1 引 言

在全球变暖的背景下，热膨胀和冰盖融化等效应导致的全球海平面上升，直接影响到岛屿和沿海地区人类活动。我国沿海地区人口密集、经济发达，海平面上升对中国沿海地区有着极为重要的影响。由于受到海洋动力作用、海水密度变化以及质量输入等过程的影响，区域海平面上升可能与全球海平面上升不同，研究发现中国近十几年来海平面上升速率明显高于全球平均水平，因此有必要对中国近海的海平面变化特征进行更深入的研究。

早期的中国近海海平面分析主要使用验潮站资料(左军成等，1994；Yanag and Akaki，1994)，验潮站观测的是相对于陆地的海平面高度，即相对海平面高度。最近也有类似的分析，如吴涛等(2007)利用验潮站资料分析得到中国海域海平面变化时空差异明显，相对海平面上升率较快的区域是黄河三角洲、长江三角洲、珠江三角洲。Chen et al.(2008)对所选50个验潮站资料进行对比分析发现，整个中国海域1960～2008年海平面上升率为2.3 mm/a，比较大的海平面上升率出现在岛屿或者大的河流入海口，主要是由于河口注入淡水调整和地壳运动导致的。国家海洋信息中心依据验潮站的资料每年定期公布《中国海平面公报》( http://www.coi.gov.cn/gongbao/haipingmian/[2015-03-26])。2011年报告中近50年中国沿海海平面上升2.5 mm/a，2015年报告中1980～2014年中国沿海海平面平均上升速率为3.0 mm/a。

随着卫星资料的发展，近年来的研究多使用卫星高度计资料(Wang et al.，2004；Fang et al.，2006；Zhang et al.，2012；王龙，2013)。虽然卫星高度计资料测量的是相对于参考椭球面的高度，但中国近海海平面依然体现出来显著的升高趋势，上升的速率也与验潮站得出的结果接近。如Wang et al.(2004)使用TOPEX、ERS-2等卫星资料观测的1993～1998年中国海域海平面资料，发现整个中国海域海平面上升趋势为2～3 mm/a。Fang et al.(2006)对南海月平均海平面变化分析发现，1980～2005年南海海平面变化趋势为6.7±2.7 mm/a。而两种资料的差异则主要体现了验潮站地标沉降的速率，如胡志博等(2014)利用卫星资料和验潮站资料比对分析监测香港海平面变化，发现香港验潮站所处的地面存在4.5 mm/a的沉降。

比较发现，虽然通过两种资料的分析对中国近海的海平面的变化趋势已经有较清晰的结论，但结果还存在一定的不确定性，比如对于各季节差异研究较少、不同计算趋势的方法对结果的影响等。此外，由于验潮站的空间采样较稀疏，用验潮站的平均来表征整个海域的状态也存在一定的问题。有鉴于此，本文拟采用验潮站资料和卫星资料，对比分析中国沿海海平面高度变化趋势，并对不同季节的变化趋势进行进一步分析，以明确中国近海海平面上升的基本特征。文中还分析了不同计算方案对趋势计算的影响，以及利用卫星资料检验了稀疏的空间采样点的代表性问题。

2 资料与方法 2.1 数据组成及来源

本文在海平面长期监测网站PSMSL(Permanent Service for Mean Sea Level)收集了中国海域41个验潮站的验潮记录( http://www.psmsl.org/[2014-03- 28])，考虑到中国海域南北跨度较大，将其分为北边的渤海—黄海—东海(BYE)和中国南海(SCS)两部分，二者以厦门为界，其中BYE海域有22个验潮站，SCS海域有19个验潮站(图 1)。验潮站只能依托于陆地，建在大陆或海岛上，因此资料的空间采样具有较大的局限性，比如BYE海域内区就没有观测点，南海内区也只有西沙和南沙两个站点。还有一点需要说明，本文虽然使用了41个站点，但有些站点在研究时间段内并不是都有观测值，因此研究时段两个海域统一取1970～2013年进行研究。此外，为了和卫星资料对比，也将1993～2013年作为研究对比时段。从图 2可以看到，1970年以前BYE海域只有10个站点，SCS海域只有3个站点，而且连云港、北海等验潮站在1994年之后就没有记录了。因此，验潮站资料在时间采样上也存在一定的缺陷。验潮站观测的海表面高度，不仅包含了海水质量源汇和密度变化引起的海表高度变化，也包括了验潮站陆地的垂直变化。

