近14年东海海平面变化特征分析

近14年东海海平面变化特征分析

1东海海平面低频变化原因东海与南海相连，30n的气候辐射带穿过海气区。位于东亚地区的东海地区。夏季盛行东南风,冬季盛行西北风,从沿岸径流注入较多淡水,故引起其海平面变化的原因有很多,如气压、风、海流、降水、径流等。近年来,随着海平面上升研究的发展,前人对东海海平面的变化及变化原因做了许多有益的探讨,认为ENSO(厄尔尼诺和南方涛动——ElNin˜on˜o,SouthernOscillation)是引起东海海平面低频变化的主要原因。本文利用176个月(1992年10月—2007年5月)的高度计资料,以30°N辐散带为界将东海分为两个海域,分析东海海平面的变化趋势,重点讨论其低频变化规律及其与ENSO的关系,并对其影响东海海平面可能的物理机制进行分析。2海平面异常行为的统计与分析海平面异常数据来源于法国国家空间研究中心(CNES)AVISO数据中心提供的联合多颗测高卫星确定的网格化融合数据MSLA/AVISO,数据时间为1992年10月—2007年5月,时间间隔为7天,其网格为1/3°×1/3°墨卡托投影,平均参考面采用同一网格点内从1993年1月—1999年12月共7年时间段的SLA平均值,纬度范围为63°S～63°N。因数据已进行了仪器误差和相应的地球物理影响因素改正,并且融合了多个高度计的观测结果,所以可以分辨1/3°×1/3°尺度的海平面变化,在全球的大部分区域,其单点精度可达几厘米。数据使用前,预先剔除了同一地理位置的平均值。由于不同纬度数据点的密集程度不同,在计算区域平均海平面时,进行纬度位置加权因子订正,以避免人为夸大中高纬度海平面变化的影响。订正公式为:式中,hk¯¯¯¯hk¯代表第k个时间点的区域平均海平面,i、j代表取样的地理位置,hijk代表对应于地理位置(i,j)和时间(k)的海平面异常,φj代表取样点的纬度。风应力资料(包括经向风应力和纬向风应力)取自马里兰大学数据中心提供的SODA(SimpleOceanDataAssimilation),即简单海洋数据同化数据集。SODA数据集的水平分辨率是0.5°×0.5°,水下数据垂向分40层(5～5374m),时间跨度1958—2005年。在SODA数据集内,纬向风应力和经向风应力变量分别用taux、tauy表示。其中1958—2001年纬向、经向风应力数据由欧洲中尺度天气预报中心ERA40再分析数据提供,而2001—2007年则由QuikSCAT高度计再分析数据提供。采用1992年10月—2005年11月的风应力数据,取距平值后进行了周期为2～7年的低通滤波。南方涛动指数SOI由NOAA(NationalOceanicandAtmosphericAdministration)气候诊断中心资料库提供。南方涛动指数SOI(SouthernOscillationIndex)由太平洋塔希提岛海平面和印度洋达尔文岛海平面之间气压差获得,它代表ENSO现象的大气效应。根据文献的方法,对海平面异常(SLA)时间序列h¯h¯(t)进行处理,即:式中,h¯h¯(t)代表初步处理后的SLA时间序列,a是起始月(t=0)的SLA,b是待定的SLA的线性变化速率,A和B是与周期T相对应的待定系数。为了清楚地显示SLA的低频变化规律及其与ENSO的相关性,对剔除趋势项和周期项的SLA采用Butterworth滤波器进行周期2～7年的带通滤波,获得SLA变化的低频分量ε2-7(t),剩余部分ε0(t)为残差序列。ε2-7(t)包含周期为2～7年的低频分量,简称为SLA的低频分量。3中日东海sla的比较研究认为海水热膨胀和风带来的海水堆积是海平面上升的主要影响因素。