为什么海平面看不出季节性?

许多地方的海平面确实有季节性周期——但各地不同,相对于潮汐和风暴增水来说幅度较小,而且会随时间变化。

直接答案

许多地方的海平面其实确实表现出季节性——只是不存在一个统一的全球涨落模式。以中国近海为例,在单个潮位站,季节周期占月际海平面变化的37%到94%,振幅为18至59厘米[3]。海平面看起来“没有季节性”,是因为季节峰值出现的时间和大小沿岸各地不同,而且这个周期会随年份漂移,因此并不存在一个全球统一的季节信号[3][5]。

5篇文献引用

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为什么不存在一条全球统一的海平面季节曲线

海平面的季节性由几种不同的物理过程驱动,而这些过程并不都在同一时间、同一地点达到峰值。在中国近海,研究人员识别出四种不同的季节周期形态:不对称波、平坦背景上的尖峰、相对平坦的信号,以及对称波[3]。不对称型出现在中国北方、台湾、韩国、日本和菲律宾,主要由“逆气压计”效应主导——即大气压较高时海面被压低,气压较低时海面上升——同时还有比容贡献,也就是海水随温度升高或降低而膨胀或收缩[3]。中国东部和南部沿海的尖峰型则与季节性季风和淡水交换有关[3]。由于不同区域受不同过程支配,它们的季节峰值出现在一年中的不同时间,这就模糊了任何单一的全球模式。

这些区域周期在出现的地方幅度相当可观。中国近海的18至59厘米范围,与对沿海洪水有影响的水位异常量级相当[3]。所以,“海平面缺乏季节性”这一说法其实是针对全球平均而言,而不是针对任何具体的海岸线。

季节峰值会移动,反而掩盖了规律

即使存在季节周期,其时间也不是固定的。一项全球分析发现,平均海平面和风暴增水的规律性、可预测的季节周期在一些地点表现出非平稳性——也就是说,预期的峰值可能比过去来得更早或更晚[5]。这很重要,因为如果平均海平面的高值期转移到风暴或大潮也达到峰值的季节,沿海洪水风险就会上升[5]。一个相位漂移的周期,更难被识别为稳定的季节特征。

大尺度气候模式也会重塑这一周期。同一项分析发现,大尺度气候变率的主要模态会影响海平面和风暴增水季节周期的变化,而且在所研究的大部分潮位站,平均海平面和风暴增水的峰值出现在彼此相隔30天以内[5]。与此同时,海浪的季节性随时间更为稳定,峰值在研究期间大多出现在同一个月[5]——这是一个有用的对比,说明并非所有沿海变量都表现相同。

海平面的季节性可以提前数月预测

沿海水位的季节性和年际波动不只是噪声——它们抬高了风暴增水和潮汐作用的基线,而且有可能提前数月预测[4]。在澳大利亚北部和西部海岸,与热带气候驱动因素相关的海平面异常可达±20厘米,一个季节预报系统在那里提前一至八个月显示出预报技巧[4]。将逆气压计效应作为后处理步骤加入后,大部分海岸的预报技巧得到改善,尤其是东部[4]。预报技巧主要来自该系统预测厄尔尼诺-南方涛动及其通过海洋遥相关与澳大利亚海平面联系的能力,其他变率模态的作用较小[4]。

这种可预测性正是季节性的实际另一面:这个周期足够真实,与大尺度气候模式的联系也足够紧密,因此可以被预报。如果海平面完全没有季节结构,这就不可能做到。

为什么现在的洪水风险评估要把季节性算进去

季节结构对估算极端海平面也很重要,而沿海防洪设施正是围绕极端海平面设计的。一种较新的统计方法把海平面视为两个部分:可预测的峰值潮位,以及随机的偏斜增水——即观测到的最高潮位与预测最高潮位之差[1]。该方法通过在增水尾部模型中添加日项,并让峰值潮位的分布随月份和年份变化,来捕捉年内季节性[1]。作者报告说,这改进了以往的回归水位估算,后者通常低估了这些值[1]。

换句话说,季节性足够真实,忽略它会使洪水规划所用的数字产生偏差。海平面之所以看起来没有季节性,不是因为周期不存在,而是因为它因地区而异、有时会移动,而且往往小于主导日常水位的潮汐和增水。

本文引用的文献

1

在极端海平面估算中考虑季节性

一种估算极端海平面的新统计方法捕捉了年内季节性、年际变化和长期变化,并改进了以往通常低估回归水位的方法。

2

在极端海平面估算中考虑季节性

同样的季节极端海平面方法用非平稳广义帕累托尾部对偏斜增水建模,并让峰值潮位分布随月份和年份变化,在四个英国潮位站做了示例。

3

中国近海海平面季节变率的驱动因素

在中国近海,季节周期解释了81个潮位站月海平面变化的37%–94%,振幅为18–59厘米,四种不同的周期形态由不同过程驱动。

4

澳大利亚海岸的季节性海平面预报

与厄尔尼诺-南方涛动相关的澳大利亚沿海海平面异常可达±20厘米,可提前一至八个月有技巧地预报,加入逆气压计效应后有所改善。

5

分析海平面、风暴增水和海浪季节周期的全球变化

平均海平面和风暴增水的季节周期在一些地点出现时间发生了移动,在许多潮位站两者峰值相隔30天以内,而海浪的季节性更为稳定。