舟山市沿海海平面上升預(yù)測(cè)和淹沒分析

丁 駿,江海東,應(yīng) 岳

(1. 浙江大學(xué)建筑工程學(xué)院，浙江 杭州 310058；2. 浙江省海洋監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)中心，浙江 杭州 310007；3.舟山市海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)中心,浙江 舟山 316100)

舟山市沿海海平面上升預(yù)測(cè)和淹沒分析

丁 駿1，2,江海東3,應(yīng) 岳3

(1. 浙江大學(xué)建筑工程學(xué)院，浙江 杭州 310058；2. 浙江省海洋監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)中心，浙江 杭州 310007；3.舟山市海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)中心,浙江 舟山 316100)

舟山市是我國(guó)唯一以群島設(shè)置的地級(jí)市，是受海平面上升影響最直接的地區(qū).采用3種數(shù)學(xué)統(tǒng)計(jì)分析方法來(lái)模擬和預(yù)測(cè)舟山市沿海海平面的上升速率和未來(lái)的上升值，然后通過(guò)情景設(shè)定未來(lái)的海平面上升值遇上百年一遇潮位，基于GIS技術(shù)分析了其最大可能的淹沒范圍.

海平面上升；預(yù)測(cè)；隨機(jī)動(dòng)態(tài)；淹沒分析

0 引 言

海平面是由驗(yàn)潮儀長(zhǎng)期觀測(cè)和記錄的潮位平均值，其變化受天文、氣象、水文、地理和海洋諸多要素綜合影響.全球氣候變暖造成海水膨脹、極地冰蓋和陸源冰川冰帽等融化，是引起全球海平面上升的主要原因.而沿海地區(qū)不斷活躍的經(jīng)濟(jì)活動(dòng)使得地面沉降速度加快，也加劇了海平面的上升趨勢(shì).

近30年，浙江沿海的年代際海平面呈明顯上升趨勢(shì).自2001年以來(lái)，浙江沿海的海平面總體處于歷史高位，2001—2010年的平均海平面比1991—2000年的平均海平面高約22 mm，比1981—1990年的平均海平面高約46 mm.

舟山市是我國(guó)唯一以群島設(shè)置的地級(jí)市，位于我國(guó)海岸線的中部，總面積為2.224萬(wàn)km2，其中海洋面積占了93.5%.由于其獨(dú)特的地理位置和特殊的地理環(huán)境，舟山是受臺(tái)風(fēng)、風(fēng)暴潮等海洋災(zāi)害影響嚴(yán)重的地區(qū)之一.舟山沿海海平面的長(zhǎng)期變化波動(dòng)較大，總體呈上升趨勢(shì).從已掌握的鄰近長(zhǎng)期驗(yàn)潮站近50年觀測(cè)記錄分析結(jié)果可知，自20世紀(jì)60年代以來(lái)，沿海10年平均海平面上升明顯.2001—2010年的平均海平面較1961—1970年的平均海平面高113 mm，較1971—1980年的平均海平面高69 mm，較1981—1990年的平均海平面高60 mm，較1990—2000年的平均海平面高35 mm.而在近50年(1960—2007年)來(lái)的最前10位的年最高潮位記錄中，有5例發(fā)生于2000年以后.顯然，這是一個(gè)極其明確的警示，它提醒我們必須密切地關(guān)注氣候變化對(duì)于人類的種種影響.2011年，國(guó)務(wù)院正式批準(zhǔn)成立浙江舟山群島新區(qū)，舟山成為我國(guó)繼上海浦東、天津?yàn)I海、重慶兩江、陜西西咸新區(qū)后又一個(gè)國(guó)家級(jí)新區(qū)，也是首個(gè)以海洋經(jīng)濟(jì)為主題的國(guó)家級(jí)新區(qū).因此，在舟山開展海平面上升的預(yù)測(cè)與分析也顯得極為重要.

