王 慧，范文靜，劉克修，徐秀娥

（1.國(guó)家海洋信息中心 天津市 300171；2.國(guó)家海洋局北海分局東港海洋站 丹東市 118300）

近年來(lái)，許多國(guó)際組織從事于海平面上升預(yù)測(cè)的研究。中國(guó)沿海海平面變化與全球海平面變化存在著區(qū)域性的差異又存在一定的相關(guān)關(guān)系，因此全面了解全球主要沿海國(guó)家潮位觀測(cè)及資料應(yīng)用，對(duì)我國(guó)海平面與氣候變化的研究具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

最初在臺(tái)站測(cè)量潮位變化是為了研究潮汐。由于每一個(gè)沿海位置對(duì)天體引力的響應(yīng)不同，因此需要一系列的逐時(shí)觀測(cè)值來(lái)計(jì)算其潮汐調(diào)和常數(shù)。1個(gè)月至1年的觀測(cè)值得到的調(diào)和常數(shù)足可以預(yù)報(bào)航海所需要的潮位；然而，現(xiàn)在科學(xué)領(lǐng)域開(kāi)始關(guān)注潮位記錄中其他的現(xiàn)象，如風(fēng)暴潮、海嘯、厄爾尼諾以及年際變化等。因此，在已知該站潮汐調(diào)和常數(shù)的情況下也需要進(jìn)行潮汐觀測(cè)。在多年長(zhǎng)期的觀測(cè)后，形成的長(zhǎng)期觀測(cè)資料可以用來(lái)研究海平面的長(zhǎng)期變化趨勢(shì)。

海洋與氣候研究分析結(jié)果的可靠性直接源于觀測(cè)資料數(shù)據(jù)集的質(zhì)量。由于受到臺(tái)站遷址、儀器變更、規(guī)范變動(dòng)、地面沉降以及自然環(huán)境變化等影響，部分長(zhǎng)期觀測(cè)資料序列存在明顯的非均一性，直接影響海洋和氣候變化的研究和應(yīng)用。發(fā)達(dá)國(guó)家非常重視海洋氣候資料基礎(chǔ)工作，在做好觀測(cè)工作的同時(shí)，對(duì)歷史資料進(jìn)行了細(xì)致的核定工作，研制了一系列重要的全球及區(qū)域性數(shù)據(jù)集。中國(guó)作為一個(gè)海洋大國(guó)，地處東亞季風(fēng)關(guān)鍵氣候區(qū)，其數(shù)據(jù)質(zhì)量問(wèn)題不僅直接影響到中國(guó)海洋氣候分析結(jié)論的準(zhǔn)確性；同時(shí)也影響整個(gè)海洋與氣候變化監(jiān)測(cè)、檢測(cè)和預(yù)測(cè)工作的業(yè)務(wù)質(zhì)量和科學(xué)研究水平的提高。本文重點(diǎn)介紹美國(guó)潮位觀測(cè)現(xiàn)狀、潮位數(shù)據(jù)核定以及應(yīng)用方面的情況。

1 潮位觀測(cè)基本狀況

在美國(guó)，由NOAA的業(yè)務(wù)化海洋產(chǎn)品服務(wù)中心運(yùn)行和維護(hù)的國(guó)家潮位觀測(cè)網(wǎng)（NWLON） 已運(yùn)行了150余年。NWLON現(xiàn)在已經(jīng)有205個(gè)長(zhǎng)期站。這些站位于沿岸的24個(gè)州、哥倫比亞區(qū)域、北美五大湖以及大西洋和太平洋上美國(guó)的島嶼。其中，百慕大站和夸賈林站是目前僅有的在美國(guó)國(guó)外運(yùn)行的站（圖1）。

