余榮臻，徐華兵，劉 貝

（廣東海洋大學(xué) 電子與信息工程學(xué)院，廣東 湛江 524088）

近年來，隨著全球氣候變暖，海平面上升已成為不爭的事實(shí)。根據(jù)《2018年中國海平面公報(bào)》，1980—2018年中國近海海平面上升速率為3.3 mm/a，高于同時段全球平均水平。中國海域海平面的上升不僅給中國的沿海城市帶來危機(jī)，而且還會導(dǎo)致各種海洋災(zāi)害的發(fā)生。張棟楊等[1]利用“源—路徑—受體—影響”模型分析，得到2006—2016年海平面上升使得中國沿海地區(qū)發(fā)展脆弱性等級整體呈現(xiàn)上升趨勢。研究海平面的變化對中國海洋災(zāi)害的預(yù)防、預(yù)報(bào)和海洋環(huán)境的監(jiān)測、保護(hù)有著十分重要的作用。南海是中國四大海域之一，與中國南方沿岸城市在地理位置上密緊密相連。因此，研究南海海平面的變化對中國南方沿岸城市的經(jīng)濟(jì)、政治有著不可忽視的影響。

自20世紀(jì)70年代衛(wèi)星高度計(jì)發(fā)明以來，衛(wèi)星測高技術(shù)不斷發(fā)展、完善和成熟。衛(wèi)星測高技術(shù)的出現(xiàn)彌補(bǔ)了驗(yàn)潮站的一些缺陷，使得學(xué)者們可以更全面地研究中國海平面的變化，得到更大范圍和更具代表性的結(jié)果。郭金運(yùn)等[2]利用TOPEX/Poseidon、Jason-1和Jason-2衛(wèi)星測高數(shù)據(jù)分析得到，1993年1月—2012年12月中國近海海域的海平面平均上升速率為4.64 mm/a，而南海海平面同期的平均上升速率為4.25 mm/a。國外最新研究表明，1985—2016年中國南海的海平面平均上升速率為7.6 mm/a，在越南沿岸海域的上升趨勢最大[3]。值得指出的是，與全球海平面相比，中國南海的海平面平均上升速率相對比較快[4]。

目前，研究中國南海SLA數(shù)據(jù)的方法不是很全面，數(shù)據(jù)跨度不是很大。本文主要采用多種方法對中國南海1993—2017年的海平面數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，全面分析中國南海（月、季度和年）平均SLA的空間分布和時間變化，并探究其變化周期。

1 數(shù)據(jù)和方法

1.1 數(shù)據(jù)

1.1.1 研究區(qū)域 南海是西北太平洋最大的半封閉邊緣海，海域面積約為350萬km2，最大水深約為5 000 m，平均水深約為1 212 m，是中國最深的海區(qū)之一。本文研究區(qū)域的覆蓋范圍是從0°N—25°N，100°E—122°E。

1.1.2 數(shù)據(jù)來源 本文SLA數(shù)據(jù)資料為TOPEX/Poseidon、Jason-1/2、ERS-1/2和ENVISAT等衛(wèi)星高度計(jì)測高數(shù)據(jù)的融合產(chǎn)品，是法國AVISO數(shù)據(jù)分發(fā)中心提供的網(wǎng)格化SLA數(shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)的空間分辨率為0.25°×0.25°，數(shù)據(jù)的時間尺度為1993年1月—2017年12月，共25 a。

1.2 方法

1.2.1 線性回歸 線性回歸是利用最小二乘法對一個或者多個自變量與因變量之間的關(guān)系進(jìn)行建模的一種回歸分析方法。本文采用最小二乘擬合方法計(jì)算南海平均海平面變化的線性趨勢及變化率，其計(jì)算原理如下：

式中：y為海平面變化；a為常數(shù)項(xiàng)；b為（月、季度和年）變化率；x為時間。

1.2.2 時間序列Winters指數(shù)平滑法 指數(shù)平滑法是通過一定的時間序列預(yù)測模型對現(xiàn)象的未來進(jìn)行預(yù)測。Winters指數(shù)平滑法是對非線性較弱的趨勢性變動和季節(jié)性波動的時間序列預(yù)測的方法[5]。

1.2.3 EMD分析法 EMD分析法的核心思想在于，將時間序列按一定規(guī)則分解成有限個本征模函數(shù)和一個趨勢項(xiàng)的和[6]：

1.2.4 EOF分析法 EOF分析方法是一種通過分析變量場的結(jié)構(gòu)特征，將時空分布的變量場分解成稱作模態(tài)的正交函數(shù)的線性組合的數(shù)學(xué)統(tǒng)計(jì)方法[7]。數(shù)據(jù)分析用主成分分析的方法。主成分分析是一種除去波段之間的多余信息，將多波段的圖像信息壓縮到比原波段更有效的少數(shù)幾個轉(zhuǎn)換波段，從而減少數(shù)據(jù)處理量的方法。

