• ISSN 2096-8957
  • CN 10-1702/P

全球及中国近海海平面变化趋势研究进展及展望

常乐 孙文科

引用本文:
Citation:

全球及中国近海海平面变化趋势研究进展及展望

    作者简介: 常乐(1991-),男,讲师,主要从事海平面变化及卫星重力应用的研究. E-mail:changle114@mails.ucas.ac.cn.
    通讯作者: 孙文科, sunw@ucas.ac.cn
  • 中图分类号: P229

Progress and prospect of sea level changes of global and China nearby seas

    Corresponding author: Sun Wenke, sunw@ucas.ac.cn
  • CLC number: P229

  • 摘要: 海平面变化是全球气候系统变化的一个组成部分,是环境变化的重要指标,也会影响沿海区域及岛屿的生态环境甚至存亡. 全球海平面变化由海水质量变化和比容海平面变化构成. 海水质量变化主要是由于两极冰盖和高山区的冰川融化流入海洋所致;比容海平面变化是由海水的温度和盐度变化所引起的,其中温度变化是最主要的因素. 本文介绍了海平面变化各种监测技术的发展过程,并对海平面变化的研究现状进行了总结. 所有研究成果均表明,近100多年以来,全球海平面一直处于上升态势;近几十年以来,海平面呈现加快上升并且越来越快的趋势. 目前仍然存在一些问题:人们还没有完全掌握海平面变化规律,对未来海平面变化预测有较大不确定性;深海缺乏实测数据;厄尔尼诺—南方涛动(ENSO)的变化规律以及对海平面的影响;GRACE陆地与海洋信号无法完全分离以及GRACE与GRACE-FO之间的一致性分析等. 这些问题都需要进一步开展研究.
  • 图 1  全球平均海平面变化时间序列及不同时段上升速率

    Figure 1.  Global mean sea level change time series and rising rate in different periods

    图 2  测高与GRACE和Argo结果的对比(修改自Yi et al., 2015

    Figure 2.  The comparison of Altimetry, GRACE, and Argo results (modified from Yi et al., 2015)

    图 3  全球海平面变化的组成成分

    Figure 3.  The components of global sea level change

    图 4  船测航线分布图(修改自Chang et al., 2019a

    Figure 4.  Distribution of ship survey tracks (modified from Chang et al., 2019a)

    图 5  全球平均海平面变化观测与未来预测(修改自Sweet et al., 2017). 1800~1993年的全球平均海平面变化由地质和验潮站数据求得;1993年至今由卫星测高数据求得;现今至2100年为预测海平面变化:南极冰融化可能造成的海平面上升(到2100年最高可上升2.4 m)和一般估算上升范围(0.3~1.2 m)

    Figure 5.  Observations and predictions of global mean sea level change (modified from Sweet et al., 2017). GMSL changes from 1800 to 1993 were calculated from geological and tide gauge data; GMSL changes from 1993 to the present were calculated from altimeter data; GMSL changes from the present to 2100 are the prediction change: GMSL possible increase from Antarctic ice melt (up to 2.4 in total rise by 2100) and currently with a projected range of 0.3~1.2 meters

    表 1  格陵兰岛冰对海平面的贡献

    Table 1.  The contribution of Greenland ice to sea level

    数据源时间段海平面贡献/(mm·a−1
    Sasgen等(2012)2003-10~2009-100.66±0.08
    Barletta等(2013)2003-01~2011-120.65±0.06
    Luthcke等(2013)2003-12~2010-120.64±0.03
    Schrama等(2014)2003-02~2013-060.77±0.05
    下载: 导出CSV

    表 2  南极冰对海平面的贡献(WCRP Global Sea Level Budget Group, 2018

    Table 2.  The contribution of Antarctic ice to sea level (WCRP Global Sea Level Budget Group, 2018)