美國(guó)1854—2006年海平面變化報(bào)告顯示，海平面所用的潮位數(shù)據(jù)采用的基準(zhǔn)面是CO-OPS通過(guò)最近國(guó)家潮汐基準(zhǔn)面（NTDE） （1983—2001年）建立的。NTDE考慮到了月亮傾斜角度的18.61 a的周期（交點(diǎn)潮），因此1個(gè)NTDE采用19 a的長(zhǎng)度。NTDE使用過(guò)的時(shí)段分別有1924—1942年、1941—1959年和 1960—1978年。考慮到長(zhǎng)期海平面變化的影響，CO-OPS每隔20—25 a對(duì)NTDE進(jìn)行更新。目前，大多數(shù)的基準(zhǔn)面是在2003開(kāi)始使用的，大概要使用到2020年以后。對(duì)于相對(duì)海平面變化較快的站（如路易斯安那、德克薩斯州、阿拉斯加州），COOPS每隔5 a對(duì)基準(zhǔn)面進(jìn)行修訂，這些時(shí)段分別是1990—1994年、1994—1998年、1997—2001年和2002—2006年。

圖1 NWLON在美國(guó)東海岸和百慕大的長(zhǎng)期站

由于驗(yàn)潮站的相對(duì)海平面變化包含了局地的陸地運(yùn)動(dòng)和絕對(duì)海平面變化，因此不同區(qū)域海平面的變化趨勢(shì)是不同的。在一些沿海區(qū)域，有些海平面是上升的，有些海平面是下降的。盡管在海平面絕對(duì)變化趨勢(shì)中存在較小的多年代區(qū)域變化，但是大多數(shù)的相對(duì)海平面變化是由于不同的陸地垂直運(yùn)動(dòng)引起的，如冰川均衡調(diào)整（GIA）、板塊活動(dòng)（地震）、沉積盆下沉、土壤壓實(shí)和海退等。

GIA是巖石圈對(duì)北美和芬諾斯堪迪亞的冰蓋融化的滯后反應(yīng)，包括先前受到冰河作用區(qū)域的上升和外圍補(bǔ)償膨脹的下降。例如，17世紀(jì)后期，在阿拉斯加?xùn)|南部冰川灣的冰原倒塌引起海平面快速上升。

板塊活動(dòng)包括短時(shí)間的地震位移和長(zhǎng)期的內(nèi)部形變，在大的地震前后，板塊可能快速形變。因此，在NWLON觀測(cè)網(wǎng)中距離板塊邊緣較近的站，如加利福尼亞、華盛頓和阿拉斯加區(qū)域的觀測(cè)站，可能在地震前后出現(xiàn)偏移和速率變化（Cohen and Freymueller 2001，Burgette，Weldon and Schmidt 2009）。在路易斯安那和德克薩斯沿海地區(qū)地面下沉、土地壓實(shí)和流體回退都將影響相對(duì)海平面趨勢(shì)的變化（Dokka，Sella and Dixon 2006，Ivins，Dokka and Blom 2007）。

為了得到絕對(duì)海平面上升速率，人們使用了各種方法解決陸地垂直運(yùn)動(dòng)的影響。IPCC第4次報(bào)告給出了20世紀(jì)全球的海平面上升速率是1.7+/-0.5 mm/yr。衛(wèi)星測(cè)高表明自1993年以來(lái)絕對(duì)海平面變化存在明顯的區(qū)域差異，西太平洋增速明顯，美國(guó)的西部海岸和阿拉斯加呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。這些短期趨勢(shì)與長(zhǎng)期趨勢(shì)有明顯的不同，這些趨勢(shì)顯示出較短時(shí)間的區(qū)域性變化。

2 資料序列核定

由于資料長(zhǎng)度越短，計(jì)算的誤差范圍越大，在美國(guó)海平面變化報(bào)告中，對(duì)潮位觀測(cè)站的選取基于觀測(cè)資料的可靠性和連續(xù)性。CO-OPS歷史數(shù)據(jù)庫(kù)匯編了128個(gè)NWLON站的月平均海平面資料，資料時(shí)間序列最小是30 a。除少數(shù)站有部分?jǐn)?shù)據(jù)缺測(cè)，大多數(shù)站有較完整的記錄。

這些站在進(jìn)行潮位核定分析中存在以下問(wèn)題：

2.1 強(qiáng)震級(jí)地震造成水準(zhǔn)點(diǎn)偏移

NWLON對(duì)處于強(qiáng)震級(jí)地震（震級(jí)＞7.5） 的震中位置的站位做了詳細(xì)分析，如加利福尼亞、阿拉斯加、夏威夷和關(guān)島等站。這些站附近的海平面變化趨勢(shì)在1957年、1964年和1993年3次強(qiáng)烈地震前后發(fā)生了明顯的偏移或者變化，通過(guò)水準(zhǔn)聯(lián)測(cè)及相鄰站比較等方法確定水準(zhǔn)點(diǎn)是否偏移及偏移量。