本文也使用了AVISO卫星反演的1993～2013年中国海域的动力高度资料( http://www.aviso.oceanobs.com/[2013-12-31])。卫星资料在空间和时间的采样上相比验潮站资料有了很大改进，但资料时间序列比较短，而且在近海资料会受到潮汐的影响。卫星观测动力海平面是参照大地水准面，包括海水质量和密度变化所导致的海表高度变化。因此，卫星资料和验潮站资料的差异可以在一定程度上反应陆地的垂直变化。

此外，文章使用了Church and White(2011)利用验潮站和卫星资料修正计算的1970～2013年全球平均海平面异常(http://www.cmar.csiro.au/sealevel/index.html[2015-07-01])。根据平均海平面永久服务(Permanent Service for Mean Sea Level，PSMSL)网站数据说明，为保证所有观测数据为正值并在同一基准面上，选取7 m为此基准。为了方便与验潮站资料比对，同样也将Church and White(2011)观测的海平面异常均增加7 m。

2.2 研究方法

本文主要采用了线性回归方法计算海平面变化趋势，并利用Mann-Kendall(MK)方法对趋势进行显著性检验。在分析验潮站观测的区域海平面变化趋势时使用了两种方法，一是将观测的所有验潮站海平面变化进行集合平均，再进行线性回归计算其趋势并进行MK信度检验，并计算趋势的标准差给出一个趋势的变化范围；二是先计算出每个验潮站趋势并进行MK信度检验，最后对通过90%信度的验潮站趋势进行集合平均。二者的差异依赖于时间序列开始和结尾几年中各采样点主要变率的位相情况，由于年际及以上气候变率信号的存在，不同的站点变化位相有差异。后面的结果可以看到，在本文中第二种方法计算出来的趋势较大，但也都在第一种方法的不确定范围内，因此可以认为二者基本相当。

3 验潮站资料分析

由于BYE、SCS海域的地理位置、气候环境条件不同，导致两者区域平均海平面变化趋势各不相同，因此我们将两个区域分开研究。验潮站资料1970年之前观测站点较少，且在下面研究需要与AVISO资料的海平面变化趋势进行比对，因此我们利用区域内所有验潮站海平面变化的集合平均进行线性回归计算了两个时间段(即1970～2013年和1993～2013年)内的平均海平面变化趋势，具体数值在表 1中记为TIDE I，所有趋势均通过了90%的MK检验。

图 2a和2b分别是BYE海域的22个站点和SCS海域的19个站点海平面高度变化，结合图 2和表 1可知，1970～2013年BYE海域上升趋势达到2.5±0.8 mm/a，SCS海域上升趋势为2.4±1.0 mm/a。1993～2013年期间，BYE海域上升趋势达到3.2±1.2 mm/a，SCS海域上升趋势达到3.9±2.2 mm/a。无论是BYE还是SCS海域1970～2013年、1993～2013年区域平均海平面变化趋势均明显上升。比较两个海域，SCS海域的上升趋势要强于BYE海域。比较两个时段，1993～2013年变化的趋势要显著大于1970～2013年的趋势，也就是说近20年，中国近海海平面上升明显在加剧。《中国海平面公报》( http://www.coi.gov.cn/gongbao/haipingmian/[2015-03-26])公布的结果也是如此：2011年报告中近50年中国沿海海平面上升2.5 mm/a，2015年报告中1980～2014年中国沿海海平面平均上升速率为3.0 mm/a。

对比Church and White(2011)计算的1970～2013年和1993～2013年全球平均海平面变化趋势发现，中国海域两个区域的平面变化趋势都明显高于全球平均趋势，也就是说中国近海是海平面上升较剧烈的海域。

