（环境科学专业论文）近百年全球海平面变化中自然及人为因素影响的初步探讨.pdf

摘要 关键字：全球海平面变化：自然因素：温室气体：太阳活动：小波分解 a b s t r a c t p r e l i 埘n a r vd i s c u s s i o no nt h ei m p a c to fn a t u r a la n dr r e n n u n a r yj j l s c u s s l o n0 nt n el m p a c t0 lj na t u r a la n d a n t n r o p o g e n l c 量a c t o r s0 n j 1 n g l o b a ls e a l e v e lc h a n g ei n t h el a s tc e n t u r y m a j o r ：e n v i r o n m e n t a ls c i e n c e n a m e ：y ef e n g s u p e r v i s o r ：p r o w hc h a o y u a b s t r a c t i ti sah o ti s s u eo ns e a - l e v e lc h a n g ed u r i i l gt h el a s t1 0 0y e a r s ：i i lc u r f e n ts c i e n t i f ! i c f e s e a r c h h o w e v e r t h e r ea r eal o to fc o n t r 0 v e r s ya st 0t h er e a s o n sf o rt h ec h a n g e ，m a n y s c h o l a r st h i i l l 【t h a ti tw a sm a i l l l yd u et oh u m a na c t i v i t i e s ，w h i l eo t h e r sh o l dt h ei d e a t h a tn a t u r ee ) 【p l a i l l st h em a i l lp a n b a s e d0 nt h ec o u e c t i o n ，c o l l a t i o na n d 觚a l y s i so fs e a l e v e ld a t a ，w ec o n c l u d et h a t s e a - l e v e lc h a n g ei san o r m a ln a t u r a lp h e n o m e n o n ，a n di ts h o w e dat e n d e n c yo f r i s e ，w i t har a t e0 f1 6 2m mp e ry c a fd u r i l l gt h el a s tc e n t u r y b u td u r i i l gd i f f e r e n ts t a g e s o fg e 0 1 0 9 i c a lp e r i o d s ，s e a - l e v e lh a sc h a n g e df o rm a n yt i l i l e sa sar e s p o n s et om t u r a l e a e c t s ，e v e nw i t har a t ef a s t e rt h a nc u r r e n tc h a n g e t h et h e s i ss u i n m a r i z e dt h en a t u r a la n dh u a m a nf a c t o r st h a tr e l a t e dt os e a 1 e v e l c h a n g e t h ef a c t o r st h a tm a yc a u s es e a l e v e l r i s ei 】l u d i i l gc h a n g e si i lc 0 2a st h e r e p r e s e n t a t i v eo fh u m a na c t i v i t i e s ，s o l a ra c t i v i t ya n ds 0o n w r ea m l y s i z e dt h et i i l l e s e r i e so fs e a l e v e l ，c a r b o nd i o x i o d ea n ds o l a ra c t i v i t yb ya d o p t i n gm o r l e tw a v e l e ta n d m o d w tw a v e l e td e c o m p o s m n ，a n dc o n c l u d e dt h a tt h i st 、加f a c t o r sa r ei i l l p o i t a n t r e a s o n sf o rs e a l e v e lr i s ei i lt h el a s tc e m u r