由于热膨胀的地理差异、盐度、风场和海流等的变化,海水增暖程度随区域而变化,导致在全球平均海平面上升的大背景下,各个海域海平面变化不尽相同。进行区域平均时,采用矩形范围30°～33°N、117°～131°E代表30°N辐散带以北的长江口海域,23°～30°N、117°～131°E代表30°N辐散带以南的东海海域。图1显示了1992年10月—2007年5月30°N南北两侧海域平均的SLA,ε2-7(t)代表只含2～7年周期成分的SLA低频分量。从图1可以看出,受太阳辐射和风应力等因素的影响,东海平均SLA具有明显的年周期变化和季节变化特征,变化振幅均为10cm量级。东海平均SLA的最高值出现在每年的7—8月份,长江口海域平均SLA多极值现象明显。与太阳相对于纬度的季节性移动对应,东海平均SLA受太阳辐射影响显著。总体东海海平面基本呈上升趋势,长江口海域平均海平面上升趋势相对较明显。最小二乘拟合获得的长江口海域、30°N以南东海的平均海平面上升速率分别为0.412cm/a与0.292cm/a。4变化的sla与soi的相关性分析图2显示了SOI频率谱(图2(a))和时间序列(图2(b))。图2(a)表明,没有滤波的SOI原始时间序列分量主要集中在周期为20～250个月区间,共有4个谱峰,对应周期分别为21个月、29个月、51个月及128个月。图2(b)显示了SOI的时间序列。由频率谱图可以看出,SOI分量集中在周期大于24个月区间。由于主要讨论与厄尔尼诺有关的24～84个月低频分量,故SOI取2～7年周期Butterworth带通滤波,即图中虚线表示。如图2(b)所示,当SOI24-84值小于0时,厄尔尼诺事件发生,而当SOI24-84值大于0时,拉尼娜事件发生。图3为滤波后的南方涛动指数SOI与东海平均SLA低频分量(周期在2～7年之间)及其相关性分析图。图3(a)、(b)分别描述了SOI和30°N两侧东海平均SLA,图中实线代表海平面异常SLA的低频分量,虚线代表南方涛动指数SOI的低频分量。正如图3所显示,SOI的低频分量为负时,厄尔尼诺事件发生,反之为正时,拉尼娜事件发生。图3(a1)和(b1)分别显示了相关系数r(t)随滞后时间t的变化。t的正值代表SLA低频分量滞后于SOI低频分量的时间,t的负值代表SLA低频分量超前于SOI低频分量的时间。为了简便,本文以L代表周期为24～84个月的低频分量,如,LSLA代表SLA周期为24～84个月的低频分量。东海平均海平面除了以较稳定的速率上升外,受大气和海洋动力变化影响严重,表现出较强的年际变化(图3(a)、(b))。从图3(a)、(b)中可以发现,1992—2001年30°N两侧平均LSLA变化趋势基本相同,但是二者位相不同,长江口海域SLA变化滞后于30°N以南海域。据图3(a)显示,长江口海域平均SLA与SOI低频成分表现出反位相性,二者变化趋势基本相反,即LSOI呈现负值时,LSLA为正值;而当LSOI呈现正值时,LSLA为负值。LSOI正负值分别对应厄尔尼诺事件和拉尼娜事件。由此可知,厄尔尼诺事件导致长江口海域海平面上升,拉尼娜事件则导致其下降。30°N以南东海平均LSLA与LSOI关系1998年后二较复杂:1993—1998年二者位相相反,者位相关系发生变化,呈现出较好的同位相关系。相关性分析发现,30°N以南东海平均LSLA与LSOI的同步相关系数r(t=0)为0.133,当LSLA滞后LSOI达6个月时相关系数最大,最大相关系数r(t=6月)为0.617。表1给出了东海平均LSLA与LSOI之间的同步相关系数r(t=0)及最大相关系数rmax。从表1中可知,长江口海域平均LSLA与LSOI呈同步负相关,同步相关系数r(t=0)为-0.649。