为了了解BYE、SCS以及全海域1970～2013年海平面变化趋势随时间变化的特征，对BYE和SCS海域验潮站的集合平均计算了5年和11年的线性趋势，对Church and White(2011)的观测资料也做同样处理(结果见图 3)。两者均可以看出，趋势其本身有着周期振荡并整体缓慢上升的特征，其中5年的线性趋势振荡明显大于11年的，而且SCS海域的振幅要大于BYE海域的。近10年左右，无论是5年还是11年在两个海域海平面变化趋势均有减弱，其原因是受年际和年代际气候变率的影响。全球平均的海平面变化趋势均比BYE和SCS海域小，基本的特征类似。

此外，对BYE和SCS海域海平面变化趋势的季节特征也进行了分析。由表 1可见，1993～2013年期间BYE海域海平面上升趋势秋季最大达到4.1±1.8 mm/a，冬季最小其值为2.8±1.4 mm/a，秋季的最大值是年平均的1.7倍。这与BYE海域温度的季节变化有关，此外，强大的冬季风引起黄渤海海域海平面下降、冬季强大的高压系统共同作用下导致冬季海平面上升趋势最小。1993～2013年期间SCS海域海平面上升趋势春季最大，达到4.2±2.2 mm/a；秋季最小，其值为3.2±2.3 mm/a。

前面是将BYE和SCS海域的验潮站集合平均起来，这里分别计算每个站点的线性趋势，再对通过显著性检验的线性趋势取平均，在表 1中标记为“TIDE I”。利用TIDE II方法计算的1993～2013年BYE和SCS的年均海平面变化趋势分别为3.8 mm/a和4.7 mm/a。与TIDE I比较发现，TIDE II方法计算出来的趋势偏大些，但与TIDE I方法计算结果的变化范围是一致的，而且所体现出来的相对关系(SCS海域大于BYE海域)和季节变化(BYE海域秋季最大，冬季最小；SCS海域春季最大，秋季最小)也一致，因此可以认为两种方法的结果没有本质的差异。对照图 2中的黑色实线发现，无论BYE海域还是SCS海域在研究早期各验潮站海平面变化位相同步，而在研究的后几年，各站点出现位相差，这导致后期的集合平均各站点相互抵消，从而造成了TIDE II获得的区域平均趋势略大于TIDE I获得的区域平均趋势。

为了了解BYE海域22个验潮站和SCS海域19个验潮站研究年份(1970～2013年)内的趋势分布特征，对BYE、SCS和全海域各验潮站的线性趋势的概率分布状况进行了分析。由图 4可知，BYE海域各验潮站获得的海平面变化趋势主要集中在1～3 mm/a，SCS海域各验潮站海平面变化趋势略大，主要集中在2～3 mm/a。BYE海域所有验潮站海平面变化趋势的中位数为2.1 mm/a，SCS海域所有验潮站海平面变化趋势的中位数为3.7 mm/a。从分布上而言，BYE、SCS和全海域的验潮站观测的趋势均近似满足准正态分布，SCS海域的验潮站趋势分布相对比较均匀，且普遍比较高。

为了方便与AVISO资料(1993～2013年)观测的海平面变化趋势的空间分布比较，图 5展示了1993～2013年BYE海域15个和SCS海域10个时间序列相对完整的验潮站海平面变化趋势的空间分布，由图 5可以看出，BYE海域15个验潮站有14个验潮站通过90%的信度检验，SCS海域10个验潮站有5个验潮站通过信度检验。BYE海域北部地区验潮站趋势大于南部地区验潮站趋势，最大值出现在济州和吕泗两个站点，分别由于位于海岛和河流入海口。SCS海域南部地区验潮站趋势大于北部地区，最大值位于西沙等岛屿上。这与Chen et al.(2008)的研究结论是一致的，他们发现中国海域北部海域的海平面上升率略小于南部海域，海平面大的上升率出现在岛屿和河流入海口。