y t h er i s ec a u s e db ye l e v a t e dc a r b o n d i o x i d ew a s3 0 m m 4 5 m i i l ，w h i l es o l a ra c t i v i t yw a s5 m m 1 5 m m ，a b o u t2 0 3 0 锄d4 1 0 o ft h et o t a l r i s eo fs e a l e v e l r e s p e c t i v e l yb a s e do nf e a s o n a b l e v a b s l r a c t a s s u m p t i o n s o t h e ra n t l l i o p o g e n i cf a c t o r sh a dh t t l ei l l n u e n c eo nt h ec h a n g eo fc l i m a t e a n ds e a - l e v e lb yc o m p a r i s o nw i t hc a r b o nd i o x i d e s ow ed r e wac o n c l u s i o nt h a t h u m a nf a c t o r se x p l a i l lo n l yap a f to ft o t a lr i s i l l gi l l2 0 t hc e n t u r y w h i l en a t u r a le 骶c t s a r ea l s o i l i l p o r t a n tt h a tc a 肋tb ej g n o r e d ，锄di t s o fi m p o n a n ts i g n i f i c a n c ef o r e s t a b l i s h i n gt h es c i e m i f i cp r o j e c to fc o u n t e r m e a s u r e si l lt h ef u t u r ef o rr e d u c i i 培t h e i i i l 】，a c t so fs e a - l e v e lr i s eo n o u rh u m a nb e i l l g s k e y w o r d s ：g l o b a ls e a l e v e lc h a n g e ；n a t u r a lf a c t o r s ；g r e e n h o u s eg a s e s ；s 0 l a ra c t i v i t y ； w a v e l e td e c o l p o s i t i o n 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在 导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。 除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何 其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对 本文的研究作出重要贡献的个人和集体，均已在文 中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律 结果由本人承担。 学位论文作者签名：p 1 日期：年6 月f 。日 学位论文使用授权声明 本人完全了解中山大学有关保留、使用学位论文 的规定，即：学校有权保留学位论文并向国家主管部 门或其指定机构送交论文的电子版和纸质版，有权将 学位论文用于非赢利目的的少量复制并允许论文进入 学校图书馆、院系资料室被查阅，有权将学位论文的 内容编入有关数据库进行检索，可以采用复印、缩印 或其他方法保存学位论文。 学位论文作者签名：计串 日期：功痒6 月( o 日 1 1 第1 章前言 第1 章前言 在全球变化中，气候变暖和海平面上升都将严重地威胁到人类的生存环境。 目前世界上有将近3 0 亿的人口居住在距海岸线2 0 0 k m 的范围内，其中百万到千万 人口的城市中有4 0 位于沿海地区【1 1 。如果海平面上升1 m ，全球将会有5 0 0 万k m 2 的土地被淹没，将影响世界1 0 多亿人口和1 3 的耕地【引，同时对河口、海岸带等的 影响也将不断加大。海平面的变化虽然缓慢，但所涉及的问题却是宏观的、根本 性的。因此，近些年来世界各国政府、科学界及社会大众都十分关注海平面尤其 是最近1 0 0 年来的海平面变化及其成因的探讨。 1 1 问题的提出和研究意义 本文所指的海平面( s e a 1 e v e d ，系取一适当长度的海面观测资料的平均值， 即平均海平面；根据所取时段的长度不同，有日均、月均和年均海平面等之分， 由于时段长度的有限性，它不可能完全消除各种波动在实测记录中的贡献值，因 而具有动态的特征。为了研究2 0 世纪海平面的变化，我们在此使用年均海平面。 陈宗镛等【3 】指出：“海平面”和“海面”在概念上有所不同，前者是指一段时间 的平均水位，而后者是指瞬时的海平面。