全球及中国海海平面变化研究进展，本文主要内容关键词为：中国海论文,海平面论文,研究进展论文,全球论文，此文献不代表本站观点，内容供学术参考，文章仅供参考阅读下载。
修订日期：2007-05-28
随着人类活动对海洋、大气系统影响的迅速扩大，全球变暖、海平面上升已经成为全球性重大环境问题。海平面上升给人类生存环境造成巨大的威胁，已经引起全世界科学家和各国政府的高度关注。
海平面上升后，全球大部分沉积型海岸都将遭受到严重的侵蚀，沿海国家均面临着如何科学管理这些海岸的问题。最容易受影响的是那些地势较低的沙质或泥质海岸，如我国的渤海湾、黄河三角洲、长江三角洲，以及珠江三角洲等地区,海平面的微小升高都会引起大片陆地的淹没及海岸侵蚀的加重，后果不堪设想。我国是个海洋大国，拥有18000km长的大陆岸线和14000km长的岛屿岸线，约有70％以上的大城市和50％以上的人口集中在东部沿海地区，这些地区是我国经济最发达的地区，但同时也是受海平面上升影响最为严重的脆弱地区。海平面上升将加剧沿海地区的自然灾害，影响沿海地区的社会经济发展。
海平面可分为相对海平面和绝对海平面。研究海平面变化规律使用的数据资料大致可分为两种：验潮站数据和卫星高度计资料。验潮站数据是以固定在陆地上的水准点为基准测量得到的海面高度，由于这些水准点随地壳运动会有垂直升降，因此分析验潮站资料得到的海平面为相对海平面。绝对海平面是相对于理想的地球椭球体而言的海平面，利用卫星高度计资料可以得到。卫星高度计测量的海面高度是海面相对于地心的距离，这一高度不受地壳运动(构造运动，下沉)的影响。相对海平面变化在区域性开发建设规划中有重要的应用价值；绝对海平面变化与气候变化密切相关，是当今海洋与气候研究中的重要科学问题。
影响全球绝对海平面变化的主要因素可概括为如下两个方面[1]：一是全球海水质量的变化，主要包括冰/雪的溶化和累积、降水、蒸发、表层径流与大气和陆地之间的水质量交换；这种因为海水质量的变化引起的海平面变化称之为海平面的升降(eustatic sea level)，与气候紧密相关。二是由海水的密度变化引起的海平面变化，这包括温度和盐度的变化，称之为比容效应(steric effect)，由温度升高引起的热膨胀导致的海平面变化称之为热比容海平面(thermosteric sea level)，由海水盐度变化引起的密度变化导致的海平面变化称之为盐比容海平面(halosteric sea level)，热比容海平面和盐比容海平面之和为比容海平面。海平面变化是物理海洋和大气科学研究中的一个重要科学问题。掌握海平面变化规律，预测全球海平面变化趋势，沿海经济、社会的长期可持续发展，减灾防灾都有重要的现实意义。
20世纪90年代前后，发表了一系列利用全球长期验潮数据分析得到的海平面变化趋势的研究成果。自1992年8月TOPEX/Poseidon(以下简称T/P)卫星发射以来，获得的高度计资料在物理海洋界已得到广泛的应用，每10d一个周期的海面高度观测资料的精度可达4 cm，其高时空覆盖率和高精度，使T/P卫星高度计资料成为研究全球绝对海平面变化的重要手段[2]。
1 全球海平面变化研究进展
1.1 近10a全球海平面趋势研究
张建立[3]发现在1993～2003年间全球平均海平面的上升速率为2.89 mm/a，与Leuliette等[4]及Cazenave等[5]的结果(2.8±0.4 mm/a)非常接近，而1993～1998年间的海平面上升速率为2.7 mm/a[6]。文献[3]中还得出南(15°S～64°S)、北(15°N～64°N)半球和低纬海区(15°S～15°N)平均海平面的上升分别3.85 mm/a，2.22 mm/a和2.08 mm/a；而且海平面变化具有很强的区域特征。三大洋平均海平面上升趋势基本相同(约为3 mm/a)。南半球中、高纬海区平均T/P海平面具有强烈上升趋势，如在40°S～50°S纬度带上T/P平均海平面上升的速率达到5.13 mm/a。北半球中纬度海区(20°N～30°N和30°N～40°N)平均T/P海平面的上升较快；而高纬度海区平均T/P海平面的上升较慢，如40°N～50°N纬度带内平均海平面的上升速率仅为0.50 mm/a。