海平面上升預(yù)測(cè)自20世紀(jì)90年代就在國(guó)內(nèi)開始開展.黃立人[1]討論了海面變化趨勢(shì)預(yù)測(cè)的困難,建議采用動(dòng)態(tài)預(yù)測(cè)的方法.田暉等[2]提出中國(guó)沿岸海面變化速率的估計(jì)和一種髓機(jī)動(dòng)態(tài)預(yù)測(cè)模型，指出東中國(guó)海的平均海面平均以18 mm/a的速率上升.左軍成等[3]用經(jīng)驗(yàn)正交函數(shù)法與隨機(jī)動(dòng)態(tài)方法結(jié)合起來(lái), 分析了中國(guó)沿岸5個(gè)站的海平面變化,各站均衡基準(zhǔn)下的海平面線變速率平均為2.4 mm/a.羊天柱等[4]用統(tǒng)計(jì)學(xué)的方法對(duì)浙江沿岸海平面進(jìn)行了研究, 采用多種海平面上升預(yù)測(cè)模式進(jìn)行了計(jì)算和預(yù)測(cè), 結(jié)果表明：浙江沿岸過(guò)去30年間海平面平均上升速率為(2.63±0.06) mm/a.段曉峰等[5]根據(jù)海平面上升風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估研究框架, 總結(jié)了海平面上升、海岸侵蝕、風(fēng)暴潮淹沒、海水入侵、濕地喪失等方面的研究現(xiàn)狀, 在此基礎(chǔ)上, 分析了目前研究存在的不足, 并提出了海平面上升風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估未來(lái)研究的關(guān)鍵問題.何朗等[6]研究了全球氣候變暖帶來(lái)的海平面上升及其影響, 利用海水的熱膨脹原理和冰蓋的質(zhì)量平衡原理, 得到了海平面上升的預(yù)測(cè)模型, 并且運(yùn)用該模型對(duì)未來(lái)50 年全球海平面上升的情況進(jìn)行了預(yù)測(cè).于宜法[7]回顧和總結(jié)了近年來(lái)有關(guān)我國(guó)近海地區(qū)海平面變化的研究進(jìn)展，綜述了海平面變化的原因、海平面資料獲取手段的發(fā)展, 分析研究海平面變化的方法和模型以及海平面上升速率方面的主要成果.

1 資料和方法

1.1 資料

岱山驗(yàn)潮站的前身為長(zhǎng)涂海洋水文氣象站，該站建于1959年7月，其驗(yàn)潮站位于長(zhǎng)涂江南海軍三號(hào)碼頭(122°14′E，30°15′N)，11月開始使用水尺組觀測(cè).1976年9月在海軍七號(hào)碼頭建立驗(yàn)潮井，啟用自記驗(yàn)潮儀.由于驗(yàn)潮站改建岱山高亭，該站于2002年底停用.

岱山驗(yàn)潮站位于岱山高亭港(122°14′E，30°14′N)，建于2002年6月，為島式驗(yàn)潮井，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，驗(yàn)潮井平臺(tái)面積23 m2.底質(zhì)為裸露強(qiáng)風(fēng)化巖，低潮位時(shí)水深1 m以上，風(fēng)浪影響小，水流較急，不淤積.目前使用的水位計(jì)為國(guó)家海洋技術(shù)中心生產(chǎn)的浮子式水位計(jì)(型號(hào)為SCA11-3A).

本文主要利用岱山站的1978—2010年海平面觀測(cè)數(shù)據(jù)分析舟山市沿海海平面上升的狀況.淹沒分析所用到的數(shù)字高程模型(DEM)來(lái)自浙江省測(cè)繪局1∶10 000的測(cè)繪高程數(shù)據(jù)(2005年和2006年)，數(shù)據(jù)有滯后性.

1.2 方法

1.2.1 一維線性模擬和預(yù)測(cè)

一維線性模擬是一種最簡(jiǎn)單的線性回歸形式.采用一條合理的直線表示變量與時(shí)間t之間的關(guān)系.某一時(shí)間序列Y(t)，用ti表示時(shí)間，建立Y(t)與ti之間的一元線性回歸方程：

Y(t)=a+bti,i=1,2,3，…，n

(1)

其中：Y(t)為年平均海平面，t為年份，a為回歸常數(shù)，b為回歸系數(shù).a、b可以用最小二乘法進(jìn)行估計(jì).

1.2.2 19年滑動(dòng)平均模擬和預(yù)測(cè)

一些眾所周知的天文周期，如18.61年(月球軌道升交點(diǎn)西行周期)、11.13年(太陽(yáng)黑子活動(dòng)周期)、8.85年(月球近地點(diǎn)和遠(yuǎn)地點(diǎn)的移動(dòng)周期)、3.57年(天文分潮周期)和1.19年(地極移動(dòng)周期)等，這些也必然在不同程度上對(duì)海平面的波動(dòng)變化產(chǎn)生影響.有關(guān)研究表明，我國(guó)沿海交點(diǎn)分潮的振幅約在2cm～4cm之間，這就意味著在18.61年期間海平面將由此產(chǎn)生4cm～8cm的升降變化.19年滑動(dòng)平均就是為了去除18.61年的天文周期對(duì)海平面的影響.