2.2 資料序列短缺，局部代表性不好

有些站與附近站的變化特征有明顯的不同，如New Rochelle站，使用1957—1981年觀測(cè)數(shù)據(jù)計(jì)算的該站變化趨勢(shì)明顯低于附近長(zhǎng)期站W(wǎng)illet Point的長(zhǎng)期變化趨勢(shì)。而使用1957—1981年資料計(jì)算的Willet Point站的趨勢(shì)也低于本站的長(zhǎng)期變化趨勢(shì)。由于無(wú)法插補(bǔ)New Rochelle缺測(cè)的數(shù)據(jù)，因此該站資料暫時(shí)不能使用。

2.3 資料序列短，但局部代表性好

有些站，盡管資料長(zhǎng)度稍短，但資料連續(xù)，局部代表性好，也可以使用。如Rincon Island站，使用1962—1990年共29 a的資料計(jì)算其長(zhǎng)期變化趨勢(shì)，盡管比30 a少1年，由于資料序列較好，仍然可以使用。由于該站是建在離岸約1 km的生產(chǎn)油氣的人工島上，其長(zhǎng)期變化趨勢(shì)明顯高于附近的站，因此它的趨勢(shì)只能代表局部的海平面變化特征。

2.4 環(huán)境變化，站址變遷

有時(shí)，環(huán)境變化要求改變站置。如果新站和老站的水尺零點(diǎn)相同，那么老站的資料序列可以在新站繼續(xù)使用，通過(guò)2個(gè)站同時(shí)觀測(cè)，以確定它們的潮汐特征類(lèi)似，把2站的資料結(jié)合起來(lái)使用（如百慕大生物站和百慕大Esso碼頭）。但是，在有些情況下，如碼頭被風(fēng)暴襲擊破壞，再采集當(dāng)時(shí)的資料是不可能的，這樣的資料插補(bǔ)起來(lái)較困難，如果相鄰的驗(yàn)潮站有同步觀測(cè)資料，并且逐時(shí)觀測(cè)的潮位相同或者相關(guān)性較高，也可以把資料連在一起使用。

2.5 同步觀測(cè)，接補(bǔ)資料

如果某些站停止潮位觀測(cè)后，在附近有新建站，新建站如果有同步觀測(cè)資料，那么資料調(diào)整到同一基面后可以銜接起來(lái)使用。CO-OPS自1994年停止在Padre Island觀測(cè)，德克薩斯沿岸大洋觀測(cè)網(wǎng) （TCOON） 1993年在 NWLON的Padre Island附近建了1個(gè)站，這2個(gè)站水準(zhǔn)基點(diǎn)相同，并且同時(shí)從1993年5月觀測(cè)到1994年4月。1997年，Port Mansfield港停止潮位觀測(cè)，TCOON在1998年重建了Port Mansfield站，并運(yùn)行至今。這2個(gè)站已經(jīng)調(diào)整了NWLON海平面基準(zhǔn)面，追加了NWLON數(shù)據(jù)，資料可以連續(xù)使用。

下面重點(diǎn)介紹舊金山（San Francisco） 站潮位資料核定情況。

舊金山站潮位資料的長(zhǎng)期趨勢(shì)在初期較好，但是，20世紀(jì)比19世紀(jì)趨勢(shì)明顯增大，在1900年前后，海平面明顯下降。該站距離San Andreas Fault站只有8 km，F(xiàn)ault站在1906年4月有一次大地震，盡管在地震期間沒(méi)有明顯的偏移，但是，時(shí)間序列擬合在地震前后趨勢(shì)的變化表明板塊活動(dòng)起了作用（圖2）。

圖2 San Francisco站去掉了平均季節(jié)周期的月平均海平面數(shù)據(jù)（1897年9月基準(zhǔn)面偏移前后的趨勢(shì)為2.05+/-0.85 mm/yr和2.01+/-0.21 mm/yr，1906年4月的地震用實(shí)粗體的垂直線標(biāo)示）