但在实际应用中，通常并未作严格区分。 由于海面地形的存在，平均海平面与大地水准面并不完全重合，而是存在一定 偏差。海平面变化( s e a - l e v e lc h a n g e ) 是指随时间迁移海平面相对于某一基准面 ( 地心或陆地某一基准) 发生的上下变动，而海平面升降( s e a - l e v e l r i s i i l g - f a l l i i l g ) 则是海平面变化的具体体现，指一定时间范围内海平面变化的幅度、周期及其频 率的总合【训。 历史时期海平面在自然因素的作用下曾发生多次时间尺度不同、升降幅度不 一的波动变化【5 6 】。随着社会的发展和进步，尤其是在工业革命以后，人类对自 然界的改造能力不断增强，自“温室效应”理论提出并认为工业化排放的二氧化 碳等温室气体会影响全球气温且得到许多学者认同之后，有不少学者【7 1 0 】开始关 注温室效应与海平面之间的关系，认为近百年来的海平面上升主要是由于在工业 。年均海平面：1 年内每小时潮位实测资料的时间序列经滤波处理得到的平均值。 圆大地水准面：为一介丁二地球引力势( 重力) 和旋转势( 离心力) 之间的等位面。 1 第1 章前言 化进程中排放的c 0 2 等温室气体导致温室效应加剧而引起的。但也有学者【1 1 ，1 2 】认 为海平面变化中自然的影响占主要部分，海平面升降可能与太阳活动等因素密切 相关。 那么人类活动究竟在多大程度上影响近1 0 0 年来表观海平面的变化? 造成海 平面上升还是下降? 这些影响相比于自然界的作用表现如何? 本论文将作初步 的探讨( 图卜1 ) 。 一j 期+ ，一 髫：v 平砸上爵，若认为2 越黼 l 霹人为氍自然因素胃分穗 。为影确捆对自然影响突出 然与人为袭现可娩的情况 ( 1 ) 人为 2 ，盘然 人为) mo 8 0 年) ，数据全部来源于：国际海平面永久服务处( p s m l s ) 和夏威 夷大学海平面中心( u h s l c ，月均数据) 。 p s m s l1 9 3 3 年开始负责收集、发布、分析和说明来自全球范围内的潮位站 的海平面数据，由多家国际科研机构提供支持的位于英国利物浦p r o u d i m n 海洋 实验室发布，截止2 0 0 6 年，已收集到全球范围内约2 0 0 0 个站点5 5 0 0 0 个站年的 数据。对于各站的海平面时间序列的年均数据，通常会减去根据该站历史数据得 到的常数，然后再加上7 0 0 0 姗( 即：当前海平面以下7 0 0 0 m m 为基准) ，主要目 的在于避免负值的出现而干扰分析。 u h s l c 为由夏威夷大学和n o a a 联合成立的海洋大气研究院的研究平台。 截止2 0 0 7 年5 2 4 号，已包含5 5 8 个站点1 1 4 6 0 站年的海平面数据。多数站点的 时间在5 至3 0 年，少数为7 0 年以上，发布的数据以原站点基准面为参考，若难 5 第1 章前言 以辨析参考点的变动问题，则以相临为参照点。 p s m s l 和u h s l c 均为全球海平面观测系统( g l d s s ) 的官方数据中心，但其 中的潮位站点分布有所不同。 p s m s l 网站：b 主主巳；么么幽：巳q ! ：垒：堕壁么巳曼婴璺! 么 u h s l c i 田站：鱼圭主巳；么么坚鱼璺! 鱼：璺q 金墨主：垒旦翌垒i i ：曼鱼堕么 2 太阳活动 2 1 太阳黑子 1 7 4 9 年以来国际年均太阳黑子相对数，其中1 9 4 4 年逐月平均数，而1 9 4 5 年 以后根据日平均求算。数据来源于：s i d c r w cb e 垮u m ，w r o r l dd a t ac e n t e rf o rt h e s u n s p o ti n d e x ，r o y a lo b s e r v a t o r yo fb e l g i u m ，、y e a r ( s ) o f d a t a 。 s i d c ( 全称为s o l a ri n f l u e n c e sd a t aa m a l y s i sc e n t e r ) 为比利时皇家天文台太 阳物理研究机构，分别为世界数据中心提供太阳黑子指标以及比利时区域预警中 心提供太空天气预报。 关于相对太阳黑子数目的定义以及年均太阳黑子数目的计算详见： b 主主巳；z 曼i 鱼垒：q 堡垒：垒金z 3 全球近地表气温 由全球范围内的气象站、气象卫星及早期海洋考查经分析得到的1 8 8 0 2 0 0 6 年全球近地表年平均气温( 以1 9 5 1 1 9 8 0 年全球平均为基准，因此在分析使用时加 上1 9 5 1 1 9 8 0 年平均气温1 4 得到该年气温) 。由n a s a ，g o d d a r d 硫t i t u t ef o fs p a c e s t u d i e s 提供。 来张泵：b 主主乜；z z 鱼垒主垒：g i 曼兰：旦垒兰垒：g q l 4 二氧化碳浓度数据 包括由南极冰心分析重构得到的过去1 0 0 年来的二氧化碳浓度( 1 8 3 2 1 9 7 8 ) 以及美国m a u n ah a 中心站实测二氧化碳浓度( 1 9 5 8 - 2 0 0 6 ) 。