先對(duì)年平均海平面數(shù)列進(jìn)行19年的滑動(dòng)平均，然后對(duì)滑動(dòng)平均后的數(shù)列采取一維線性回歸方程模擬和預(yù)測(cè).

1.2.3 隨機(jī)動(dòng)態(tài)模型模擬和預(yù)測(cè)

隨機(jī)動(dòng)態(tài)分析預(yù)測(cè)模型利用功率譜分析方法尋找海平面變化周期；使用F檢驗(yàn)法確定周期的顯著性；根據(jù)殘差序列性質(zhì)，建立隨機(jī)序列AR模型.

某一時(shí)間序列Y(t)，設(shè)有N個(gè)月均海平面計(jì)算，將其分解為下面的疊加形式：

Y(t)=T(t)+P(t)+X(t)+α(t),

(2)

其中:Y(t)為月海平面值,T(t)為確定性趨勢(shì)項(xiàng),P(t)為確定性的周期項(xiàng),X(t)為一剩余隨機(jī)序列,α(t)為白噪聲序列.

只要找出序列中確定性部分和隨機(jī)性部分的具體表達(dá)形式及系數(shù)，即可對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合并采用外推進(jìn)行預(yù)報(bào).

對(duì)于確定性的T(t)，本文取趨勢(shì)項(xiàng)為二次多項(xiàng)式，

T(t)=A0+B0t，

(3)

其中:A0為起始月(t=0)的海平面，B0為待定的海平面的線性變化速率.假設(shè)在序列中找到了k個(gè)周期項(xiàng)，則周期項(xiàng)為

(4)

其中:ai、bi為與周期Ti相對(duì)應(yīng)的待定系數(shù)，它們與該周期的振幅Ai、初相φi的關(guān)系為

從而初步模型可寫為

(5)

序列中隱含的周期用最大熵譜方法尋找.理論上，要求得精確的趨勢(shì)項(xiàng)，就要求數(shù)據(jù)中的周期項(xiàng)盡可能地消除，而想求出真實(shí)的周期，就必須將數(shù)據(jù)平穩(wěn)化，因而就要去掉趨勢(shì)項(xiàng).本文作如下處理以解決此矛盾：經(jīng)過(guò)上面的步驟將線性趨勢(shì)和周期求出后，將原始數(shù)據(jù)中的周期部分去掉，求出剩余數(shù)據(jù)中的趨勢(shì)項(xiàng)，將這一趨勢(shì)項(xiàng)代回原始數(shù)據(jù)中，從中去掉該趨勢(shì)項(xiàng)，這樣得到的數(shù)據(jù)將比上一次的數(shù)據(jù)更接近平穩(wěn)的要求，對(duì)這一序列進(jìn)行周期分析，從而可以得到較上次更理想的周期.這種過(guò)程可以繼續(xù)下去，直到求周期時(shí)的序列通過(guò)平穩(wěn)性檢驗(yàn).

2 海平面上升分析與預(yù)測(cè)

2.1 舟山市沿海海平面變化分析

舟山沿海海平面的長(zhǎng)期變化波動(dòng)較大，總體呈上升趨勢(shì).從已掌握的長(zhǎng)期驗(yàn)潮站近50年觀測(cè)記錄分析結(jié)果可知，自20世紀(jì)60年代以來(lái)，沿海10年平均海平面上升明顯.如圖1，2001—2010年的平均海平面較1961—1970年的平均海平面高11.3cm，較1971—1980年的平均海平面高6.9cm，較1981—1990年的平均海平面高6.0cm，較1990—2000年的平均海平面高3.5cm.

圖1 岱山站年均海平面10年變化

2.2 一維線性模擬

從浙江省舟山岱山站年均海平面歷年變化曲線(圖2)中可見，年均海平面明顯趨于升高，1978—2010年增加了8.8 cm，增加率為0.28 cm/a，相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.79，通過(guò)了99.9%的顯著性檢驗(yàn).