通过以上研究我们发现，中国海域无论是近40年(1970～2013年)还是近20年(1993～2013年)海平面均显著上升。在BYE海域前者为2.5 mm/a，后者为3.2 mm/a，而在SCS海域前者为2.4 mm/a，后者为3.9 mm/a。可以看出，各海区近20年的海平面上升有加速的趋势，且各时段上升速率大于全球平均海平面上升率(2.1 mm/a和2.8 mm/a)。但是，受到海平面的年际和年代际变化的影响，近10年海平面上升趋势放缓，近10年两个海区海平面上升趋势为2.5 mm/a(BYE)和3.1 mm/a(SCS)。海平面趋势变化有着明显的季节变化特征，其中BYE海域秋季最大，冬季最小；SCS海域春季最大，秋季最小。海平面趋势变化也有明显的空间分布特征，SCS海域海平面上升趋势大于BYE海域，且大的海平面上升率出现在海岛和河流入海口。

4 AVISO资料与验潮站资料对比分析

AVISO资料相对验潮站资料具有高时空分辨率的显著优势，利用AVISO资料观测的中国海域海平面变化能够比较全面地反应整个中国海域的海平面变化实际情况。图 6a和6b展示的是AVISO资料观测的BYE和SCS海域海平面高度。SCS海域整体海平面异常明显大于BYE海域，1993～2013年BYE海域海平面高度年平均上升高度为0.5～1.5 m，变化范围比较大，而SCS海域集中在1～1.2 m范围内，变化范围比较小。BYE海域年均海平面高度由西北向东南递增，BYE海域东海黑潮路径附近，对应强的黑潮流量沿着东南部200 m等深线有较大的海平面高度梯度。SCS海域南高北低，并且在东北部开阔洋域出现极小值中心。

首先，我们分别对BYE海域22个验潮站和SCS海域19个验潮站1993～2013年年均海平面变化异常与该验潮站周围[0.8°(纬度)×0.8°(经度)范围内]平均的AVISO资料的海平面变化异常进行比对。图 7是BYE、SCS海域验潮站与AVISO资料观测的海平面异常比对散点图。由图可见，无论BYE海域还是SCS海域AVISO资料和验潮站资料观测的1993～2013年的每年年均海平面异常都具有较高一致性，BYE海域两者相关系数为0.81，SCS海域两者相关系数为0.79。

其次，比较两个海域集合平均的结果。与图 2相同，我们将验潮站周围平均的AVISO资料进行集合平均(表中标记为AVISO I)。图 8展示了AVISO在各验潮站周围海平面异常(黑色实线)、集合平均(绿色实线)及其线性趋势(紫色虚线)。为了方便比较，将图 2中的验潮站资料的集合平均(蓝色实线)及1993～2013年的线性趋势(红色虚线)加上，其数值可以参照“TIDE I”。此外，我们还利用AVISO资料计算了BYE和SCS两个海域整体的平均，用黄色虚线表示(表中标记为AVISO II)，用来考察验潮站空间采样的代表性。

在两个海域，所有验潮站周围AVISO资料的集合平均与验潮站资料的结果非常一致，特别是在BYE海域，也就是说AVISO资料可以很好地反应两个海域海平面变化的年际和年代际变率。AVISO资料获得BYE和SCS海域1993～2013年的海平面变化趋势分别为3.2 mm/a和4.0 mm/a，与验潮站资料的结果非常接近(3.2±1.2 mm/a和3.9±2.2 mm/a)。因此，从总体平均上而言，AVISO和验潮站资料的变化和线性趋势一致。这个结果也可以说明，较显著的地表变化只出现在个别的点上，对整体的结果影响较小。

接下来对AVISO观测的海平面变化趋势的空间分布特征进行分析。图 6c和6d是AVISO观测的BYE、SCS海域海平面变化趋势的空间分布。为了方便对比，各验潮站的结果也一并展示在图上。从图 6c和6d可以看到，虽然集合平均的结果是一致的，但在个别点上AVISO和验潮站资料还是有显著的差异，比如在吕泗和济州两个站点。为了更清晰地看清两份资料的差异，图 9给出了两份资料的站点上线性趋势的散点图和差值的空间分布。从散点图上可以看到，除了BYE海域的吕泗和济州之外，其它的站点上差异都较小。图 9b展示了各点的差值，计算出在验潮站上AVISO资料和验潮站资料的海平面变化趋势的均方根误差为1.97 mm/a。在19个验潮站中只有4个验潮站的差值超出±1.97 mm/a范围，大部分验潮站差值主要集中在±1 mm/a范围内，因此可以认为大部分验潮站观测的海平面变化趋势与其周围AVISO观测的海平面变化趋势差别比较小。此外，SCS海域的差值明显小于BYE海域的差值，开阔海域差值明显小于沿岸差值，如西沙其差值接近0。只有吕泗和济州两个验潮站相对其他验潮站的差值比较大，分别是5.4 mm/a、5.3 mm/a，这里的差异可能与地下水的使用、地震等人为、自然因素导致地表沉降有关。