对比可知,30°N以南东海平均LSLA与LSOI呈非同步正相关性,LSLA比LSOI滞后大约6个月,最大的正相关系数达到0.617。所以,30°N南北两侧东海平均海平面SLA与SOI相关性都比较好。SOI在2～7年的低频分量与厄尔尼诺事件相对应,这表明东海SLA受厄尔尼诺事件影响显著。虽然30°N南北两侧海域的平均海平面SLA与SOI都相关,然而相关的正负却不同,这意味着南方涛动通过大气环流对30°N南北两侧海域风场的调制结果不同,所以对当地海平面的影响也不同。5llusa与la-la低频分量的相关性分析东海跨越30°N大气环流的辐散带,两侧风场的差异使风应力对海平面的影响产生差异。图4显示了东海海域的SLA、纬向风应力距平和经向风应力距平(以下分别用tauxA、tauyA表示,即风应力距平值)的时间序列,并且分别给出了三者之间的相关系数。图4(a)、(b)中实线代表海域LSLA,虚线代表tauxA,点划线代表tauyA;图4(a1)和(b1)分别显示了相关系数r(t)随滞后时间t的变化,横坐标代表滞后时间,纵坐标为相关系数r(t)。从图4可看出,东海两个海域SLA与纬向风应力距平tauxA的低频分量均表现为负相关,即纬向风应力距平LtauxA为负值(东风)时LSLA呈现正异常;LtauxA为正值(西风)时LSLA呈现负异常。这表明,东风引起的海水堆积使东海的SLA增加;西风引起的海水从东海海域向大洋外流使东海的SLA减少。两个海域LSLA与LtauxA的同步相关系数r(t=0)分别为-0.393和-0.500,表明长江口海域LSLA受纬向风应力变化的影响较小;30°N以南海域LSLA受纬向风应力变化的影响较大。表2为东海海域SLA与tauxA、tauyA低频分量的同步相关系数和最大相关系数。据从表2可知,东海LSLA与LtauxA呈负相关性,当LSLA比LtauxA分别超前1个月、滞后2个月时,长江口海域、30°N以南东海海域二者相关性最好,最大相关系数分别为r(t=-1月)=-0.400和r(t=-2月)=-0.576。总体说来,东海海域SLA低频分量受到了tauxA和tauyA调制。30°N以南东海海域LSLA与经向风应力距平LtauyA呈负相关,即经向风应力距平LtauyA为负值(北风)时LSLA呈现正异常;LtauyA为正值(南风)时LSLA呈现负异常。而长江口海域二者情况则相反,表现为正相关性,即经向风应力距平LtauyA为负值(北风)时LSLA呈现负异常;LtauyA为正值(南风)时LSLA呈现正异常。相关性分析发现,两个海域LSLA与LtauyA的同步相关系数r(t=0)前者为-0.307,后者为0.600。30°N以南东海海域LSLA比LtauyA滞后5个月时相关性最好,最大相关系数r(t=5月)=-0.534;当长江口海域LSLA比LtauyA提前2个月时相关性最好,最大相关系数r(t=-2月)=0.629。辐散带在30～35°N徘徊,位于30～33°N,117～131°E的长江口海域恰好在大气环流辐散带的游走区域;位于23～30°N、117～131°E的东海海域在大气环流的辐散带以南。30°N以南的东海海域,纬向风应力距平与经向风应力距平的低频分量变化相似(图4(b)),它们与SLA的低频分量之间的最大相关系数均大于0.5。所以,在此海域的SLA受到风应力纬向和经向两个分量的影响,其纬向风应力影响更大(表2)。与30°N以南的海域不同,长江口海域的风场受辐散带下沉气流影响,其纬向与经向风应力的低频分量变化之间没有明显的相关关系(图4(a)),其经向风应力距平与SLA的低频分量之间的最大相关超过了0.6,但是其纬向风应力距平与SLA的低频分量之间的最大相关仅0.4。所以,在此海域的SLA主要受到风应力经向分量的影响,纬向分量影响不大。