圖2 岱山站年均平面一維線性模擬

2.3 19年滑動(dòng)平均處理后的年平均海平面模擬

從浙江省舟山岱山站1987—2001年年均海平面19年滑動(dòng)平均與線性模擬(圖3)可見，年均海平面明顯趨于升高，1987—2001年增加了4.1 cm，增加率為0.29 cm/a，相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.995，通過(guò)了99.9%的顯著性檢驗(yàn).

圖3 岱山站年均海平面19年滑動(dòng)平均模擬

2.4 隨機(jī)動(dòng)態(tài)模型

如圖4所示，基于隨機(jī)動(dòng)態(tài)模型的預(yù)測(cè)，1980—2010年，舟山沿海的海平面平均上升了8.0 cm，平均上升速率為0.28 cm/a.

圖4 岱山站年均海平面隨機(jī)動(dòng)態(tài)模擬

2.5 3種方法的比較

采用3種方法對(duì)舟山岱山站的年均海平面進(jìn)行了模擬和預(yù)測(cè).根據(jù)模擬數(shù)列，統(tǒng)計(jì)了3種方法模擬的相關(guān)系數(shù)和絕對(duì)值誤差，具體見表1.統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明隨機(jī)動(dòng)態(tài)模型的模擬效果最好.

表1 3種統(tǒng)計(jì)方法的比較

2.6 海平面變化預(yù)測(cè)

上述3種方法的預(yù)測(cè)結(jié)果顯示,舟山市沿海海平面近30年的上升速率在0.28～0.29 cm/a.我們?nèi)‰S機(jī)動(dòng)態(tài)模型模擬上升值0.28 cm/a，預(yù)測(cè)舟山沿海2020年、2050年及2100年的海平面將分別上升2.8、11.2和25.2 cm.(相對(duì)于2010年海平面)

3 海平面上升淹沒分析

為了綜合反映水文變量的地區(qū)規(guī)律性，克服經(jīng)驗(yàn)頻率曲線外延的主觀性，水文頻率計(jì)算引入了能用數(shù)學(xué)方程式表示的頻率曲線——理論頻率曲線，來(lái)配合經(jīng)驗(yàn)頻率曲線點(diǎn)距.迄今為止，國(guó)內(nèi)外采用的理論線型有10 多種.根據(jù)我國(guó)多年使用經(jīng)驗(yàn)，認(rèn)為皮爾遜Ⅲ型曲線(PⅢ 曲線)比較符合我國(guó)多數(shù)地區(qū)水文和氣象的實(shí)際情況.因此，在我國(guó)水利、公路、鐵路等工程有關(guān)規(guī)范及水文和氣象統(tǒng)計(jì)中，大多數(shù)采用PⅢ型曲線，作為近似于水文和氣象現(xiàn)象總體的頻率曲線線形，在洪(枯)水流量、降雨徑流以及波浪高度的頻率分析中廣泛應(yīng)用.

本文利用PⅢ頻率曲線計(jì)算岱山站的百年一遇高潮位，計(jì)算結(jié)果為323 cm.

海平面上升的最大可能影響范圍分析主要基于GIS技術(shù)，根據(jù)舟山地區(qū)DEM數(shù)據(jù)，在給定的不同情景下確定最大可能影響范圍.

目前通用的海平面評(píng)估方法主要依據(jù)未來(lái)相對(duì)海平面上升高、中、低值，疊加平均高潮位、歷史最高潮位和多年一遇極值潮位，分別評(píng)估在不考慮和考慮現(xiàn)有防護(hù)設(shè)施能力的條件下的可能淹沒面積、受災(zāi)人口、經(jīng)濟(jì)損失和生態(tài)損失.考慮到舟山市大部分海塘的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)達(dá)到百年一遇，所以本文使用舟山未來(lái)海平面上升預(yù)估值結(jié)合百年一遇潮位值來(lái)開展淹沒分析.

由于沿海堤防高程數(shù)據(jù)不全，本評(píng)估是在不考慮堤防設(shè)施的條件下，根據(jù)地面高程數(shù)據(jù)，計(jì)算低于海平面上升情設(shè)定高度下的范圍.