對(duì)其殘差序列更進(jìn)一步的研究發(fā)現(xiàn)，1897年資料有明顯的偏移。把舊金山站的資料和Fort Point站 （1854—1877年）、Sausalito站 （1877—1897年） 以及Presidio站（1897年） 這些時(shí)段的資料結(jié)合，形成完整的資料序列。分析發(fā)現(xiàn)，該站從Sausalito越過(guò)金門(mén)（Golden Gate） 移回Presidio的時(shí)間與變化趨勢(shì)發(fā)生明顯偏移的時(shí)間相一致，資料序列從基準(zhǔn)點(diǎn)明顯偏移的1897年9月斷開(kāi)，而不是在1906年地震時(shí)斷開(kāi)，基準(zhǔn)點(diǎn)偏移前后的趨勢(shì)基本相同，這樣2個(gè)序列連接的準(zhǔn)確性有待考證。

舊金山站時(shí)間序列上明顯偏移的時(shí)間與站位越過(guò)金門(mén)遷移的時(shí)間一致，在每個(gè)站址都記錄了驗(yàn)潮零點(diǎn)（基準(zhǔn)面）。站位在1877年第1次從Forpoint移到sausalito時(shí)有9個(gè)月的資料是重復(fù)的，6個(gè)月的同期觀測(cè)顯示1.128 m的不同。1877年穿過(guò)金門(mén)的水準(zhǔn)線顯示，Sausalito驗(yàn)潮站的基準(zhǔn)面高于Fort Point的基準(zhǔn)面0.140 m，Smith（1980） 使用該差值（0.140 m） 連接這2個(gè)站的資料序列。

該站在1897年從Sausalito穿過(guò)金門(mén)回到Presidio時(shí)，2個(gè)站有1.5 a的時(shí)間同時(shí)測(cè)量，同期觀測(cè)資料顯示出0.039 m的差值。該期間沒(méi)有對(duì)這2個(gè)站進(jìn)行水準(zhǔn)聯(lián)測(cè)。在1906—1907年期間，美國(guó)海岸和大地測(cè)量局對(duì)1906年大地震期間舊金山的水尺零點(diǎn)進(jìn)行了核定，從Sausalito到Presidio的水準(zhǔn)聯(lián)測(cè)顯示前者基準(zhǔn)面高于后者0.076 m，Smith（1980年） 使用該值連接2個(gè)站的資料序列。

通過(guò)把1906—1907年與1897年的水準(zhǔn)線連接使用，發(fā)現(xiàn)在1906年的大地震中這2個(gè)站水尺的陸地垂直運(yùn)動(dòng)沒(méi)有區(qū)別。然而，Lawson和Reid（1908年） 認(rèn)為San Francisco站的多個(gè)地方在地震中的陸地垂直運(yùn)動(dòng)略有不同。新Fort Point站附近的4個(gè)驗(yàn)潮水尺零點(diǎn)比Presidio站水尺零點(diǎn)高出0.071 m。更重要的是，與Presidio站驗(yàn)潮零點(diǎn)比較，Sausalito站的第1次驗(yàn)潮零點(diǎn)上升了0.035 m，另一次零點(diǎn)上升了0.04 m。

地震引起的舊金山區(qū)域不同的垂直運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致Sausalito站水尺上升，Presidio水尺下降，兩者相差達(dá)到了0.035 m。Presidio的驗(yàn)潮記錄在地震期間、地震前后都是連續(xù)的，但在地震后有1次海嘯記錄；當(dāng)1906年的時(shí)間序列去掉潮汐部分后，沒(méi)有發(fā)現(xiàn)地震偏移量。Lawson和Reid（1908年）也檢查了Presidio站1987—1907年的月均海平面，沒(méi)有發(fā)現(xiàn)地震偏移量，小于0.035 m的偏移量在潮位上是很難觀測(cè)到的。