2 結(jié)果和分析

2.1 海平面變化的空間分布

2.1.1 多年平均SLA空間分布特征 對南海每個網(wǎng)格的SLA數(shù)據(jù)求取1993—2017年的時間平均，得到1993—2017年共25 a的平均SLA空間分布情況。從圖1中可以看出，總體上，南海大部分海域的多年平均SLA為正值，只有很少一部分海域出現(xiàn)負(fù)值（菲律賓群島中部海域），南海25 aSLA的總體平均值為3.41 cm，最大為5.11 cm，最小為-1.52 cm。

圖1 南海多年平均SLA的空間分布（單位：cm）

對應(yīng)南海多年平均SLA空間分布，多年平均SLA變化率圖的色標(biāo)由藍(lán)色至紅色表示多年SLA變化率由負(fù)值（海平面下降）到正值（海平面上升）。從圖2中可以發(fā)現(xiàn)，其空間形態(tài)呈現(xiàn)較大差異，不同網(wǎng)格的海平面上升速度不同?？傮w而言，南海全部海域SLA變化率都為正值，平均變化率為4.05 mm/a，最大為6.33 mm/a，最小為1.99 mm/a。這說明南海海域1993—2017年海平面都呈上升趨勢，且12°N—19°N之間的南海中部海域多年SLA變化幅度較大，出現(xiàn)多個正值中心?？梢园l(fā)現(xiàn)，南海中部和東部海域的上升速率比西南部的上升速率要快，而且最大的上升趨勢出現(xiàn)在越南東部海域，主要是受到該地區(qū)上升流的影響[3]。

圖2 南海多年平均SLA變化率的空間分布（單位：mm/a）

2.1.2 南海多年月、季平均SLA空間分布特征 為了研究多年月平均SLA的分布特征，對每個網(wǎng)格求取多年各個月平均SLA，得到了12個月的多年月平均SLA的空間分布（圖3）。本文季節(jié)劃分如下：春季為3—5月；夏季為6—8月；秋季為9—11月；冬季為12月至次年2月。

冬季：冬季盛行東北風(fēng)，它把寒冷干燥的大氣帶到南海，從而通過海氣熱交換來冷卻海面，并且產(chǎn)生一股西南向的沿岸流，使得南海SLA正值區(qū)域逐漸減少。冬季的正異常中心在泰國灣，負(fù)異常中心在呂宋海峽西部和菲律賓群島海域（圖4）。南海12月的月平均SLA達(dá)到全年的次大值9.10 cm（表1）。

春季：由于3至4月黑潮的影響，和5月東北季風(fēng)變成西南季風(fēng)的結(jié)果，南海SLA的負(fù)值區(qū)域先增加后減少，且4月達(dá)到全年最大范圍。3月越南東部SLA出現(xiàn)正異常中心，在4至5月，該正異常逐漸擴(kuò)增，泰國灣的SLA從正異常逐漸變成負(fù)異常。南海的月平均SLA逐漸變成負(fù)值。

夏季：西南季風(fēng)對南海的持續(xù)影響，使得呂宋海峽西部海域的SLA正值區(qū)域逐漸增加，最強(qiáng)風(fēng)速出現(xiàn)在越南海岸線上，使得越南東海岸局部出現(xiàn)了上升流，越南東部海域的正異常中心開始偏移。夏季的正異常中心在呂宋海峽西南部和越南東部，負(fù)異常中心在泰國灣。南海夏季SLA的正異常范圍持續(xù)增大，月平均SLA由負(fù)值逐漸變成正值，6月的月平均SLA達(dá)到全年的最小值-0.77 cm。

秋季：西南季風(fēng)開始減小，南海SLA的正值區(qū)域先增加后減少，且10月達(dá)到最大范圍。呂宋海峽西部海域的SLA從正異常逐漸變成負(fù)異常。泰國灣的SLA從負(fù)異常逐漸變成正異常，西沙群島附近海域SLA的負(fù)異常區(qū)域逐漸增加。南海秋季的月平均SLA逐漸增大，11月達(dá)到全年的最大值9.25 cm。