全球133个验潮站1993～2003年海面高度数据的分析结果表明，多数站位的海平面变化速率在0～10 mm/a，超过总站数的55％。133个验潮站所得的平均海平面的线性变化速率为2.68 mm/a，与全球平均T/P海平面的上升速率基本一致。验潮站海平面变化趋势的空间分布极不均衡，且与比容海平面相似，说明比容变化对海平面变化的空间分布有重要的影响[3]。
1.2 近十年全球比容海平面趋势研究
本文作者基于Ishii(2005)海洋上层700 m的温度、盐度资料分析结果，得到的1993～2003年间全球60°S～60°N范围内的比容海平面的上升速率为1.25 mm/a，占T/P海平面上升趋势的40％，其中盐比容的贡献接近0。Antonov等[7]指出1993～2003年间全球50°S～60°N范围内海洋上层700m热比容的上升速率为1.23 mm/a，其中太平洋上升趋势占60％。海温的变化是引起海平面变化的重要原因，但其贡献小于50％[8]。
1.3海平面的季节变化
全球海平面具有显著的季节变化，尤其在北半球，15°N～64°N纬度带内的季节振幅达到5～6 cm，南半球相同纬度带内其振幅约为2～3 cm；对北半球而言，一年中海平面高度的最大值和最小值分别出现在9月和3月，南半球则相反[3]。通过比较1993～2003年间T/P海平面和比容海平面变化的特征发现，海平面的季节变化较比容海平面变化滞后一段时间，且滞后时间随纬度升高渐长，中纬度基本同步，高纬度海域滞后可达5个月。在中纬度海区，海平面的季节变化和长期变化主要是由比容变化引起的，比容的贡献达80％以上；在高纬海域，比容变化的贡献明显变小，在60°附近只有30％左右[3,9]。北半球的平均海平面与比容海平面具有较好的相关性但上升趋势较弱，海水比容变化对海平面变化有决定性的影响。南半球中纬度海区平均海平面和比容海平面上升趋势强烈，海水比容变化对海平面变化不如北半球那么显著。赤道海区比容海平面变化对全球平均比容海平面上升的贡献约为64％。除高纬度海区和南大西洋外，全球主要海区海平面和比容海平面的上升趋势具有相似的空间分布特征，如在太平洋二者均具有西升、东降的趋势，海水比容变化对海平面变化趋势的空间分布影响显著[3]。
1.4 过去50a间比容海平面研究
IPCC第三次报告指出过去50a间全球海平面的上升速率约为0.3～0.7 mm/a，热膨胀对海平面的上升有重要贡献[10]。Antonov等[11]利用Levitus温盐资料分析了1957～1994年间海洋上层3000 m的热比容和盐比容的海面上升速率为0.55 mm/a，其中因盐度下降导致的体积膨胀使海平面上升约为10％；热比容和盐比容的地理分布不一致，有些区域呈相反的趋势，因此忽略盐比容对比容海面高度的估算是不准确的，由淡水增加(不包括海冰融化)导致的海平面上升速率为1.3±0.5 mm/a。Antonov等[7]利用Ishii温盐资料计算得出1955～2003年间海洋上层700 m的热比容海平面上升速率为0.33 mm/a，本文作者基于Ishii温盐资料分析得到1950～2003年海洋上层700 m的全球比容海平面上升速率为0.30 mm/a，其中热比容为0.27 mm/a，盐比容为0.03 mm/a。
2 中国海海平面变化研究进展
杨建等[12]初步分析了中国近海海平面高度异常特征。计算了中国近海渤海、两巴海峡、黄海、东海中部和南海北部等五个典型区域海平面高度异常特征指数。我国近海海平面高度异常除黄海外各海区都具有显著周期变化。异常指数与风速正相关的区域主要分布在西太平洋中低纬海域，负相关区域主要位于中亚至我国大陆西部和中太平洋近赤道海域，与温度场正相关区分别位于非洲大陆南部、澳洲大陆南部和南美大陆中南部，负值相关区主要位于北印度洋和东太平洋海域。与温度相关场分布表明中国近海海平面高度异常与ENSO现象有关。
2.1 东中国海海平面变化特征
Yan等[13]发现在1993～2003年期间，用T/P观测资料得出的东中国海海平面和比容海平面平均增长速率为4.93 mm/a和3.18 mm/a，因此海平面上升主要是由比容海平面的上升引起的，其贡献达到64.5％。热比容海平面上升速率平均为1.88 mm/a，盐比容海平面平均为1.3 mm/a。相对全球而言(盐比容效应近似为0)，在东中国海盐比容的作用较大，占总比容变化的40％，这主要是受长江径流以及携带高温高盐的黑潮水的影响。海平面上升最快的区域是台湾的东、北侧海域，而比容海平面上升最快的区域是对马暖流以及东海海域内的黑潮流径上。
