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如何對海平面變化進行評估監(jiān)測

海平面變化及其監(jiān)測

  海平面(Sea level)是海的平均高度。指在某一時刻假設(shè)沒有潮汐、波浪、海涌或其他擾動因素引起的海面波動,海洋所能保持的水平面。它是通過與標準水平面的高度比較來確定的,然而由于牽涉到一些復雜且困難的測量,使得精確確定海平面成為一個困難的工作。一般人認為海平面是平面,如果大海真的是平面的話,那么整個地球表面的海域?qū)⑦B成一體,同時“地球是一個橢球形”這一說法就不成立了。

  為什么海平面不平?

  這要從影響海平面不平的兩個主要因素談起。一是漲潮、落潮、風暴和氣壓高低等因素,使海面始終不能歸于平靜;二是海底地形的不同,也決定了海面的不平。海底的地形是十分復雜的,它不僅分布有巍峨的海底山脈、平緩的海底平原,而且還有許多陡峭的海底深溝。由于受海底地形的影響,一個海區(qū)的海面會低于或高于另一個海區(qū)幾米、甚至十幾米。一般來說,海底是一座山脈的地區(qū),海面就比其他海域高一些;而海底是一個盆地的地區(qū),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,因而這一地區(qū)的海面就比周圍地區(qū)明顯的低;而巴西東部由于海下有一座3500米的海嶺,所以這里的海面就比其他地區(qū)要高。

  盡管風、海底地震和潮汐總是引起的海面漲落,但是人們還是認為海面是平坦的。隨著人造衛(wèi)星測量技術(shù)的發(fā)展,人們發(fā)現(xiàn),甚至風平浪靜的海面也是坑坑洼洼的。有些地區(qū)海面凸起,有些地區(qū)海面凹陷。兩者最大可以相差100多米。但是,因為海平面凹凸的變化在1000千米以上的廣泛范圍內(nèi)逐漸變化,所以不容易被航海者察覺。通過衛(wèi)星測量,人們發(fā)現(xiàn)海洋表面有三個較大的隆起區(qū)域,一個在澳大利亞東北部海區(qū),隆起高達76m;第二個區(qū)域在北大西洋,隆起高度是68m;另一個在非洲東南部,隆起區(qū)域高為48m。地球的表面是曲面,海水受地心引力影響依附在地表,因此地球上的海“平”面也是曲面。

  海平面的變化

  由于氣候、氣象、海洋、地球物理和天文等因素,引起海平面產(chǎn)生的周期性或非周期性的變化。海平面的周期性變化表現(xiàn)為潮汐現(xiàn)象;海平面的非周期性變化表現(xiàn)為海面上升或下降。由于溫室效應的影響,極地冰帽和冰川的后退,引起海水體積的增加,使得全球的海平面有上升的趨勢。不同的海區(qū)海平面上升的速度也不同,估計全球海面升降變化的平均值約為每年1.5mm。此外,因沿岸陸地地殼垂直形變的影響,使得海平面的絕對變化與海平面和沿岸陸地之間的相對變化并不一致。要將兩者區(qū)分開來,就必須選擇一個穩(wěn)定的參考面和與穩(wěn)定參考面聯(lián)系的觀測手段。

  海平面與沿岸陸地的相對變化直接影響到人類的生存與經(jīng)濟活動,已引起各國的普遍關(guān)注。全球海平面變化的觀測與研究已成為跨學科討論的焦點。政府間海洋學委員會(IOC)作為聯(lián)合國科教文組織的一個獨立職能機構(gòu),組織了數(shù)十個國家的數(shù)百個觀測站對全球海平面進行聯(lián)合觀測,經(jīng)數(shù)據(jù)處理后將海平面變化的信息提供給全球用戶使用。中國于1956年規(guī)定,以青島驗潮站觀測所得的多年平均海平面為全國統(tǒng)一的高程起算面,稱為青島平均海面或黃海基準面。中國地形圖上所指的海拔高度,就是從這個海平面起算的。

  不同海平面高度下的大陸面積變化情況

  海平面的變化監(jiān)測

  對海平面變化大小、速率、周期等現(xiàn)象的監(jiān)測。監(jiān)測海平面變化的基本方法是驗潮站水位觀測、驗潮站水準點與聯(lián)成網(wǎng)狀的國家級精密水準點聯(lián)測。衛(wèi)星測高法是監(jiān)測大洋范圍海平面變化的最有效手段,全球定位系統(tǒng)(GNSS)技術(shù)、甚長基線干涉測量(VLBI)技術(shù)在全球海平面變化監(jiān)測中也起到著重要作用。