    数据源2005~2015年对海平面
    贡献/(mm·a−1
    更新自Sasgen等(2012)0.47±0.07
    更新自Luthcke等(2013)0.36±0.06
    更新自Wouters等(2013)0.41±0.05
    更新自Schrama等(2014)0.33±0.03
    更新自Velicogna等(2014)0.33±0.08
    更新自Groh 和 Horwath(2016)0.32±0.11
    更新自Wiese等(2017)0.39±0.02
    下载: 导出CSV

    表 3  总体、质量和比容海平面变化趋势(单位:mm/a)

    Table 3.  Trends of sea level changes in total, water mass, and steric (Unit: mm/a)

    数据源时间段比容质量总和测高
    Chen等(2013)2005-01~2011-120.60±0.271.8±0.472.40±0.542.39±0.48
    Dieng等(2015)2005-01~2013-120.82±0.082.04±0.082.86±0.113.17±0.30
    Yi等(2015)2005-01~2014-070.97±0.182.03±0.253.00±0.313.13±0.44
    Rietbroek等(2016)2002-04~2014-061.38±0.161.08±0.302.46±0.342.74±0.58
    Chambers等(2017)2005-01~2014-120.97±0.152.11±0.363.08±0.393.17±0.67
    Dieng等(2017)2004-01~2015-121.14±0.092.24±0.103.35±0.143.49±0.14
    WCRP Global Sea Level Budget Group(2018)2005-01~2015-12 1.3±0.40 2.3±0.193.60±0.403.50±0.20
    下载: 导出CSV
  • [1]

    Ablain M, Legeais J F, Prandi P. et al. 2017. Satellite altimetry-based sea level at global and regional scales[J]. Surveys in Geophysics, 38(1): 7-31. doi: 10.1007/s10712-016-9389-8
    [2]

    Abraham J P, Baringer M, Bindoff N, et al. 2013. A review of global ocean temperature observations: Implications for ocean heat content estimates and climate change[J]. Reviews of Geophysics, 51(3), 450-483. doi: 10.1002/rog.20022
    [3]

    Agreement P. 2016. Paris agreement, paper presented at Report of the Conference of the Parties to the United Nations Framework Convention on Climate Change[R]. Paris: 21st Session, 2015, Retrived December, HeinOnline.
    [4]

    Araújo I B, Pugh D T. 2008. Sea levels at Newlyn 1915–2005: analysis of trends for future flooding risks[J]. Journal of Coastal Research, 24(sp3): 203-212.
    [5]

    Barletta V R, Sørensen L S, Forsberg R. 2013. Scatter of mass changes estimates at basin scale for Greenland and Antarctica[J]. Cryosphere, 7: 1411-1432. doi: 10.5194/tc-7-1411-2013
    [6]

    Beckley B, Callahan P, Hancock III D, et al. 2017. On the “Cal-Mode” correction to TOPEX satellite altimetry and its effect on the global mean sea level time series[J]. Journal of Geophysical Research: Oceans, 122(11): 8371-8384. doi: 10.1002/2017JC013090
    [7]

    Bindoff N, Willebrand J, Artale V. et al. 2007.Observations: oceanic climate change and sea level. Climate Change 2007: The Scientific Basis[C]//Solomon S. Contribution of Working Group I to the Fourth Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change. New York: Cambridge University Press.
    [8]

    Cambiotti G, Bordoni A, Sabadini R, Colli L. 2011. GRACE gravity data help constraining seismic models of the 2004 Sumatran earthquake[J]. Journal of Geophysical Research: Solid Earth, 116(B10).
    [9]

    Cazenave A, Nerem R S. 2004. Present-day sea level change: Observations and causes[J]. Reviews of Geophysics, 42(3): 131-144.
    [10]

    Cazenave A, Chen J. 2010.Time-variable gravity from space and present-day mass redistribution in the Earth system[J]. Earth and Planetary Science Letters, 298(3): 263-274.
    [11]

    Chambers D P, Cazenave A, Champollion N.et al. 2017. Evaluation of the global mean sea level budget between 1993 and 2014[J]. Surveys in Geophysics, 38(1): 309-327. doi: 10.1007/s10712-016-9381-3
    [12]