舟山沿海的百年一遇潮位為323 cm(相對(duì)于85高程)，結(jié)合對(duì)未來(lái)海平面上升的預(yù)測(cè)，設(shè)定2020年、2050年和2100年海平面上升的最大可能影響范圍計(jì)算值分別為334、356、394 cm.利用GIS技術(shù)分別獲得2020年、2050年和2100年的最大可能淹沒范圍，如圖5所示，受到影響的面積約為289、300、319 km2.

圖5 2100年舟山市沿岸受海平面上升最大可能淹沒范圍

4 結(jié) 論

利用舟山市岱山海洋站的資料來(lái)分析舟山市沿海海平面的上升速率，采用3種分析方法計(jì)算所得的上升速率在0.28～0.29 cm/a，其中動(dòng)態(tài)預(yù)測(cè)模型模擬效果最好，相關(guān)系數(shù)最高，平均絕對(duì)誤差最小.本文使用動(dòng)態(tài)預(yù)測(cè)模型預(yù)測(cè)舟山沿海2020年、2050年及2100年的海平面將分別上升2.8、11.2和25.2 cm.

根據(jù)上述預(yù)測(cè)的未來(lái)舟山市沿海海平面的上升值，疊加上百年一遇潮位，利用GIS技術(shù)分別獲得2020年、2050年和2100年的最大可能淹沒范圍分別為289、300、319 km2.

海平面上升是一個(gè)緩慢的過(guò)程，對(duì)沿海地區(qū)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的影響不會(huì)立馬顯現(xiàn)，但社會(huì)發(fā)展是長(zhǎng)久的，當(dāng)海平面上升達(dá)到一定幅度時(shí)，將淹沒沿海低洼地區(qū)，對(duì)沿海工程、港口、防護(hù)堤壩等產(chǎn)生破壞性影響.所以要充分重視海平面上升帶來(lái)的影響，開展海平面變化影響評(píng)價(jià)和脆弱性區(qū)劃，科學(xué)、準(zhǔn)確地評(píng)價(jià)海平面變化影響的范圍和程度.

[1] 黃立人.海面變化趨勢(shì)的動(dòng)態(tài)預(yù)測(cè)[J].海洋通報(bào)，1991(1)：1-6.

[2] 田暉，周天華，陳宗鏞.平均海平面的一種隨機(jī)動(dòng)態(tài)預(yù)測(cè)模型[J].青島海洋大學(xué)學(xué)報(bào)，1993(1)：33-42.

[3] 左軍成，陳宗墉，周天華.中國(guó)沿岸海平面變化的一種本征分析和隨機(jī)動(dòng)態(tài)聯(lián)合模型[J].海洋學(xué)報(bào)，1996(2)：7-14.

[4] 羊天柱，應(yīng)仁方，張俊彪,等.浙江沿岸海平面研究和變化預(yù)測(cè)[J].東海海洋，1999(4)：1-11.

[5] 段曉峰，許學(xué)工.海平面上升的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估研究進(jìn)展與展望[J].海洋湖沼通報(bào)，2008(4)：116-122.

[6] 何朗，周薇，張應(yīng)碧,等.未來(lái)海平面上升的預(yù)測(cè)及其影響[J].數(shù)學(xué)雜志，2008(5):555-558.

[7] 于宜法.中國(guó)近海海平面變化研究進(jìn)展[J].中國(guó)海洋大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2004(5)：713-719.

SeaLevelRisePredictionandSubmergingAnalysisofZhoushanCoastalAreas

DING Jun1，2, JIANG Haidong3, YING Yue3

(1.College of Civil Engineering and Architecture, Zhejiang University, Hangzhou 310058, China; 2.Marine Monitoring Forecasting Center of Zhejiang, Hangzhou 310007, China; 3.Marine Monitoring Forecasting Center of Zhoushan, Zhoushan 316100, China)

Zhoushan, the only prefecture-level city which sets up on group of islands in China, is the most severe area affected by sea level rise directly. This paper simulated and forecasted the rate and future value of sea-level rise in Zhoushan coastal areas with the analysis of three kinds of athematical statistical methods, and analyzed the submerged areas of maximum possibility based on GIS technology through the scenario of future sea-level rise meeting the hundred years tide.

sea-level rise; prediction; stochastic dynamic; submerging analysis

2013-04-10

丁 駿(1978—)，男，工程師，主要從事海洋預(yù)報(bào)研究.E-mail:ddjj7888@sina.com

10.3969/j.issn.1674-232X.2013.04.017

P714

A

1674-232X(2013)04-0373-06