为了检验潮汐站点空间取样对海域平均值的影响，我们用AVISO资料计算了两个海域的面积进行加权平均，在表 1中记为“AVISO Ⅱ”。从表 1可以看到，区域平均值在BYE海域的上升趋势为2.7 mm/a，而在SCS海域为4.9 mm/a。对比“AVISO I”的计算结果发现，区域平均值在BYE海域要略小于站点平均，而在SCS海域要略大于站点平均(图 8)。对照图 6c和6d可以发现，BYE海域所选的22个验潮站所处位置大多位于AVISO观测的海平面趋势相对较小的地区，而SCS海域所选19个验潮站位置大多位于AVISO资料的海平面趋势相对较大的地区。这也证明了，在BYE海域采用验潮站集合平均估算的区域平均的海平面高度偏大，而在SCS海域则偏小。

通过以上比较可以发现，AVISO资料在描述近20年海平面变化的线性趋势上与验潮站资料接近，偏差主要集中在±1 mm/a以内，较大的差异主要是由验潮站地表发生升降引起的。AVISO和验潮站资料的一致性也从侧面证明了，中国近海海平面上升主要和动力海平面的变化有关。与验潮站相比，AVISO资料在空间和时间采样上有先天的优势，通过对比也发现用验潮站资料估算海域平均的海平面高度变化会有一定的误差，在BYE海域验潮站估计的数值偏高0.5 mm/a，而在SCS海域则偏低0.9 mm/a。

5 结 论

本文分析了中国近海验潮站资料近40年的海表面高度的线性变化趋势，并和AVISO卫星资料进行了对比。通过对验潮站资料的分析发现，中国海域无论是近40年(1970～2013年)还是近20年(1993～2013年)海平面均显著上升。在BYE海域前者为2.5±0.8 mm/a，后者为3.2±1.2 mm/a，而在SCS海域前者为2.4±1.0 mm/a，后者为3.9±2.2 mm/a。可以看出，各海区近20年的海平面上升有加速的趋势，且各时段上升速率大于全球平均海平面上升率(2.1±0.7 mm/a和2.8±1.1 mm/a)。但是，受到海平面的年际和年代际变化的影响，近10年海平面上升趋势放缓，近10年两个海区海平面上升趋势为2.5 mm/a(BYE)和3.1 mm/a(SCS)。

海平面趋势变化有着明显的季节变化特征，其中BYE海域秋季最大，冬季最小；SCS海域春季最大，秋季最小。海平面趋势变化也有明显的空间分布特征，SCS海域海平面上升趋势大于BYE海域，且大的海平面上升率出现在岛屿和河流入海口。

通过AVISO和验潮站资料的对比可以发现，AVISO资料在描述近20年海平面变化的线性趋势上与验潮站资料接近，偏差主要集中在±1 mm/a以内，较大的差异主要是由验潮站地表升降引起的。AVISO和验潮站资料的一致性也从侧面证明了，中国近海海平面上升主要和动力海平面的变化有关。与验潮站相比，AVISO资料在空间和时间采样上有先天的优势，通过对比也发现使用验潮站资料估算海域平均的海平面高度变化会有一定的误差，在BYE海域验潮站估计的数值偏高0.5 mm/a，而在SCS海域则偏低0.9 mm/a。

以上的研究发现，中国区域海平面高度上升要大于全球海平面高度上升趋势，这也再次说明了全球变暖的信号在区域分布上是不均匀的。全球海平面高度主要受到海水热膨胀效应、冰雪圈融化以及地壳变形及其相应的重力位势变化所控制；而区域的海平面变化是在全球变化的大背景下，局地环流和密度变化所导致的。因此，区域和全球的海平面变化存在联系，但也存在显著的差异。