    Chang L, Tang H, Wang Q, Sun W. 2019a. Global thermosteric sea level change contributed by the deep ocean below 2000 m estimated by Argo and CTD data[J]. Earth and Planetary Science Letters, 524: 115727. doi: 10.1016/j.jpgl.2019.115727.
    [13]

    Chang L, Tang H, Yi S, Sun W. 2019b. The trend and seasonal change of sediment in the East China Sea detected by GRACE[J]. Geophysical Research Letters, 46(3): 1250-1258. doi: 10.1029/2018GL081652.
    [14]

    Chen J. 2019. Satellite gravimetry and mass transport in the Earth system[J]. Geodesy and Geodynamics, 10(5): 402-415. doi: 10.1016/j.geog.2018.07.001
    [15]

    Chen J, Wilson C, Tapley B. 2006. Satellite gravity measurements confirm accelerated melting of Greenland ice sheet[J]. Science, 313(5795): 1958-1960. doi: 10.1126/science.1129007
    [16]

    Chen J, Wilson C, Tapley B.2013.Contribution of ice sheet and mountain glacier melt to recent sea level rise[J]. Nature Geoscience, 6(7): 549-552. doi: 10.1038/ngeo1829
    [17]

    Chen J L, Wilson C R, Tapley B D. 2010.The 2009 exceptional Amazon flood and interannual terrestrial water storage change observed by GRACE[J]. Water Resources Research, 46(12): W12526.
    [18]

    Chen M, Du L, Zuo J, et al. 2008. Spatial distribution of sea level trend and annual range in the China Seas from 50 long term tidal gauge station data[C]//The Eighteenth International Offshore and Polar Engineering Conference, International Society of Offshore and Polar Engineers. Canada: Vancouver.
    [19]

    Chen X, Zhang X, Church J A. 2017.The increasing rate of global mean sea-level rise during 1993–2014[J]. Nature Climate Change, 7: 492. doi: 10.1038/nclimate3325
    [20]

    Church J, Clark P, Cazenave A, et al. 2013. Sea level change, in Climate Change 2013: The Physical Science Basis[C]//Contribution of Working Group I to the Fifth Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change, Cambridge University Press, 1137-1216.
    [21]

    Church J A, White N J. 2006. A 20th century acceleration in global sea-level rise[J]. Geophysical Research Letters, 33(1): L01602.
    [22]

    Church J A, White N J. 2011. Sea-level rise from the late 19th to the early 21st century[J]. Surveys in Geophysics, 32(4-5): 585-602. doi: 10.1007/s10712-011-9119-1
    [23]

    Church J A, White N J, Coleman R, et al. 2004. Estimates of the regional distribution of sea level rise over the 1950–2000 period[J]. Journal of climate, 17(13): 2609-2625. doi: 10.1175/1520-0442(2004)017<2609:EOTRDO>2.0.CO;2
    [24]

    Church J A, Gregory J M, Huybrechts P, et al. 2001. Changes in sea level[C]//Houghton J T, Ding Y, Griggs D J, et al. Climate Change 2001: The Scientific Basis: Contribution of Working Group I to the Third Assessment Report of the Intergovernmental Panel, 639-694.
    [25]

    Church J A, Aarup T, Woodworth P L, et al. 2010. Sea-level rise and variability: synthesis and outlook for the future[R]. Understanding Sea-level Rise and Variability, 402-419.
    [26]

    Davis R, Sherman J, Dufour J. 2001. Profiling ALACEs and other advances in autonomous subsurface floats[J]. Journal of atmospheric and oceanic technology, 18(6): 982-993. doi: 10.1175/1520-0426(2001)018<0982:PAAOAI>2.0.CO;2
    [27]

    Desbruyères D, McDonagh E L, King B A. 2016.Observational advances in estimates of oceanic heating[J]. Current Climate Change Reports, 2(3): 127-134. doi: 10.1007/s40641-016-0037-7
    [28]

    Dieng H, Cazenave A, Meyssignac B, Ablain M. 2017. New estimate of the current rate of sea level rise from a sea level budget approach[J]. Geophysical Research Letters, 44(8): 3744-3751. doi: 10.1002/2017GL073308.
    [29]