由美国o a kr i d g e n a t i o n a ll a b o r a t o r y 二氧化碳信息分析中心提供。 来源及具体方法可参考：垫主主巳；么么鱼亟i 垒璺：皇曼鱼：q ! 翌! ：g q 6 第2 章近百年全球海平面变化 第2 章近百年全球海平面变化 海平面处于不断的波动变化当中，是多种要素综合影响的一种自然现象，变 化极为复杂。现代海平面是历史海平面的延续，为了更好地了解近1 0 0 年全球海 平面状况以及在历史时期所处的位置，有必要对历史时期海平面作一定了解。第 2 节则在此基础上重点分析最近1 0 0 年以来的海平面变化。 2 1 地质时期的海平面变化 地质时期的海平面处在不断的升降变化之中，而可达到的速率常远大于目前 的海平面变化速率。我们将根据不同的时间尺度来对过去的海平面变化作简单分 析介绍。 1 百万年以上尺度的海平面变化 百万年以上地质时期的海平面变化，可以被岩石记录下来，通过鉴定沉积岩 的沉积序列特征可以研判不同地质时期的海进或海退阶段。但是，沉积岩层的沉 积序列容易受到地球构造运动、气候变迁、沉积物的侵蚀搬运等等的影响而出现 地层的不连续，即沉积地层的不整合接触，这些也会使建立在广泛的地层联系上 的海平面变化研究存在一定问题，阻碍了人们对海平面变化的了解。 s l o s s 【3 5 】通过研究北美地区古陆核中沉积物得出结论认为显生宙北美经历 了5 次大的泛洪期，并认为主要是由于古陆核的升降造成的；v a i l 【3 6 】基于地震地 层学研究了地质时期海平面变化，在1 0 7 1 0 8 年时间尺度上得到与s 1 0 s s 【3 5 】相似的 结论，但认为原因主要在于海平面的变化。随后其他学者【3 7 ，3 8 】的研究结论也证实 了v a i l 【3 6 】曲线，并认为是海平面变化的结果。 。从寒武纪开始出现大量较高级动物以后至今的地史阶段地质年代名称。指寒武纪以来的时期。从距今大 约5 4 3 亿年前延续至今。包括古生代、中生代和新生代。 7 第2 章近丌年令球海平i a i 变化 距今时间( 百万年) 。 露 曼塞嚣爨囊嚣善霉蕊 幽2 一lv a i l ( 1 9 7 7 ) ，h a q ( 1 9 8 7 ，2 0 0 5 ) 关于显生甫的海平而变化( 当前海甲面为基准o ，单位： 米) ( 据m i l l e r ( 2 0 0 5 ) 【6 j ) f i g 2 - 1c o m p a “s o no fp h a n e r o z o j cb a c k s t r i p p e de u s l a t i ce s t i m a t e so fv a i l ( 19 7 7 ) a n d h a q ( 1 9 8 7 ，2 0 0 5 ) 图2 1 中为不同学者关于5 亿年来海平面的变化情况，它显示了几亿年来的海 平面在垂向上4 0 0 m 的范围内升降变化，当然也有学者根据不同的研究方法认为 在该时间尺度的海平面变化幅度的量级上有争议1 6 】，但变化趋势大体一致，其中 高海平面出现在5 亿年及7 0 0 0 万年至1 亿年前，低海平面出现在2 亿2 5 亿年自，j 。 h a v s 【3 9 】认为晚志尉纪的海平面变化与洋壳的生成有关，而有关古生代到早中生 代1 0 7 1 0 8 年时问尺度海平面变化认为与海底扩张速率加快有关的思想也来源于 此；对于7 0 0 0 万年前左右的高海平面，泛占火陆的分离”可能是造成其变化的主 要原因【4 0 4 。而对于许多时间尺度相对较小和升降幅度较小的变化在图中并未给 出。c 0 0 p e r 【4 2 】鉴别出广1 孚纪( 距今1 3 7 亿年距今6 7 0 0 万年) 有1 4 个显著的海平面 高峰值。百万年尺度的海平面变化贯穿白垩纪整个时期，m i l l e r l 6 】认为主要是由 于冰川消融造成，但对于更深层次的原因未予提及。l a s k a r 等【4 3 】在研究海平面时 发现存在着明显的2 4 0 万年天文剧期，因此在百万年尺度海面变化中该因素的影 响起了一定的作用。同时，构造沉降，隆升和沉积作用| 2 0 】也是影n 向该尺度海平 面的重要原因。 综卜所述，百万年以上尺度的海平面经历了2 次大的波动_ j ：歹p 和波动下降 。1 j 该理论的核心思想为随着大陆的漂移、伞球海洋的重新分配，古太半洋的面积不断减少，而新的大洋则 ，”生，这j 新大洋同 大洋梢比，面积小h 产生时水域较浅，这样便造成在泛大洋当。f i 的海平面不断升高， 在经历一段时期后，随着伞球陆地、海洋处丁- 。个逐渐稳定的状态，新的大洋水深加大，使得海半血又有 段下降时期。 第2 章近百年全球海平面变化 期，不同的影响因素相互作用重叠使得周期海平面之间存在着一定差异。以图 2 1 为例可以估算百万年以上尺度的海平面变化情况( 为避免较大误差，时间为近 2 亿年) ，在约2 亿至1 亿年前，海平面上升了约2 6 0 i i l 即平均速率为2 6 m m a ， 而后期海平面下降了约2 4 0 毗平均速率为2 4 m m a 。