从图4(a)、(b)还可以看出,纬向风应力距平LtauxA与当地的经向风应力距平LtauyA在东海两个海域的相关性不同。在30°N以南东海海域,LtauxA与当地的LtauyA之间具有很好的同步相关性;但在30°N以北的长江口海域,LtauxA与当地的LtauyA之间不但不同步,也不存在相关性。这意味着,在30°N以南东海海域,tauxA与当地的tauyA之间有同源或因果关系。中国近海水文状况错综复杂,但风场带来的影响无疑是显著的,为了确定与海平面相关最大的风应力方向,将坐标系旋转,风应力在新坐标系的分量计算公式为:式中,tauxA、tauyA分别为纬向风应力及经向风应力距平,α为坐标系旋转的角度。当α为正值时,坐标系顺时针旋转;当α为负值时,坐标系逆时针旋转。u、v分别代表新坐标系下的风应力距平分量。将新坐标系下的u、v与海域平均SLA低频分量做相关性分析,相关性最好的风应力方向是对海平面影响最大的风方向。即u代表对海平面影响最大的风方向。经过坐标系旋转发现,风应力距平u与SLA低频分量的最大相关系数所对应的角度不同。风应力距平Lu与LSLA相关系数绝对值大于0.5对应的角度α范围是:在长江口海域为16～90°;在30°N以南东海海域为1～36°。当坐标系分别顺时针旋转70°与23°时,长江口海域、30°N以南东海海域风应力距平Lu与LSLA相关系数达到最大。这表明在长江口海域东偏南70°方向的风应力对当地海平面的低频变化影响最大;在30°N以南东海海域东偏南23°方向的风应力对当地海平面的低频变化影响最大。图5(a)、(b)显示了长江口海域、30°N以南东海海域的SLA(实线)与新坐标系下风应力距平u(虚线)低频分量的时间序列,两个海域的风应力距平u分别为坐标系顺时针旋转70°与23°所得到的新坐标系下分量。图5(a1)、(b1)显示了两个海域LSLA与新坐标系下风应力距平Lu的相关系数,其中横坐标代表LSLA滞后于风应力距平Lu时间,纵坐标为相关系数。从图5可看出,坐标系旋转之后获得的风应力距平Lu与LSLA具有更好的相关关系:对于长江口海域,当坐标系顺时针旋转70°后(此时经向风应力即北风分量起主要作用),风应力距平Lu与LSLA之间反位相相关性最好,其中1992年10月到1999年二者基本完全反位相(图5(a));对于30°N以南东海海域,当坐标系顺时针旋转23°时,风应力距平Lu与LSLA之间反位相相关性最好,并且长期保持稳定的负相关(图5(b))。表3为SLA与风应力距平u低频分量的相关性分析结果。从表3可以看出,两个海域的LSLA与东偏南风应力距平低频分量呈现负相关性,同步相关系数r(t=0)分别为-0.635与-0.579。并且当LSLA分别比东偏南风应力距平Lu超前1个月、滞后1个月,即t=-1、t=1时,相关性达到最好,最大相关系数r(t=-1月)、r(t=1月)分别为-0.661和-0.595。综上述,东偏南70°方向风应力距平Lu对长江口海域LSLA影响最大,东偏南23°方向风应力距平Lu对30°N以南东海海域LSLA影响最大。在长江口海域、30°N以南东海海域,在分别为东偏南70°、东偏南23°的风应力方向上,东海海平面LSLA受风应力低频分量影响最显著。在误差范围之内可以认为:两个海域的SLA与东偏南风应力距平的低频变化基本是同步反相的。风应力直接作用于海面,引起水位的变化,当纬向风应力距平tauxA为负值(即东风)和风应力距平u为负值(即东南风)时,向岸风引起海水西行,海水受到陆地阻隔后向岸堆积,从而导致海平面上升;而tauxA为正值(即西风)和u为正值(即西北风)时则引起海水东行,由于东海东临广阔的太平洋,缺少阻隔,海水离岸流入大洋,海平面下降,所以LSLA与LtauxA呈负相关性,LSLA与风应力Lu也呈负相关性。