  近年來,隨著監(jiān)測技術(shù)手段的發(fā)展,監(jiān)測方法更為多樣化。為了證實全球海平面上升的具體數(shù)據(jù),美國德克薩斯州大學研究小組基于GRACE衛(wèi)星數(shù)據(jù)評估了2005~2011年之間海洋質(zhì)量的變化,由于所有海水質(zhì)量都具有重力作用,海洋重力的任何變化將主要體現(xiàn)在海水質(zhì)量的變化。結(jié)果表明,每年海平面升高1.8mm,格陵蘭島和南極洲冰川融化起到了主要作用。之后他們使用海洋漂浮測量系統(tǒng)將海水密度變化因素計算在內(nèi)。

  長期的海平面變動主要通過保留的沉積層和地貌特征確定古海岸線位置和海平面高度,并使用同位素分析方法測定其年代。常選擇穩(wěn)定地區(qū)(如地盾)或大洋島作為研究海平面變動的場所。目前只能定量計算15000年以來的海平面變動幅度。

  由于海平面上升將引起海岸濕地與低地的淹沒、海岸侵蝕、洪澇災害與風暴潮災害、海水入侵等,對經(jīng)濟發(fā)達、人口稠密的沿海地帶是個不能不令人擔憂的嚴重威脅,這種微妙的變化累積數(shù)十年將產(chǎn)生顯著的改變,尤其是對于生活在沿海地區(qū)的居民,海平面每升高幾厘米都將帶來隱患,越來越多的超級風暴的出現(xiàn)可以清晰地呈現(xiàn)海平面持續(xù)升高導致的惡果。因此,監(jiān)測海平面變化的意義十分重大。

  廣東沿海海平面月變化情況

  海平面變化均衡基準

  確定海平面變化基準的一種方法。由于驗潮站得到的海平面變化是相對驗潮站水準點所在的陸地這一基準,因此不同驗潮站觀測得到的海平面變化實際上是相對于不同參考基準的,缺乏可比性。從研究不同海區(qū)的海平面變化來說,可以選擇一個驗潮站水準點作為基準,其余站通過水準聯(lián)測歸算到這一基準下,進行比較。

  但各站進行統(tǒng)一水準聯(lián)測困難較大,且水準聯(lián)測誤差遠大于海平面年變化速率值。為此,可選擇本國沿海均勻分布的各長期驗潮站的年平均變化速率的平均值作為基準,進行海平面變化比較,不僅精度高,而且簡單易行。

  海平面陸架波效應

  美國海洋學家羅賓遜于1964年提出可用陸架行波來解釋觀測到的海平面與靜壓均衡值的偏離。陸架行波對這種偏離影響的產(chǎn)生即為陸架波效應。假定行波是在氣壓變化或受氣壓變化有關(guān)的風應力的作用下產(chǎn)生的,則海平面被認為包括有氣壓直接效應和陸架波效應,這就致使氣壓因子有明顯的增加或減少。

  陸架波有多種波態(tài),它在陸架邊緣有個波節(jié),在岸邊有個波幅。它的振幅異常明顯,是由于氣壓的擾動與海平面的波動在陸架斜坡產(chǎn)生共振的結(jié)果。

  中國沿海海平面上升速率圖

  海平面變化周期與速率

  海平面變化周期有長短之分,短的周期有一天、一個月,長的周期有年周期,甚至18.6年為一個長周期,更長的周期可達上萬年。

  距今25000年開始,海平面急劇下降;大約在23700年前,海平面到-115m;在20550年前,下降到-137m,平均以每年約7mm的速度下降。距今15000~6000年,海平面處于急劇上升過程中,每年以16.7mm的速度上升。近一個世紀以來,海平面上升緩慢,約以每年1.3mm的速度上升。

  近些年,由全球氣候變暖、極地冰川融化、上層海水變熱膨脹等原因的影響,海平面上升有加大的趨勢。2016年3月22日,國家海洋局召開發(fā)布會,公布2015年《中國海平面公報》與《中國海洋災害公報》。2015年,我國沿海海平面較常年高9cm,為1980年以來第4高位。35年來,我國海平面增長約11cm,近10年海平面上升趨勢明顯。(文|溪流 來源|溪流的海洋人生)

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