[科普中國]-全球海平面變化

背景

海平面上升是由全球氣候變暖、極地冰川融化、上層海水變熱膨脹等原因引起的全球性海平面上升現(xiàn)象。1根據(jù)研究發(fā)現(xiàn)，近百年來全球海平面已經(jīng)上升了10～20厘米，并且未來海平面依然呈現(xiàn)加速上升的趨勢。但研究世界某一地區(qū)的實際海平面變化時，還要考慮當?shù)仃懙卮怪边\動—緩慢的地殼升降和局部地面沉降的影響，全球海平面上升加上當?shù)仃懙厣抵抵停礊樵摰貐^(qū)相對海平面變化。因而，研究某一地區(qū)的海平面上升，只有研究其相對海平面上升才有意義。海平面上升對人類的生存和經(jīng)濟發(fā)展是一種緩發(fā)性的自然災害。據(jù)聯(lián)合國環(huán)境署統(tǒng)計，全世界目前大約有近一半的人口（約30億）居住在距海洋200 km的范圍內(nèi)，百萬以上人口的城市中2 /5位于沿海地區(qū)。如果海平面上升1 m，全球?qū)?×106 km2的土地被淹沒，會影響世界10多億人口和1 /3的耕地。2001年，太平洋島國圖瓦盧決定舉國遷往新西蘭，成為世界上第一個因海平面上升而計劃放棄自己家園的國家。2005年8月，平均海拔低于海平面的美國南方城市新奧爾良遭受颶風“卡特里娜”的襲擊，城市海岸防護系統(tǒng)被嚴重破壞，整個城市成為一片汪洋，2000多人喪生，損失超過1200多億美元。

2008年11月，由于海平面的不斷上升，馬爾代夫面臨被淹沒的危險，政府計劃每年動用數(shù)十億美元的旅游收益為38萬國民購買新家園，繼圖瓦盧之后，馬爾代夫?qū)⒊蔀橛忠粋€因海平面上升而搬遷的國家。2008年12月1日，狂風帶來大量海水，形成短期的海平面上升，海水淹沒了意大利著名“水城”威尼斯的大街小巷，著名的圣馬可廣場成為一片汪洋，水深達80厘米。海平面上升會導致海岸帶侵蝕加劇，鹽水入侵增強，并影響沿海地區(qū)紅樹林和珊瑚礁生態(tài)系統(tǒng)的正常生長。海平面上升還導致熱帶氣旋頻率和強度的增加，海洋災害越來越頻繁，危害程度越來越高，沿海國家海洋環(huán)境安全的研究也越加急迫。而海平面變化研究是沿海城市環(huán)境安全的基礎(chǔ)，其研究成果對沿海地區(qū)城市基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)和經(jīng)濟發(fā)展具有重大意義。

觀測方法1、驗潮站觀測

驗潮站是指在選定的地點，設(shè)置自記驗潮儀或水尺來記錄水位的變化，進而了解海區(qū)的潮汐變化規(guī)律的觀測站。為確定平均海面和建立統(tǒng)一的高程基準，需要在驗潮站上長期觀測潮位的升降，根據(jù)驗潮記錄求出該驗潮站海面的平均位置。驗潮站測量法是一種基本的海平面數(shù)據(jù)收集方法，歷史悠久。目前全球分布有2000多個驗潮站，其數(shù)據(jù)采集的時間序列從幾十年到幾百年不等。全球海平面觀測系統(tǒng)(GLOSS)的核心工作網(wǎng)(GCN，也被稱作GLOSS02)就是由分布在全球的290個驗潮站組成。這些驗潮站對全球海平面變化趨勢和上升速率進行監(jiān)測；并為長期氣候變化研究提供幫助，如為國際政府間氣候變化專門委員會(IPCC)提供數(shù)據(jù)支持等。由于選取的驗潮站數(shù)量和時間序列不同，結(jié)論差異很大，即使選取相同的時間段和驗潮站數(shù)量，由于使用不同的模型和計算方法，得出的結(jié)果也不一樣。盡管驗潮站數(shù)據(jù)有時間序列較長的優(yōu)勢，但也有其自身不能克服的弱點：