6南70方向的风应力距同—风应力与ENSO关系研究图6(a)、(b)为两个海域的东偏南风应力距平u与SOI低频分量的时间序列,这里u分别代表东偏南70°方向(长江口海域)和东偏南23°方向(30°N以南东海海域)的风应力距平。图6(a1)、(b1)分别给出了在两个海域二者之间的相关系数,其中长江口海域二者之间呈现正相关性;30°N以南海域二者之间呈负相关性。对于长江口海域,当LSOI减小时,Lu减小;反之,当LSOI增大时,Lu增大。30°N以南海域的风应力距平Lu对LSOI响应则相反。表4分别给出了两个海域的tauxA、风应力距平u与SOI低频分量的同步相关相关系数及最大相关系数。据表4可知,长江口海域、30°N以南东海海域的风应力距平u与SOI低频分量的同步相关系数r(t=0)分别为0.787和-0.537。在30°N以北的长江口海域,东偏南70°方向的风应力距平Lu与LSLA同步时,二者之间的正相关达到最大,为0.787;在30°N以南东海海域,东偏南23°方向的风应力距平Lu比LSOI滞后5个月时,二者之间的负相关达到最大,为-0.779。Wang的研究表明,ENSO暖位相时西太平洋以及大西洋地区Hadley环流减弱,而东太平洋地区的则加强。当厄尔尼诺事件发生的时候,SOI减少变成负值。当SOI为负值时,热带西太平洋暖水区的温度降低,热带东部和中部太平洋海域的温度上升。在热带西太平洋暖水区蒸发的水汽减少,在热带东部和中部太平洋海域蒸发的水汽增加,此时对应厄尔尼诺事件。热带西太平洋暖水区蒸发水汽的减少,导致来自暖水区的HADLEY大气经向环流减弱;然而,来自热带东部和中部太平洋海域的HADLEY大气经向环流却增强。东海海域位于“亚印太交汇区”,海陆气相互作用比较复杂。该海域的风场受到东亚季风、西太平洋气流、南亚季风和澳洲季风等多种因素影响,从风应力的低频变化研究其统计规律。从图4可以看到,在1997—1998年的厄尔尼诺事件期间,无论是30°N以南还是以北的海域,向北的经向风应力距平tauyA的低频分量增强。然而,在同时期,向东的纬向风应力距平tauxA的低频分量在两个海域表现迥然不同。在30°N以南的海域,纬向风应力距平LtauxA增强;在30°N以北的海域,纬向风应力距平LtauxA变化很小,没有增强的趋势。从图5和表3可知,在30°N以北的长江口海域,东偏南70°方向的风应力距平Lu对当地海平面异常LSLA的影响最大;在30°N以南的东海海域,东偏南23°方向的风应力距平Lu对当地海平面异常LSLA的影响最大。从图6和表4可以看出,在30°N以北的长江口海域,东偏南70°方向的风应力距平Lu在1997—1998年的厄尔尼诺事件期间达到负方向的极大值,这与向北的经向风应力LtauyA的增强是一致的;在30°N以南的东海海域,东偏南23°方向的风应力Lu在1997—1998年的厄尔尼诺事件期间达到正方向的极大值,这与向东的纬向风应力LtauxA的增强是一致的。30°N是大气的辐散带,ENSO通过Hadley大气环流和辐散带的高气压调制风场,进而对东海海平面产生影响。在30°N附近海域位于辐散带,辐散引起两侧经向风反向,在科氏力影响下,辐散带两侧风向右偏转形成方向相反的纬向风,从而使得辐散带两侧的纬向风对SOI的响应恰好相反。所以,ENSO通过大气环流过程对东海海域的风场产生影响,当地风场通过风应力对海平面变化产生影响,这一结论与薛洪斌等的研究结果基本相同。7风应力与大气环流关系1)统计分析表明,近14年来东海海域的平均海平面呈上升趋势。在长江口海域30°N以南东海的平均海平面上升速率分别为0.412cm/a和0.292cm/a。2)东海