因此，Smith使用了0.076 m的差值把Fort Point/Sausalito站和Presidio站的資料結(jié)合起來(lái)，差值可能包含了地震偏移，差值也用于連接1897年地震前后的資料序列。如果從0.076 m減去Sausalito與Presidio由于地震引起的水尺差值0.035 m，那么結(jié)果應(yīng)該是0.041 m。該值非常接近在1897年2個(gè)驗(yàn)潮站同時(shí)進(jìn)行1個(gè)半月測(cè)量時(shí)2個(gè)觀測(cè)序列的差值0.039 m。

因此，使用1897年2個(gè)站同時(shí)聯(lián)測(cè)得到的0.039 m連接2個(gè)序列比地震10年后從水尺聯(lián)測(cè)得到的0.076 m要好。圖3顯示了使用0.037 m調(diào)整的完整資料序列，資料線性趨勢(shì)較好。COOPS將更進(jìn)一步對(duì)1897年和1906—1907年同期觀測(cè)時(shí)水準(zhǔn)聯(lián)測(cè)結(jié)果進(jìn)行比較。

圖3 舊金山去掉了平均季節(jié)周期和1897年9月基準(zhǔn)偏移0.037 m之后的月平均海平面數(shù)據(jù)（整個(gè)趨勢(shì)是1.73+/-0.13 mm/yr，1906年4月的地震用實(shí)粗體的垂直線標(biāo)識(shí)）

1977年，在Sausalito（1877—1897年） 站附近建立新的潮位站，當(dāng)調(diào)查新站的潮汐水準(zhǔn)基點(diǎn)時(shí)，發(fā)現(xiàn)原1877年的第1個(gè)水準(zhǔn)基點(diǎn)是穩(wěn)定的（Smith 1980，Smith 2002）。在新站基準(zhǔn)采集了2.5 a的數(shù)據(jù)，該基準(zhǔn)高出原Sausalito站基準(zhǔn)0.829 m。使用該信息，1877—1897年數(shù)據(jù)可以調(diào)整到新的基準(zhǔn)，得到的線性趨勢(shì)是0.96 m/yr（圖 4）。

忽略1906年地震偏移的可能性計(jì)算Sausalito站的線性趨勢(shì)，但是沒(méi)有地震偏移前后的即時(shí)數(shù)據(jù)不可能模擬出偏移幅度。如果沒(méi)有地震偏移，或者只有0.035 m的微小偏移，那么自1897年以來(lái)的變率要小于2.01+/-0.21 mm/yr。這很可能是由于在整個(gè)San Francisco灣區(qū)域多個(gè)缺測(cè)時(shí)段上的結(jié)構(gòu)上升。該站1939年建在Alameda以東大約15 km，上升趨勢(shì)為0.82+/-0.51/yr，該站與舊金山的趨勢(shì)差異很大。

3 異常潮位變化

使用核定后的潮位資料序列進(jìn)行分析，當(dāng)平均海平面（MSL）減去線性趨勢(shì)項(xiàng)和平均季節(jié)周期后，剩余的序列代表了海平面的年際和年代際變化部分。余水位反映了近岸由水溫、鹽度、風(fēng)、氣壓、流或者河口徑流引起的異常狀況。沿岸相鄰站的余水位是高度相關(guān)的。如果4—30月的周期存在0.1～0.2 m的明顯偏差，那么可以認(rèn)為該數(shù)據(jù)可疑。

圖4 Sausalito去掉了平均季節(jié)周期的月平均海平面數(shù)據(jù)（整個(gè)趨勢(shì)是0.96+/-0.54 mm/yr，1906年4月的地震用實(shí)粗體的垂直線標(biāo)識(shí)）

太平洋海域形成異常高、低水位的首要因素是ENSO，正常情況下，赤道東風(fēng)在西部太平洋維持較高的水位。這種赤道風(fēng)每隔3—5年減弱，導(dǎo)致西太平洋水位偏低，赤道東太平洋和中太平洋區(qū)域水位和水溫升高。當(dāng)赤道東太平洋的風(fēng)比正常情況強(qiáng)時(shí)，發(fā)生相反的拉尼娜現(xiàn)象，該現(xiàn)象導(dǎo)致西太平洋的水位升高，赤道東太平洋和中太平洋的水位和水溫降低。在ENSO活動(dòng)強(qiáng)烈期間，其影響不僅局限在太平洋，還可以通過(guò)大氣遠(yuǎn)程傳播到世界的其他區(qū)域（圖5）。