圖3 南海多年月平均SLA的空間分布（單位：cm）

圖4 南海海域多年季平均SLA的空間分布（單位：cm）

表1 南海各月的SLA平均值以及正（負(fù)）SLA所占比例

1993—2017年共25 a間，對應(yīng)南海多年季平均SLA空間分布，多年季平均SLA變化率見圖5。南海四季的多年季平均SLA變化率全部為正值。春季的正變化率最大值主要分布在越南東部。夏季的正變化率最大值主要分布在呂宋海峽西南部和西沙群島附近。秋季的正變化率最大值主要分布在西沙群島東北部和越南東部。冬季的正變化率最大值主要分布在呂宋海峽西部、西沙群島和泰國灣。可以看出，越南東部的正變化率最大值主要出現(xiàn)在春季和秋季，呂宋海峽西南部的正變化率最大值主要出現(xiàn)在夏季和冬季，即南海的平均SLA有明顯的季節(jié)性變化。

圖5 南海多年季平均SLA變化率的空間分布（單位：mm/a）

2.2 海平面的時間變化

2.2.1 海平面線性變化趨勢 對南海1993—2017年SLA數(shù)據(jù)網(wǎng)格求取區(qū)域平均，得到南海25 a的年、季節(jié)和月平均SLA時間序列，對該序列進(jìn)行線性擬合，得到了南海25 a的年、季節(jié)和月SLA平均變化速率。

如圖6所示，1993—2017年南海海平面的平均上升速率為4.00 mm/a，年平均SLA呈現(xiàn)上升趨勢，從1998年起，年平均SLA全部為正值，南海海平面高度整體上升，并且得到從1993—2002年南海海平面的平均上升速率為7.60 mm/a，而從2003—2017年南海海平面的平均上升速率為4.26 mm/a，即1993—2002年南海海平面平均上升速率高于2003—2017年南海海平面平均上升速率。

圖6 南海年平均SLA的時間變化及其線性趨勢

季平均SLA最大的是秋季，為7.76 cm，最小的是春季，為0.09 cm。冬季為5.45 cm，夏季為0.31 cm。如圖7所示，季平均SLA上升速率最大的是冬季，為4.53 mm/a，最小的是夏季，為3.77 mm/a。

圖7 南海季平均SLA的時間變化及其線性趨勢

在1993—2017年的SLA時間序列基礎(chǔ)上，預(yù)測接下來6年的SLA變化。如圖8所示，南海平均SLA不斷升高，接下來6年最高可達(dá)到將近20 cm。

圖8 用Winters指數(shù)平滑法對南海平均SLA進(jìn)行預(yù)測

2.2.2 海平面周期變化 EMD分解得到的時間序列的第一個分量IMF1是高頻信號，主要是信號的高頻變化，時間序列的第二個分量 IMF2、第三個分量 IMF3和第四個分量 IMF4都為年際震蕩，第五個分量 IMF5為年代際震蕩，隨著分量增加，頻率逐漸變低（圖9）。IMF2主要變化周期是1 a；IMF3主要變化周期是2 a；IMF4主要變化周期是5 a；IMF5主要變化周期是10 a。最后一個分量是1993—2017 年南海海平面單調(diào)遞增的趨勢項(xiàng)。

圖9 南海平均SLA的EMD分析

2.3 海平面變化的EOF分析

如圖10所示，當(dāng)時間系數(shù)為正時，空間分布為正值的南海海平面上升，空間分布為負(fù)值的南海海平面下降，如果時間系數(shù)為負(fù)，則空間分布狀況相反。本文主要對包含了59.8%信息量的前三個模態(tài)進(jìn)行分析，第一模態(tài)占總方差的46.24%，第一模態(tài)的時間系數(shù)呈現(xiàn)上升的趨勢，這表明南海海平面在該區(qū)間內(nèi)呈現(xiàn)上升的趨勢，見表2。而且該模態(tài)的水平梯度是從東南部到西部的。第三模態(tài)主要是以越南東部海域?yàn)橹行牡恼鹗?，這顯示了對該海域的上升流的響應(yīng)（圖11）。

表2 南海海平面EOF分解的模態(tài)信息

圖10 南海海平面的EOF分解的時間系數(shù)

圖11 南海海平面EOF分解的空間分布（單位：cm）

3 討 論

3.1 南海多年平均SLA變化率

本文得到1993—2017年南海全部海域的SLA平均變化率為4.05 mm/a，最小為1.99 mm/a，表明南海海域的海平面都呈現(xiàn)上升趨勢。經(jīng)分析可知南海中部和東部海域的上升速率比西南部的上升速率要快，這與丁榮榮等[8]發(fā)現(xiàn)南海東北部海域海平面高度上升較快，西南部海域海平面上升較慢相吻合。

