之后的1997年夏季（图7c），该西风异常场一直在加强，强冬季风引起赤道西太平洋地面信风的减弱，造成赤道太平洋地区海洋异常Kelvin波和大气季节内震荡的异常，海水自西向东流动，这样在赤道东太平洋区域，海温升高，海平面升高，在1997年的秋冬季，达到了厄尔尼诺的盛期（图7d、7e），之后出现较强的南风异常，气压梯度反向，到1998年的春季（图7f），季风转向，过渡到了厄尔尼诺事件的衰减期，为拉尼娜事件做准备。在厄尔尼诺发生期赤道西太平洋海面有明显下降，而且下降开始于前一年的冬季或该年春季［24］。对1996年1月－1998年12月中国南黄海以南沿海月平均海平面距平统计分析发现，1996年12月－1998年1月海平面总体偏低，其中1996年12月，海平面异常偏低约6 cm，1997年10月，海平面偏低约15 cm，达历史同期较低值。自1998年1月起海平面波动回升（见图8）。

从前面的分析结果可以看出，中国沿海海平面季节分潮振幅和位相的变化、年平均海平面变化以及海平面的周期性变化均与厄尔尼诺事件有明显的相关。在厄尔尼诺年，中国沿海Sa分潮的振幅明显偏小、位相提前，海平面较相邻年份偏低。并且，中国沿海海平面长期变化伴随着显著的厄尔尼诺周期。

图7 1996年冬季（a），1997年春（b）、夏（c）、秋（d）、冬（e）季以及1998年春季（f）的风场异常和海平面气压场异常Fig.7 Wind and sea level pressure anomaly fields（a～f is during winter of 1996 through spring of 1998）

图8 1996年1月－1998年12月中国沿海代表站月平均海平面距平变化Fig.8 Coastal sea level change in the south of Yangtze river from January 1996 to December 1998

4 结论

本文通过对中国沿海台站潮位及中国近海及赤道中东太平洋区域的海平面高度、海表温度、气温、气压和风等水文气象资料的分析，解释了中国沿海海平面变化与ENSO的关系。

（1）中国沿海海平面季节变化受ENSO影响明显，在厄尔尼诺事件期间，中国沿海台站海平面的年和半年振幅明显降低，其中年振幅的历史极小值均出现厄尔尼诺年，不同区域出现的年份不一样。

（2）中国沿海海平面呈现明显的波动上升趋势，其年际变化存在明显的2～3 a、4～7 a、准9 a、11 a和准19 a的周期，其中4～7 a的周期在冬春季节震荡最显著。

（3）中国近海海平面与赤道东太平洋区域的海表温度年际变化之间存在反相关关系，相关系数为－0.42，同时与Niño4和Niño3.4指数序列进行相关性分析发现，其年相关系数分别为－0.38和－0.35。

（4）针对典型的尼诺事件发生前后的风场进行分析发现，尼诺发生前的冬半年，冬季风偏强，气压梯度加强，中国沿海海平面偏低，与之相反，在拉尼娜发生前的冬半年冬季风偏弱，气压梯度偏小，中国沿海海平面偏高。

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The relationship between sea level change of China's coast and ENSO

Wang Hui1，Liu Kexiu1，Zhang Qi2，Fan Wenjing1，Gao Zhigang1，Zhang Zengjian1，Li Yan1

（1.National Marine Data&Information Service，Tianjin 300171，China；2.Ocean University of China，Qingdao 266003，China）

Based on the tide level data of tide gauge stations and satellite altimeter，sea surface temperature，air pressure，wind etc hydrological and meteorological data in the region of eastern equatorial Pacific，the relationship between the sea level change of China coastal area and ENSO are investigated.The research results show that the sea level of China coastal area is affected by ENSO obviously.Annual and semiannual amplitude of tide level decreased significantly in El Niño events.The minimum value of annual amplitude all appeared in El Niño years，but different regions happened in different years.In addition，the Sa tidal amplitude of China coastal in response to El Niño events related its strength.Response area and magnitude is bigger in strong events，response area and magnitude is smaller in weak events.In El Niño events，the sea level was lower than adjacent years，the MSL also shows prominent inter-annual and inter-decade variation besides the seasonal variation，the prominent terms are 2～3 a，4～7 a，9 a，11 a and 19 a，the oscillation of 4～7 a is the most prominent.There is a significant negative correlation between the MSL in China coastal area and SST in the central and eastern equatorial Pacific，it also shows negative correlation with Niño4 and Niño3.4 indices prominently.In typical El Niño event，the winter monsoon is strong in the winter half year before the occurrence of El Niño event，the pressure gradient is strengthened and the sea level is low in China coastal area.on the contrary，in the winter half year before the occurrence of La Niña event，the winter monsoon is weak，the pressure gradient is weaken and the sea level is high in the coast of China.

sea level；SST；ENSO；monsoon

P731.15

A

0253-4193（2014）09-0065-10

王慧，刘克修，张琪，等.中国近海海平面变化与ENSO的关系［J］.海洋学报，2014，36（9）：65—74，

10.3969／j.issn.0253-4193.2014.09.008

Wang Hui，Liu Kexiu，Zhang Qi，et al.The relationship between sea level change of China's coast and ENSO［J］.Acta Oceanologica Sinica（in Chinese），2014，36（9）：65—74，doi：10.3969／j.issn.0253-4193.2014.09.008

2013-09-23；

2014-01-21。

海洋公益专项（201005019）；十二五科技支撑（2012BAC21B0101）；国家自然科学基金（41106004）。

王慧（1972—），女，山东省临沂市人，副研究员，主要从事海平面与气候变化研究。E-mail：wh_cherry＠126.com