(1)站點分布具有局限性:驗潮站只能分布在大陸邊緣地區(qū)和島嶼附近，缺乏遠海的潮高測量數(shù)據(jù)；

(2)分布在陸地上或是大陸架附近的站點，會隨著局部地區(qū)陸地的垂直運動而發(fā)生變動，使測量數(shù)據(jù)受到干擾。

2、衛(wèi)星高程監(jiān)測

衛(wèi)星高程監(jiān)測法是指使用衛(wèi)星定位技術(shù)測定海平面高度的方法。近10年來，衛(wèi)星高程監(jiān)測法逐漸成為海平面數(shù)據(jù)的主要獲取方式。1992年美國發(fā)射的TOPEX /POSEIDON(T/P)衛(wèi)星標志著精確的海洋衛(wèi)星高程監(jiān)測法的開始。從此，衛(wèi)星監(jiān)測海平面技術(shù)成為研究海平面變化的一個重要的手段和數(shù)據(jù)來源。衛(wèi)星以一定的周期沿著某一路徑對地表進行監(jiān)測，再根據(jù)數(shù)據(jù)等面積的空間分布狀態(tài)，就可以通過取平均值的方法計算出全球海平面高程。衛(wèi)星測量技術(shù)的出現(xiàn)徹底解決了驗潮站分布的地域局限，擴大了數(shù)據(jù)采集的區(qū)域，使數(shù)據(jù)獲取的時間序列更加規(guī)范和連續(xù)，并且能夠收集到以前數(shù)據(jù)極度缺乏的南大洋地區(qū)資料。

影響因素1、海水溫度升高對海平面變化的作用

在未來的100年里熱膨脹被認為是引起海平面上升的最重要因素。由于海洋的熱容量巨大，表層的受熱被完全傳到海洋的整個深度上會有相當長時間的延遲，結(jié)果是海洋不會處在平衡狀態(tài)，而且當大氣中溫室氣體濃度穩(wěn)定后，全球海平面還將繼續(xù)上升。海水熱膨脹是海平面上升的主要影響因素。Cabanes在1998年最先發(fā)現(xiàn)了熱膨脹對海平面上升的影響。但是，全球的熱膨脹變化并不一致，在長時間尺度和大空間尺度上都存在巨大差異，例如，印度洋的升溫開始于20世紀60年代，而大西洋開始明顯的升溫現(xiàn)象相比之下卻晚了大概30年。所以說，全球海平面變化具有區(qū)域性的特征，海水熱膨脹曲線呈現(xiàn)10年的變化周期，目前這種周期變化還不能得到很好的解釋。

2、鹽度對海平面變化的影響

大洋鹽度變化對局部和季節(jié)性海域海水密度和海平面變化有著重要的意義，但對全球平均海平面變化的影響卻很微弱。近年來有研究者指出，過去50年鹽度的變化對海平面上升的影響大約為0. 05 mm /a，這比熱膨脹的影響明顯要小得多。Antonov[11]對鹽度變化與注入海洋的淡水量按比例作了換算，發(fā)現(xiàn)海洋淡化過程相當于使海平面上升了1. 35±0. 5 mm /a。需要注意的是，海冰和冰山的融化會使鹽度降低，但并不會使海平面增高，在計算時要考慮它們的影響，并且它們最近的融化速度在加快。

3、陸地水體對海平面變化的影響

20世紀以來由于全球變暖，山岳冰川在后退，尤其是近10年后退的速度在加快。根據(jù)目前科學家的研究數(shù)據(jù)表明，山岳冰川目前對海平面的影響值約為0. 66 mm /a。山岳冰川雖只占陸地冰川很小的一部分，但其對海平面變化的作用程度僅次于海水的熱膨脹。南極冰蓋和格陵蘭冰蓋固結(jié)著地球表面大約99%的淡水資源，如果全部融化將使全球的海平面上升約70 m。即使是一小部分融化也會對海平面帶來巨大的影響。由于格陵蘭島和南極大陸具有不同的海陸分布狀況和地形特征，冰蓋的消融特征也不相同：在南極大陸上冰蓋的消融主要通過冰架底部融化和冰山的脫離，冰蓋表面的融化十分微弱；而格陵蘭島冰蓋物質(zhì)的損失則主要是通過表層融化和冰山崩解。Rignot認為西南極冰蓋的融化速度在過去幾年加快了，冰架的厚度在變薄。最近的觀察指出在過去10年里冰蓋物質(zhì)收支差額導致海平面上升了0. 3±0. 1 mm /a。另外，人類活動能夠改變陸地水體的循環(huán)周期和循環(huán)路線，也會對海平面變化產(chǎn)生影響。地下水的開采、化石燃料燃燒和生物分解、森林砍伐、人工湖的建設(shè)和灌溉都會對海平面產(chǎn)生影響，綜合人類行為，對海平面的作用范圍大約是-1.1～0.4mm/a之間。

