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如何对海平面变化进行评估监测

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  海平面(Sea level)是海的平均高度。指在某一时刻假设没有潮汐、波浪、海涌或其他扰动因素引起的海面波动,海洋所能保持的水平面。它是通过与标准水平面的高度比较来确定的,然而由于牵涉到一些复杂且困难的测量,使得精确确定海平面成为一个困难的工作。一般人认为海平面是平面,如果大海真的是平面的话,那么整个地球表面的海域将连成一体,同时“地球是一个椭球形”这一说法就不成立了。

  这要从影响海平面不平的两个主要因素谈起。一是涨潮、落潮、风暴和气压高低等因素,使海面始终不能归于平静;二是海底地形的不同,也决定了海面的不平。海底的地形是十分复杂的,它不仅分布有巍峨的海底山脉、平缓的海底平原,而且还有许多陡峭的海底深沟。由于受海底地形的影响,一个海区的海面会低于或高于另一个海区几米、甚至十几米。一般来说,海底是一座山脉的地区,海面就比其他海域高一些;而海底是一个盆地的地区,海面就比其他海域要低一些。同是大西洋海域,波多黎各海下是一片凹地,因而这一地区的海面就比周围地区明显的低;而巴西东部由于海下有一座3500米的海岭,所以这里的海面就比其他地区要高。

  尽管风、海底地震和潮汐总是引起的海面涨落,但是人们还是认为海面是平坦的。随着人造卫星测量技术的发展,人们发现,甚至风平浪静的海面也是坑坑洼洼的。有些地区海面凸起,有些地区海面凹陷。两者最大可以相差100多米。但是,因为海平面凹凸的变化在1000千米以上的广泛范围内逐渐变化,所以不容易被航海者察觉。通过卫星测量,人们发现海洋表面有三个较大的隆起区域,一个在澳大利亚东北部海区,隆起高达76m;第二个区域在北大西洋,隆起高度是68m;另一个在非洲东南部,隆起区域高为48m。地球的表面是曲面,海水受地心引力影响依附在地表,因此地球上的海“平”面也是曲面。

  由于气候、气象、海洋、地球物理和天文等因素,引起海平面产生的周期性或非周期性的变化。海平面的周期性变化表现为潮汐现象;海平面的非周期性变化表现为海面上升或下降。由于温室效应的影响,极地冰帽和冰川的后退,引起海水体积的增加,使得全球的海平面有上升的趋势。不同的海区海平面上升的速度也不同,估计全球海面升降变化的平均值约为每年1.5mm。此外,因沿岸陆地地壳垂直形变的影响,使得海平面的绝对变化与海平面和沿岸陆地之间的相对变化并不一致。要将两者区分开来,就必须选择一个稳定的参考面和与稳定参考面联系的观测手段。

  海平面与沿岸陆地的相对变化直接影响到人类的生存与经济活动,已引起各国的普遍关注。全球海平面变化的观测与研究已成为跨学科讨论的焦点。政府间海洋学委员会(IOC)作为联合国科教文组织的一个独立职能机构,组织了数十个国家的数百个观测站对全球海平面进行联合观测,经数据处理后将海平面变化的信息提供给全球用户使用。中国于1956年规定,以青岛验潮站观测所得的多年平均海平面为全国统一的高程起算面,称为青岛平均海面或黄海基准面。中国地形图上所指的海拔高度,就是从这个海平面起算的。

  对海平面变化大小、速率、周期等现象的监测。监测海平面变化的基本方法是验潮站水位观测、验潮站水准点与联成网状的国家级精密水准点联测。卫星测高法是监测大洋范围海平面变化的最有效手段,全球定位系统(GNSS)技术、甚长基线干涉测量(VLBI)技术在全球海平面变化监测中也起到着重要作用。

  近年来,随着监测技术手段的发展,监测方法更为多样化。为了证实全球海平面上升的具体数据,美国德克萨斯州大学研究小组基于GRACE卫星数据评估了2005~2011年之间海洋质量的变化,由于所有海水质量都具有重力作用,海洋重力的任何变化将主要体现在海水质量的变化。结果表明,每年海平面升高1.8mm,格陵兰岛和南极洲冰川融化起到了主要作用。之后他们使用海洋漂浮测量系统将海水密度变化因素计算在内。

  长期的海平面变动主要通过保留的沉积层和地貌特征确定古海岸线位置和海平面高度,并使用同位素分析方法测定其年代。常选择稳定地区(如地盾)或大洋岛作为研究海平面变动的场所。目前只能定量计算15000年以来的海平面变动幅度。

  由于海平面上升将引起海岸湿地与低地的淹没、海岸侵蚀、洪涝灾害与风暴潮灾害、海水入侵等,对经济发达、人口稠密的沿海地带是个不能不令人担忧的严重威胁,这种微妙的变化累积数十年将产生显著的改变,尤其是对于生活在沿海地区的居民,海平面每升高几厘米都将带来隐患,越来越多的超级风暴的出现可以清晰地呈现海平面持续升高导致的恶果。因此,监测海平面变化的意义十分重大。

  确定海平面变化基准的一种方法。由于验潮站得到的海平面变化是相对验潮站水准点所在的陆地这一基准,因此不同验潮站观测得到的海平面变化实际上是相对于不同参考基准的,缺乏可比性。从研究不同海区的海平面变化来说,可以选择一个验潮站水准点作为基准,其余站通过水准联测归算到这一基准下,进行比较。

  但各站进行统一水准联测困难较大,且水准联测误差远大于海平面年变化速率值。为此,可选择本国沿海均匀分布的各长期验潮站的年平均变化速率的平均值作为基准,进行海平面变化比较,不仅精度高,而且简单易行。

  美国海洋学家罗宾逊于1964年提出可用陆架行波来解释观测到的海平面与静压均衡值的偏离。陆架行波对这种偏离影响的产生即为陆架波效应。假定行波是在气压变化或受气压变化有关的风应力的作用下产生的,则海平面被认为包括有气压直接效应和陆架波效应,这就致使气压因子有明显的增加或减少。

  陆架波有多种波态,它在陆架边缘有个波节,在岸边有个波幅。它的振幅异常明显,是由于气压的扰动与海平面的波动在陆架斜坡产生共振的结果。

  海平面变化周期有长短之分,短的周期有一天、一个月,长的周期有年周期,甚至18.6年为一个长周期,更长的周期可达上万年。

  距今25000年开始,海平面急剧下降;大约在23700年前,海平面到-115m;在20550年前,下降到-137m,平均以每年约7mm的速度下降。距今15000~6000年,海平面处于急剧上升过程中,每年以16.7mm的速度上升。近一个世纪以来,海平面上升缓慢,约以每年1.3mm的速度上升。

  近些年,由全球气候变暖、极地冰川融化、上层海水变热膨胀等原因的影响,海平面上升有加大的趋势。2016年3月22日,国家海洋局召开发布会,公布2015年《中国海平面公报》与《中国海洋灾害公报》。2015年,我国沿海海平面较常年高9cm,为1980年以来第4高位。35年来,我国海平面增长约11cm,近10年海平面上升趋势明显。(文溪流 来源溪流的海洋人生)

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