圖5 圣地亞哥的月平均海平面余水位（實(shí)線）與大洋尼諾指數(shù)（Oceanic Nino Index） （虛線）的比較（ONI用因子10表示相關(guān)，單位是度）

圖5顯示了太平洋沿岸水位和ENSO之間的高度相關(guān)。大洋尼諾指數(shù)（ONI）是NOAA的氣候預(yù)報(bào)中心（氣候預(yù)報(bào)中心，1999） 用來(lái)確定ENSO事件的標(biāo)準(zhǔn)方法。它是通過(guò)在尼諾3.4區(qū)域 （5 °N-5 °S，120 °W-170 °W） 相對(duì)于 1971—2000年期間的海面溫度3個(gè)月的滑動(dòng)平均得到的。在圖5中，大洋尼諾指數(shù)用因子10來(lái)分開(kāi)，與余水位進(jìn)行比較。

近岸的站與站之間的余水位是高度相關(guān)的，它們代表了近岸的區(qū)域異常狀況。為了突出強(qiáng)調(diào)近岸的極端大洋狀況，并且確定這些事件的地理范圍，應(yīng)用0.1 m來(lái)界定月均海平面余水位5個(gè)月的平均值（Zervas 2001）。當(dāng)5個(gè)月的均值大于0.1 m時(shí)，定義為正異常；當(dāng)5個(gè)月的均值低于-0.1 m時(shí)，定義為負(fù)異常。

表1列出了太平洋部分站每年極值余水位的月份數(shù)。月余水位超過(guò)0.1 m的年份為正，標(biāo)為紅色；月余水位低于-0.1 m的年份為負(fù)，標(biāo)為蘭色；沒(méi)有極值余水位的年份標(biāo)為0；沒(méi)有資料的年份空白。表中給出了過(guò)去100 a來(lái)海平面異常的時(shí)間段和區(qū)域范圍。

1982—1983年的強(qiáng)厄爾尼諾事件使得關(guān)島、帕果—帕果和夸賈林環(huán)礁低位異常，整個(gè)美國(guó)西部海岸從圣地亞哥到阿拉斯加高位異常。在1985年從俄勒岡州到阿拉斯加發(fā)生了低位異常，1987—1988年在阿拉斯加發(fā)生了高位異常。1988—1989年發(fā)生的強(qiáng)拉尼娜事件導(dǎo)致了關(guān)島的高位異常和從加利福尼亞到阿拉斯加的低位異常。

1992年的厄爾尼諾事件導(dǎo)致了加利福尼亞和阿拉斯加的高位異常。1997—1998年的強(qiáng)厄爾尼諾事件引起關(guān)島、帕果—帕果和夸賈林環(huán)礁低位異常，整個(gè)美國(guó)西部海岸從圣地亞哥到Adak島嶼高位異常。近期，俄勒岡州和華盛頓在2000—2001年經(jīng)歷了低位異常，緊接著，2002年在阿拉斯加發(fā)生了低位異常。

4 結(jié)論

本文通過(guò)典型實(shí)例詳細(xì)介紹了美國(guó)潮位觀測(cè)數(shù)據(jù)的核定及應(yīng)用。中國(guó)作為一個(gè)海洋大國(guó)，潮位觀測(cè)站位較多且觀測(cè)資料歷史較長(zhǎng)，由于受到臺(tái)站遷址、儀器變更、規(guī)范變動(dòng)、地面沉降以及自然環(huán)境變化等影響，部分觀測(cè)資料序列存在不連續(xù)、基準(zhǔn)面不統(tǒng)一以及數(shù)據(jù)異常變化等問(wèn)題。因此，在基于中國(guó)潮位觀測(cè)資料現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，借鑒使用其他國(guó)家資料核定方法，建立一套連續(xù)、基準(zhǔn)面統(tǒng)一的海平面觀測(cè)資料，對(duì)于我國(guó)的海平面和氣候變化研究工作具有重要的意義。

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表1 太平洋1982—2006年極值余水位的月個(gè)數(shù)