4、地球物理過程對海平面變化的影響

地球是一個可塑球體，冰期和非冰期的地球形狀變化會造成海平面的升降。距今大約100萬年前，地球進入冰川期，第四紀冰期以后，距今約1萬年以來的時期叫冰后期。此期氣候仍有過多次低量級的冷暖波動。冰期能夠改變地表水體的分布、改變?nèi)驓夂驇У姆植迹绊懙貧さ纳?。在過去20年里有關(guān)冰后期陸地反彈的模型逐漸被完善。這些模型描述了冰期與間冰期的地球形狀變化、冰蓋的變化，大洋的幾何狀況與容積數(shù)據(jù)。目前陸地回彈對海平面的影響值大約為0.3mm /a。2

全球海平面變化旋回Vail等(1991)在地質(zhì)記錄中共鑒別出五個級別的全球海平面變化旋回，包括大陸泛濫旋回(一級)、大海侵/海退旋回(二級)和 4個周期從 10Ma到 10ka的層序旋回。

1.大陸泛濫旋回

大陸泛濫旋回根據(jù)沉積物進入克拉通的主要時間和受抑制的時間來確定，它們代表一級全球海平面旋回。地層記錄中有兩個顯生宙大陸泛濫旋回，第一個始于元古代最末期、終于二疊紀最末期，年輕的一個始于三疊紀初期、持續(xù)至今。

以上兩個大陸泛濫旋回在所有大陸上都可辨別，故認為是全球性的，其成因是大陸板塊聚合和解體導致的構(gòu)造海平面升降(洋盆體積變化)。主要大陸板塊在顯生宙的海平面上升與大陸解體時間吻合，而海平面下降與大陸填充時期吻合。一級全球海平面低位與超大陸存在時間相應。海平面高位時間與大陸最大解體時間對應。

二疊 -三疊紀低位與板塊聚合和泛超大陸的穩(wěn)定有關(guān)，晚元古代低位與板塊聚合和泛非超大陸的穩(wěn)定有關(guān)，泛非超大陸可能在 625—555Ma前解體。前寒武紀放射性年齡顯示出可能有第三個超大陸形成于 1.8Ga左右，在 1.2Ga左右經(jīng)歷斷裂作用，因而元古代可能有第三個一級的全球海平面旋回存在。如果這是真的，一級全球海平面旋回持續(xù)時間分別為 259Ma、350Ma和 600Ma。

2.大海侵 /海退旋回

二級大海侵/海退旋回(5～50Ma)可由長周期的全球海平面變化及構(gòu)造沉降速率變化引起。這些長周期全球海平面變化在 Haq等(1988)的圖上作為二級長周期海平面變化被顯示出來。這些變化認為是構(gòu)造海平面升降引起。要鑒別產(chǎn)生海侵/海退旋回的構(gòu)造海平面升降速率和沉降速率是困難的，必須通過全球不同地區(qū)構(gòu)造沉降分析與全球海平面升降曲線間的比較才能確定。

3.層序旋回

三級至五級全球海平面旋回可在層序旋回、體系域和周期式小層序上反映出來。這些旋回被認為是冰川海平面升降。冰川海平面升降幅度小，但頻率比引起海侵/海退相旋回的構(gòu)造海平面升降和沉降速率變化要高。

Vail等(1977)根據(jù)旋回持續(xù)時間將三級至五級海平面旋回定義如下：三級旋回持續(xù)一至五百萬年;四級旋回持續(xù)數(shù)十萬年;五級旋回持續(xù)數(shù)萬年。三級海平面升降旋回形成三級層序，四級、五級海平面升降旋回則形成小層序或小層序組。這些四級和五級海平面升降旋回可能是由冰川變化導致海平面升降。3