东中国海的T/P海平面和比容海平面存在显著的季节变化，3月份最低，9月份最高，T/P的年振幅达7.82 cm。海平面与比容海平面的最大相关系数为0.86。海平面具有准2a的变化周期，这主要是由黑潮的双模态路径变化以及长江径流变化引起的。在季节尺度上，比容效应是海平面面变化的主导因素，但在年际尺度上，东中国海的海平面变化主要受黑潮和长江径流的影响。
邢灿飞等[14]总结了我国东部沿海利用验潮站资料得出的海平面变化特征，明确了东部沿海缓慢上升、且与全球海平面变化趋势相一致的事实，指出我国东部沿海海平面变化的主要原因为地面沉降和全球变暖导致的海水受热膨胀。
2.2 南海海平面变化特征
丁荣荣等[15]分析了南海1992～2002年的海平面特征。发现南海海平面平均以4.7 mm/a的速度上升，最大区域在南海的东北部(10 mm/a)，西南部为下降区域，核心值-3.0 mm/a，T/P海平面变化的年振幅约为4 cm，比容海平面的上升速率为4.2 mm/a，比容海平面的位相比T/P海平面大约提前2个月。Rong等[16]分析了南中国海1993～2004年的海平面和1945～2004年的比容海平面变化以及验潮资料，得出海平面的年际变化和ENSO高度相关。
刘秦玉等[17]对南海海面高度的变化原因进行了初步分析后认为，南海北部海面高度(SSH)的变化应归因于南海局地的动力、热力强迫和黑潮的影响，黑潮对南海北部SSH平均态的影响要大于对SSH异常场的影响；冬季南海北部深水区局地风应力与浮力通量对SSH的作用相反且量级相同。Liu等[18]指出风的季节变化是南海SSH季节变化的主要原因。沈春等[19]分析南海海面高度异常EOF第一模态为ENSO模态，方差贡献达到44.7％。在厄尔尼诺(El 
)期间，整个南海海面下降。
3 未来研究发展方向
3.1 模拟气候变化对海平面变化的影响
海平面变化是由于社会和环境原因造成的气候变化的重要后果。IPCC第三次报告[10]指出：在未来的100年里热膨胀被认为是引起海平面上升的最重要因素。由于海洋的热容量巨大，表层的受热被完全传到海洋的整个深度上会有相当长时间的延迟，结果是海洋不会处在平衡状态，而且当大气中温室气体浓度稳定后，全球海平面还将继续上升。因此研究预测海平面的变化则主要依赖未来气候变化的预测，这就必须依靠全面综合的全球海、气、陆以及海冰的耦合模式，如CCSM等耦合模式。但由于理论认识水平有限，目前模式对云、海洋、极地冰盖以及大气中二氧化碳浓度等引起的物理过程和化学过程的描述还很不完善，因此对未来气候的预测还包含很多的不确定性，对海平面变化的估计也就存在相当大的不确定性。在2001年IPCC第三次综合报告[10]中，选取了11个AOGCMS(海气耦合模式)的研究结果，综合分析得出1990～2100年间全球海平面的平均上升范围为0.11～0.77m，速率比20世纪大2.2～4.4倍，其中热膨胀的贡献约为0.11～0.43 m，在21世纪海洋的热膨胀会加速。
以上数字显示了在模式运行中有很大的不确定性，提高模式精度是研究海平面变化的主要方向，另外在气候变化的背景下，海洋环流也会发生较大的变化，这对海平面的变化也将有重要的影响。
3.2 区域海平面变化
海平面变化除全球尺度变化外，还存在重要的区域性和局地性特征。局地性和区域性变化与全球性变化同样重要，因为它和人们的生活紧密相关，地壳运动、气象因素都会引起局地海平面的异常变化，如果平均海平面上升，极值出现的次数将更加频繁，意味着风暴潮等洪涝灾害的发生更加频繁，因此研究区域性海平面的变化规律有非常实际的意义。
局地性研究一般是利用长期验潮资料和卫星观测资料，借助动力诊断模型对某特殊海域的海平面进行研究。研究局部海域的海平面变化原因目前可利用模型将海平面观测资料中内因和外因的贡献分离开来，内因包括由气压、海面风以及海洋内部密度变化引起的，外因包括周围海域的海平面以及淡水输入变化引起的海面变化。另外，一些近岸区域的海平面变化和陆地的垂直升降密不可分，因此进一步研究区域性海平面的变化特性，对沿海地区的经济建设和发展具有重要意义。