当然在较大时间尺度上( 1 0 0 万年) 也存在海平面变化相对较为迅速的变化时期，如在h a q 曲线距今1 3 5 1 2 5 亿年和v a i l 曲线距今3 5 0 0 万2 5 0 0 万年前升降变化较快，可较平均速率大一个 量级。 2 十一百万年尺度的海平面变化 海水体积的变化影响了该尺度海平面变化【3 8 】。当然，这也是不同影响因素对 地球系统作用或地球内部调整的结果，在这些要素之中，第4 级相对海平面的影 响因素【4 4 ，4 5 1 如地球轨道参数偏心率的1 0 万年周期，地球自转轴的倾斜率周期( 大 约为3 8 4 2 万年) 和岁差( 1 9 2 4 万年) 的影响占主导地位，此外，海底火山的作 用可能也是重要因子【2 5 1 。m i l l e r 【6 】通过有孔虫仃1 8 0 记录证实了近8 0 万年以来海平 面变化中轨道参数偏心率的1 0 万年周期信号，升降幅度最高达到1 2 0 1 4 0 m 。 c a r t 叫1 9 8 8 ) 研究了最近1 5 万年以来的海平面变化，认为海平面研究时段前2 5 万 年处于与现代海平面相同高度波动，后半期海平面开始下降，在1 0 万年前下降到 5 0 m 。总体来讲，近1 0 1 0 0 万年以来的海平面呈现出明显的l o 万年周期升降变化， 而总趋势是先上升后下降，多数时期海平面要比当前海平面低。若以c a n 叫1 9 8 8 ) 曲线近1 5 万1 0 万年前为例，则在l o 1 0 0 年尺度的海平面平均变化速率约为 1 m m a 或o 1 m k a ，当然根据m i l l e 一分析得到的近1 0 0 万年海平面变化曲线估 计甚至存在较平均速率大一、两个量级情况( 图2 2 ) 。 统称米兰科维奇理论；现在地轴倾角为2 3 4 a 这个倾角约在2 2 。到2 4 5 。之间变动，平均周期为4 1 万 年。岁差的周期为2 2 万年，因为地球公转轨道是椭圆形的，故而二分点的进动影响到两半球季节的强度 和时间长短，从而引起地球表面太阳辐射的变化在南北两半球的交替变化。轨道偏心率有约9 5 8 万年的周 期。第四纪期间的变化幅度为o _ o 0 6 ，现在为o 0 1 6 7 。偏心率最大时近日点与远日点( 日地距离分别为最小 和最大) 之间接收太阳辐射之差可达3 0 左右。 9 第2 章近百年全球海平面变化 ，- _ -n un o 图2 2 基于氧同位素分析估计的近9 0 0 万年以来的海平面变化( 紫色曲线，本文关注近1 0 0 万 年以来的变化情况，据m i l l e r ( 2 0 0 5 ) 嘲) f i g 2 2o 碍g e ni s o t o p i c b a s e ds e a - l e v e le s t i f n a t ef 廿1 ep a s t9m y 3 全新世以来的海平面变化 末次冰盛期( l g m ) 出现在约1 5 2 o 万年前，一般认为：1 5 万年前气温开始变 暖，海平面开始上升。因此对于1 5 万年前的低海面是有关学者研究的一个热点 当然不同学者对于l g m 的海平面存在不同的见解，多数值在1 0 5 1 3 5 m 之间。我 国学者【4 6 4 9 】对东海通过野外柱状样分析认为最低海平面在现今海平面以下 1 5 0 1 6 0 m 。辛立国等例认为断裂作用对中国东海1 5 0 m 以深海域相对海平面的变 化有重要影响。这种作用使东海1 5 0 m 以深海底至少下降了3 0 m ，当然其结论还有 待进一步证实。 i 夸每协t 千年 图2 3 世界不同区域海平面标志物的年龄和深度，实线代表美国大西洋沿岸海平面曲线， 虚线为德克萨斯州沿岸的海平面曲线( 据m i l l i 锄( 1 9 6 8 ) 【5 】) f i g 2 - 3d e p 吐l sa n da g e so fs e a 1 e v di n d i c a t 饼s 恤0 l 咖a u t 也ew 盯l d n l es o l i dl i i 】ei st h es e a - l e v e l l o 第2 章近百年全球海平面变化 c u r v et o rt t 屺a 儿a n t i cc o n t i n e n t a ls h e l f 1 1 l ec l o t t e dl i n ei st h es e a l e v e l c u i v ef o rt h e i e x a ss h e l t 图2 3 可以看出不同区域研究得到的1 5 万年前的低海平面有所不同，当然 其中一方面可能是由于区域特点的差异，另一方面则是由于研究方法的不同。但 所有研究结果都支持这样一个事实，即：海平面在1 5 万年前至6 0 0 0 年前出现 了快速而大幅度的上升，海平面上升的速率达到1 酬a ，远高于目前海平面的 上升速率；而后期的海平面变化趋势则比较缓慢。 虽然不同学者对1 5 万年以来的海平面变化的幅度、速率以及总体趋势基本 一致，但在更短时间尺度的波动存在着明显的分歧，其中最典型的为关于最近 6 0 0 0 年以来的海平面。目前有3 类说法【5 1 l ： ( 1 ) f a i f b r i d g e ( 1 9 6 1 ) 认为6 0 0 0 年前高于当前海平面3 m ，此后在当前海平面高度 3 至1 5 m 波动变化。 ( 2 ) f i s k ( 1 9 5 6 ) ，m c f a r l a n ( 1 9 6 1 ) 认为6 0 0 0 年来的多数时期海平面是稳定的。 ( 3 ) s h e p a r d 及s u e s s ( 1 9 5 6 ) 在对稳定海岸研究时，认为5 0 0 0 6 0 0 0 年前海平面上 升的速率有所减慢，但趋势仍然是上升的，直到当前海平面。 霉 _ 强 旁 鞋 图2 4f a 曲r i d g e ，m 0 m e r 和s h e p a r d 的全新世海平面变化曲线( 据庄振业( 2 0 0 3 ) 5 2 】) f i g 2 - 4t l l l eh o l o c e n es e al e v e lc h a n g ec u r v e s0 ff a i r b r i d g e ，m 0 m e ra n ds h e p a r d ss t u d i e s 三种学说都力图用自己的学说来概括说明全球全新世以来的海平面变化。实 际上，考虑到不同地区构造运动的差异，海平面变化的地区差异较大，这也是造 成不同学者针对不同区域得到的海平面变化曲线不同的重要原因。因此不能盲目 根据区域研究得到的相对海平面变化曲线来代表全球变化【5 3 1 。虽然关于过去 6 0 0 0 年海平面变化情况有不少研究，但却忽略了其原因的分析。对于l g m 以来 的海平面变化，有关学者认为是气候变化所造成的，冰盛期的气温要比现在低 第2 章近百年全球海平面变化 8 1 3 ，当然不同纬度上有所差异【5 4 1 ，但对于更深层次的原因则少有研究。 4 历史时期的海平面变化 这里主要是指最近2 0 0 0 年以来人类农耕文明出现以后的海平面变化情况。 深入研究2 0 0 0 以来的海平面变化的过程和规律，是进行趋势外推和情景类比的 重要基础。目前国际上有关的研究相对较少，研究方法多数为对古海岸标志进行 分析，并结合一定的史实记载。 目前，还未能建立全球区域近两千年以来包含百年一分米量级波动细节的海 平面变化曲线。f l e m m i l l g 【5 5 】，n e m m i i l g & w r e b b f 5 6 】对地中海上百处海岸的考古研 究认为地中海地区近2 0 0 0 年来的海平面上升了o 4 m ，即0 2 删 i l a ，且根据p e l t i e r 【5 7 1 的研究在此处的冰后期回弹作用很小；v a r e k a m p 等【5 8 】在对美国康乃狄克州的 沼泽钻孔研究发现过去1 5 0 0 年此地区的海平面上升速率为1 1 删【l 】a ，而据p e n i e f 【5 7 l 此处冰后回弹对相对海平面的影响作用较大，超过1 m i l l a ，即说明该处过去 1 5 0 0 年海平面变化速率较慢，远小于目前的上升速率。气候变化与该时间段的 海平面变化联系紧密，而太阳辐射可能是影响近千年来气温的重要因烈5 9 ，6 0 1 。 海平面在不同的时间尺度下由于诸多因素的综合作用而呈现出不同的变化 趋势和特点，其中既有海平面变化平缓的时期，也存在变化速率加快的时期，如 1 5 万年前至6 0 0 0 年前上升速率达到1 0 m i n a ，远高于6 0 0 0 年以来的海平面上升 速率，说明单纯的自然因素在一定条件下可以导致远高于目前变化速率的海平面 变化。 2 2 最近10 0 年来全球海平面变化 上文讨论了历史上不同时间尺度的海平面的变化；而最近1 0 0 年来海平面变 化是当前所关注的重要方面，本节在介绍近百年来的气候变化的基础上研究2 0 世纪海平面的变化。 2 2 1 最近1 0 0 年来的气候变化 气候变迁是影响海平面变化的重要因素，d o n n 【6 1 】在对美国东部海岸的海平 面研究时发现，该地区的验潮站记录的海面变化与全球气温之间存在显著的正相 关；g o m i t z 等【7 j 分析了根据1 8 3 个潮位站所得到的全球海平面变化与近地表大气 温度之间的关系，得出相关系数为0 6 ( 5 年平均相关系数为o 8 ) ，当然关于其 1 2 第2 章近百年全球海平面变化 具体影响机制还存在争议1 6 2 1 。历史时期的气候处于一个不断的冷、暖交替变化 过程当中。虽然不能准确地推断过去几百年的确切气温，但是可以根据各地的物 候和方志【5 9 ，6 3 】来大体知晓前几个世纪的冷、暖变化，而对于更长历史( 公元前1 0 0 0 多年前) ，则主要根据考古方面来进行研究。为了研究最近1 0 0 年以来的海平面 变化，本节我们首先对2 0 世纪的气候作一定程度的了解。 我国学者竺可桢1 5 9 ，6 3 】从物候学的角度研究了我国及全球近几千年来的气候 变化。我们在此引用文献【5 9 】中的表来说明上世纪全球气温的情况。 