    Dieng H B, Palanisamy H, Cazenave A, et al. 2015. The sea level budget since 2003: inference on the deep ocean heat content[J]. Surveys in Geophysics, 36(2): 209-229. doi: 10.1007/s10712-015-9314-6
    [30]

    Douglas B C. 1991. Global sea level rise[J]. Journal of Geophysical Research: Oceans, 96(C4): 6981-6992. doi: 10.1029/91JC00064
    [31]

    Famiglietti J, Lo M, Ho S, et al. 2011. Satellites measure recent rates of groundwater depletion in California's Central Valley[J]. Geophysical Research Letters, 38(3): L03403.
    [32] 冯贵平, 宋清涛, 蒋兴伟, 常亮. 2018. 卫星重力估计陆地水和冰川对全球海平面变化的贡献[J]. 海洋学报, 40(11): 85-95.

    Feng G P, Song Q T, Jiang X W, Chang L. 2018. Land water and glaciers contributions to global sea level change from satellite gravity measurements[J]. Haiyang Xuebao, 40(11): 85-95(in Chinese).
    [33]

    Feng W, Zhong M, Lemoine J M, et al. 2013. Evaluation of groundwater depletion in North China using the Gravity Recovery and Climate Experiment (GRACE) data and ground-based measurements[J]. Water Resources Research, 49(4): 2110-2118. doi: 10.1002/wrcr.20192.
    [34]

    Fu L-L, Cazenave A. 2000. Satellite Altimetry and Earth Sciences: A Handbook of Techniques and Applications[M]. Salt Lake City: Academic Press.
    [35] 高超, 汪丽, 陈财, 等.2019. 海平面上升风险中国大陆沿海地区人口与经济暴露度[J]. 地理学报, 74(8): 1590-1604. doi: 10.11821/dlxb201908008

    Gao C, Wang L, Chen C, et al. 2019. Population and economic risk exposure in coastal region of China under sea level rise[J]. Acta Geographica Sinica, 74(8): 1590-1604(in Chinese). doi: 10.11821/dlxb201908008
    [36]

    Gardiner S, Hanson S, Nicholls R, et al. 2007.The habitats directive, coastal habitats and climate change–Case studies from the south coast of the UK[C]//Proceedings of the two-day international conference organised by the Institution of Civil Engineers and held in Cardiff on 31 October–1 November 2007, Thomas Telford Publishing.
    [37]

    Gardner A S, Moholdt G, Cogley J G, et al. 2013. A reconciled estimate of glacier contributions to sea level rise: 2003 to 2009[J]. Science, 340(6134): 852-857. doi: 10.1126/science.1234532
    [38]

    Groh A, Horwath M. 2016. The method of tailored sensitivity kernels for GRACE mass change estimates[C]//EGU General Assembly Conference Abstracts.
    [39]

    Hamlington B, Cheon S, Thompson P, et al. 2016. An ongoing shift in Pacific Ocean sea level[J]. Journal of Geophysical Research: Oceans, 121(7): 5084-5097. doi: 10.1002/2016JC011815
    [40]

    Han S-C, Shum C, Bevis M, et al. 2006. Crustal dilatation observed by GRACE after the 2004 Sumatra-Andaman earthquake[J]. Science, 313(5787): 658-662. doi: 10.1126/science.1128661
    [41]

    Hay J E, Mimura N. 2005. Sea-level rise: Implications for water resources management[J]. Mitigation and Adaptation Strategies for Global Change, 10(4): 717-737. doi: 10.1007/s11027-005-7305-5
    [42]

    Heki K, Matsuo K. 2010. Coseismic gravity changes of the 2010 earthquake in central Chile from satellite gravimetry[J]. Geophysical Research Letters, 37(24): L24306. doi: 10.1029/2010GL045335.
    [43]

    Holgate S, Woodworth P. 2004. Evidence for enhanced coastal sea level rise during the 1990s[J]. Geophysical Research Letters, 31(7): L07305.
    [44]