3.2 南海多年月、季平均SLA

本文發(fā)現(xiàn)南海SLA變化具有非常明顯的季節(jié)性。呂宋海峽西部海域，冬季時海平面高度呈現(xiàn)為負(fù)異常，夏季時呈現(xiàn)為正異常；泰國灣海域，冬季時海平面高度呈現(xiàn)為正異常，夏季時呈現(xiàn)為負(fù)異常；越南東部海域，春季時海平面高度呈現(xiàn)為正異常，秋季時呈現(xiàn)為負(fù)異常。這與劉秦玉等[9]利用POM模式，得出南海海平面高度的季節(jié)變化明顯，冬季與夏季，春季與秋季，海平面高度的異常場型式完全相反的研究成果相似。

冬季的負(fù)異常中心在呂宋海峽西部和菲律賓群島海域，春季的正異常中心在越南東部，夏季的正異常中心在呂宋海峽西南部和越南東部，秋季的負(fù)異常中心在越南東部。這與劉克修等[10]分析得到南海夏季有2個正距平中心，冬季有2個負(fù)距平中心，春季有1個正距平中心，秋季有1個負(fù)距平中心的結(jié)果相同。

3.3 利用最小二乘擬合方法分析海平面線性變化趨勢

本文得到1993—2017年南海海平面的平均上升速率為4.00 mm/a，這與郭金運(yùn)等[2]分析得到南海海平面在1993—2012年的平均上升速率為4.25 mm/a相近。

1993—2002年南海海平面平均上升速率為7.60 mm/a高于2003—2017年南海海平面平均上升速率4.26 mm/a。這與丁榮榮[8]分析得到1993—2002年南海平均海平面上升速率為4.7 mm/a，高于謝友鴿[11]分析得到2004—2015年南海平均海平面上升速率為1.61 mm/a的結(jié)果相類似。

3.4 EMD的海平面周期分析

本文利用EMD分解得到主要周期變化1 a、2 a、5 a、10 a，證明了南海有明顯的年際和年代際變化，這與潘秩等[6]利用EMD等算法，對1993—2015年南海海平面變化的規(guī)律進(jìn)行總結(jié)，得到南海海平面的主要變化周期0.5 a、1 a、1.5 a、2至3 a、4至7 a的研究成果相似。

3.5 海平面變化的EOF分析

SLA第一模態(tài)空間分布主要呈現(xiàn)ENSO模態(tài)，正值主要出現(xiàn)在南海東南部海域，負(fù)值主要出現(xiàn)在南海西部海域。1993—1999年、2002—2006年第一模態(tài)的時間系數(shù)為負(fù)值，在1998年附近出現(xiàn)了極小值，南海東部海域海平面高度下降，南海西部海域海平面高度上升，與1994—1995年、1997—1998年和2002—2003年出現(xiàn)了厄爾尼諾現(xiàn)象吻合。與沈春等[12]分析的南海SLA的EOF第一模態(tài)是ENSO模態(tài)的特征是SLA由西南部向東部傾斜的結(jié)果相同。Ho C R等[13]進(jìn)一步揭示了南海海面高度對ENSO事件的響應(yīng)。

3.6 南海海平面上升的機(jī)理

影響南海海平面上升的機(jī)理主要包括海水的熱膨脹和冰川融化。全球變暖引起的熱膨脹有一個滯后過程，這表明20世紀(jì)溫室效應(yīng)對海平面的影響將在下一世紀(jì)表現(xiàn)出來，世界海平面受熱膨脹的影響還會以一定的速率持續(xù)上升。南極西部冰蓋的穩(wěn)定性決定了未來海平面是否在短時間內(nèi)上升，下一世紀(jì)海平面的上升幅度在30～60 cm之間[14]。

4 結(jié) 論

本文針對中國南海1993—2017年的SLA數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。利用線性擬合分析，得到1993—2017年中國南海海平面的平均上升速率為4.00 mm/a，說明近25 a中國南海的海平面高度上升。對南海多年平均SLA空間分布進(jìn)行分析，得到南海大部分海域的多年平均SLA為正，只有很少一部分海域出現(xiàn)負(fù)值（菲律賓群島中部海域）。對南海的四季進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)SLA平均上升速率最大的是冬季，最小的是夏季，且南海海平面高度變化具有明顯的季節(jié)性變化規(guī)律。利用Winters指數(shù)平滑法分析，預(yù)測到相比1993年，2023年南海平均海平面高度可達(dá)到將近20 cm。利用EMD方法分析，得到南海有明顯的年際和年代際變化。利用EOF對前三個主成分分析，發(fā)現(xiàn)第一模態(tài)是ENSO模態(tài)，說明ENSO對中國南海海平面的作用不可忽視。