表2 1 长江流域河湖结冰年代( 据竺可桢( 1 9 7 3 ) 【5 9 1 ) t a b 2 - 1n e f r e e z i n gy e a r so fr i v e r sa n dl a k e si nc h a n 西i a n g 砌v e rb a s i n 磊篙焉 太湖鄱阳湖洞庭湖汉水淮河 1 9 0 1 1 9 7 0 年 1 9 0 0 年 第四 第三 第二 第一 1 8 0 0 年 第四 第三 第二 第一 1 7 0 0 年 第四 第三 第二 第 1 6 0 0 年 第四 第三 第二 第一 1 5 0 0 年 第四 第三 第二 第一 1 8 7 7 1 8 9 3 1 8 6 1 1 8 6 1 ，1 8 6 5 1 8 4 0 1 7 6 1 1 6 8 3 1 7 0 0 1 6 5 4 ，1 6 6 5 1 6 7 0 1 5 7 8 1 5 6 8 1 5 0 3 ，1 5 1 3 1 4 7 6 1 4 5 4 1 9 5 5 1 8 7 7 1 9 5 51 9 5 5 1 8 7 7 ，1 8 8 6 ，1 8 9 9 1 8 6 5 ，1 8 7 1 1 8 3 01 8 4 5 1 6 9 0 1 6 9 0 ，1 6 9 1 1 6 5 3 ，1 6 6 01 6 5 3 ，1 6 6 0 ，1 6 7 0 1 6 2 1 1 6 2 0 ，1 6 2 1 1 5 7 0 1 5 1 31 5 1 0 1 5 1 3 1 5 2 9 1 5 1 9 1 7 1 5 ，1 7 2 0 1 6 9 0 1 6 5 3 ，1 6 7 0 ，1 6 7 1 1 6 4 0 1 6 1 9 1 5 6 4 1 5 5 0 1 4 9 3 1 4 5 4 1 4 4 9 1 4 1 6 1 3 第2 章近百年全球海平面变化 表2 1 中记录了1 2 0 0 年以来长江流域的结冰年份情况。从表中可以看出，1 4 、 1 5 世纪是处于暖和时期，结冰较少，其中1 4 世纪结冰记录仅为3 次。而1 6 、1 7 世纪河湖结冰较多，尤以1 7 世纪后半期记录最多，说明较为寒冷，欧洲在此期 间也经历了最为恶劣的严冬。1 8 世纪仅有4 次结冰记录，为暖期。1 9 世纪又为小 寒纪，5 个水系有1 4 次结冰记录。2 0 世纪以来7 0 年的记录只有3 次结冰，且自 1 9 7 0 年以来气温不断上升，2 0 世纪9 0 年代又是全世界自1 8 4 0 年有正式气象记 录以来最热的1 0 年。且我国的气温变化处于全球气温变化之内，历史记录都有较 很好的吻合【6 3 1 。由此我们可以推断2 0 世纪全球处于一个“小暖期”。 关于2 0 世纪气温上升的具体原因还未达成一致见解，但对气温的了解有助 于对上世纪海平面变化的认知，同时也是海平面研究所需了解的重要背景。 2 2 2 海平面的记录 当前海平面定量研究资料主要有3 个来源：( 1 ) 潮位站实时记录；( 2 ) 海洋测 高卫星资料；( 3 ) 古海平面标记物的有关分析等。用来分析最近一百年海平面变 化的数据主要来源于验潮记录。 验潮站通常建在海港码头之上，根据其相对于附近测地基准的变化来连续记 录海平面的变化( 图2 5 ) ，其核心为验潮仪，早期的如1 8 9 1 年开始使用的开尔文验 潮仪结构较为简单，主要通过弹簧的拉升变化来记录海面的变化过程。当前应用 的多为高分辨自动潮位记录仪，并联合g p s 进行相对海平面变化的测量。 1 4 第2 章近百年全球海平面变化 面 图2 5 验潮站不恿图 f 垮2 5t h es c h e m a t i cd i a 伊a mo ft i d eg a u g es t a t i o n 近代地壳垂直运动研究表明，陆地本身处于不停的运动之中，从而使得陆 地之上的水准点随之运动。因此，即使海面固定不变，仅有陆地升降，也可能 使海面在水尺上的读数发生变化( 如图2 4 中的r 即是) 。因此通常验潮得到的 海平面变化包含了真正的海面变化，同时也包含陆地的升降而造成的海面视变 化，这也是海平面研究中需要注意的方而。 世界上较早的验潮站有荷兰的阿姆斯特丹站，建于1 6 8 2 年；法同的布雷斯 特站建于1 8 1 0 年；比尔特站，1 8 0 7 年：威尼斯站，1 8 2 5 年；泰晤士河的s h e e r n e s s 站开始于18 3 1 年俐。 7 ：3 ( ) ( ) 7 2 0 0 j7j0 0 暮7 0 0 0 髦6 9 0 0 6 8 0 0 襄6 7 ( ) ( ) 6 6 0 ( j 6 5 0 0 州脚肌妒， 一一v “ 18 0 0l8 2 018 1 ( ) 18 6 ( ) l8 8 0l9 ( ) 0 上9 2 019 1 ( ) 19 6 019 8 02 0 0 ( ) 年份 图2 6 一些建站较早的潮位站记录的海平面变化 f 逸2 6s e a - l e v e lc h a n g e 行o ms o m ee a r l ym o n i t o r e dt i d eg a u g es t a t i o l l s 当前世界范围内的潮位站已超过2 0 0 0 个( 图2 7 ) ，数据记录时间从，l 年到 10 0 多年不等，使得海r 、f 面变化的定量研究进入j ，一个新的阶段。 第2 章近百年全球海平面变化 图2 7 世界潮位站分布图 f i g 2 - 7n ed i s 廿i b 嘶o fg l0 _ 蹦t i d eg a u g es t a t i 0 璐 从图2 7 可以看出，潮位站大多集中在欧洲、北美洲、日本及澳大利亚等国 家和地区的沿岸。其中有许多监测站是于1 9 8 5 年全球海平面观测系统( g l o b a l s e al e 、，e lo b s e i i l gs y s t e 砌l o s s ) f 6 5 】计划提出后在全球范围内设立 的，g l o s s 计划的目标旨在建立高质量的全球和区域( 尤其是南半球) 海平面监 测网络，从而为相关科学研究和实际应用提供海平面信息。g l o s s 的主要部分 全球核心监测网( g l o b a lc o r en n 、o r k ，g c n ) 由全球2 9 0 多个潮位站组成，而这些 监测站的连续记录时间通常小于2 0 年，长时间序列测站多分布于北半球。同时 这些站点的记录时间相对较长，尤以欧洲大西洋沿岸为甚。连续记录大于1 0 0 年的站点有1 9 个位于欧洲大西洋沿岸。 在记录2 0 年以上的潮位站中，进行研究时对一些受地质构造或人类活动影 响较明显的应慎重选用( 表2 3 ) 。 表2 3 不适合代表全球海平面变化典型验潮站及其原因 t a b 2 3s 伽n er q 珊删v ct i d eg a l l g es t 觚o n st h a tn o ts 疵a b l ef 研g l o b a ls 1 e v e l 妇g e a n 出s i sa n d t l l cr e a s 塔 验潮站点或区域 原因 日本和美国阿拉斯加地区构造运动影响明显陋】 d i 锄鲫d h a r b o u r ( 印度) 、w 1 1 i t b v ( 英国)位于河口三角洲，沉积效应显著吲。 f r e e p o n ( 美国) 、c a n a n e i a ( 巴西) 地面沉降作用突出【6 8 咧 p 0 t i ( 格鲁吉亚)地壳垂直运动强烈地带刚 r a 砌c ( ) 玎g a ( 拉罗汤加岛) 、n s p i t ，h 删曲0 1 出 强烈地震带或火山活动f 7 1 ，7 2 】 1 6 第2 章近百年全球海平面变化 b a y ( 美国) 由于以上站点所在区域受陆地运动影响较大，因而这些站点不宣用来代表全 球海平面的变化，只适合用于此站点或该区域海面变化的研究。 综上所述，在进行海平面分析时，必须考虑测站数据的可靠性，通常选取的 潮位站应考虑以下几点：( 1 ) 远离地质构造或地面沉降较强烈的区域；( 2 ) 受大 河口径流和泥沙沉降影响较小；( 3 ) 数据连续可靠，无突变；( q 无其他诸如地 下过度取水或海港建设等人为活动的影响【7 3 ，7 4 1 。 2 2 3 最近1 0 0 年来的海平面变化 关于最近1 0 0 年来的海平面变化情况，前人已做了不少的研究，并得出不同 的结论【7 5 1 。虽然许多研究者试图剔除地面升降因素的影响，但由于地壳运动的 复杂性以及不能完全了解区域地壳运动背景，加上站点的选取、研究时段以及研 究方法的不同都会对分析结果产生影响，而使得对全球海平面变化的估计存在一 定偏差。本节根据上文有关潮位站选取原则选取8 个代表站点分析了近百年来海 平面变化情况。 1 站点选取、数据的预处理 1 1 站点的选取 由于验潮站点多而广，且南北半球分布不均，因此不可能选取所有站点来研 究反映全球相对海平面的变化趋势，b a r n e t t 等【7 3 7 6 】对用关键潮位站来近似代表 全球海平面变化趋势作了详细的讨论，这些站点符合上文所述的验潮站选取原 则。据此，本文选择了其中的8 个潮位站( 图2 7 ) ，且各大洋的站点数目比基本同 大洋面积比相近，太平洋：大西洋：印度洋接近2 4 ：1 5 ：1 0 ( 北冰洋由于受海冰影 响较大，故在全球海平面研究时通常不予考虑) ，虽然地面抬升或沉降作用在千 年尺度有明显变化，但在近百年来这些站点区域处于相对平静期【7 7 1 ，年平均海 平面高度数据主要来源于p s m s l 。 原冈主要在于避免某一洋区权重偏高或偏低而影响分析结果。 1 7 第2 章 近百年全球海平面变化 图2 - 8 选取站点的分布 f i g 2 8l o c a t i o n0 ft h es e l e c t i v ek e ys t a t i o n s 1 2 原始数据的处理 ( 1 ) 对于数据有缺失的站点进行插值( 表2 4 ) ，其中c a s c a i s 站缺失数据的年份用 u h s l c 的该站实测数据补充( 两者基准点不同，故要转化) ，c r i s t o b a l 站则通过 u h s l c 逐月平均来求算年均海平面高度。 表2 4 各站点所在区域及数据缺失情况 1 a b 2 - 4s e al e v e ls t a t i o l l s ( 2 ) 为避免不同站点时间偏差对海平面分析的影响，截取相同的时间段( 本文研 究时间为1 9 0 6 1 9 9 6 年，缺失年份应少于1 0 年) ( 3 ) 研究此时间段内的大气压强对海平面的影响，以便下文进行主导因素的分 1 8 第2 章近百年全球海平面变化 析。 一般来讲，大气压强的变化会引起海平面的变化，根据压强公式： 卸一昭j l( 2 - 1 ) 其中：卸：大气压强变化( 1 l p a ) ，p ：海水密度( g c m 3 ) ，g ：重力加速度( c l l 幽2