    IPCC T. 2007, Climate change 2007: synthesis report, Contribution of working groups I, II and III to the fourth assessment[R]. Report of the intergovernmental panel on climate change, 95-212.
    [45]

    Johnson G C, Chambers D P. 2013. Ocean bottom pressure seasonal cycles and decadal trends from GRACE Release-05: Ocean circulation implications[J]. Journal of Geophysical Research: Oceans, 118(9): 4228-4240. doi: 10.1002/jgrc.20307
    [46]

    Joodaki G, Wahr J, Swenson S. 2014. Estimating the human contribution to groundwater depletion in the Middle East, from GRACE data, land surface models, and well observations[J]. Water Resources Research, 50(3): 2679-2692. doi: 10.1002/2013WR014633
    [47]

    Kouketsu S, Kawano T, Masuda S, et al. 2011. Deep ocean heat content changes estimated from observation and reanalysis product and their influence on sea level change[J]. Journal of Geophysical Research: Oceans, 116(C3): C03012.
    [48]

    Legeais J-F, Ablain M, Zawadzki L, et al. 2018. An improved and homogeneous altimeter sea level record from the ESA Climate Change Initiative[J]. Earth System Science Data, 10: 281-301. doi: 10.5194/essd-10-281-2018.
    [49]

    Levitus S, Antonov J I, Boyer T P, et al. 2012. World ocean heat content and thermosteric sea level change (0–2000 m), 1955–2010[J]. Geophysical Research Letters, 39(10): L10603.
    [50]

    Llovel W, Willis J, Landerer F, Fukumori I. 2014. Deep-ocean contribution to sea level and energy budget not detectable over the past decade[J]. Nature Climate Change, 4(11): 1031-1035. doi: 10.1038/nclimate2387
    [51]

    Luthcke S B, Sabaka T, Loomis B, et al. 2013. Antarctica, Greenland and Gulf of Alaska land-ice evolution from an iterated GRACE global mascon solution[J]. Journal of Glaciology, 59(216): 613-631. doi: 10.3189/2013JoG12J147
    [52]

    Lyman J M, Johnson G C. 2014. Estimating global ocean heat content changes in the upper 1800 m since 1950 and the influence of climatology choice[J]. Journal of Climate, 27(5): 1945-1957. doi: 10.1175/JCLI-D-12-00752.1
    [53]

    Marzeion B, Champollion N, Haeberli W, et al. 2017. Observation-based Estimates of Global Glacier Mass Change and Its Contribution to Sea-level Change[M]//Integrative Study of the Mean Sea Level and Its Components. Springer, 107-132.
    [54]

    Matsuo K, Heki K J E, Letters P S. 2010. Time-variable ice loss in Asian high mountains from satellite gravimetry[J]. Earth and Planetary Science Letters, 290(1-2): 30-36. doi: 10.1016/j.jpgl.2009.11.053.
    [55]

    Merrifield M, Merrifield S, Mitchum G. 2009. An anomalous recent acceleration of global sea level rise[J]. Journal of Climate, 22(21): 5772-5781. doi: 10.1175/2009JCLI2985.1
    [56]

    Miller L, Douglas B C. 2004. Mass and volume contributions to twentieth-century global sea level rise[J]. Nature, 428(6981): 406-409. doi: 10.1038/nature02309
    [57]

    Mimura N. 2001. Distribution of vulnerability and adaptation in the Asia and Pacific Region[C]//Global Change and Asia Pacific Coasts. Proceedings of the APN/SURVAS/LOICZ Joint Conference on Coastal Impacts of Climate Change and Adaptation in the Asia–Pacific Region.
    [58]

    Moray R. 1665. Considerations and enquiries concerning tides, by Sir Robert Moray; likewise for a further search into Dr. Wallis's newly publish't hypothesis[J]. Philosophical Transactions of the Royal Society of London, 1(1-22): 298–301.
    [59]

    Nerem R, Beckley B, Fasullo J, et al. 2018. Climate-change–driven accelerated sea-level rise detected in the altimeter era[C]//Proceedings of the National Academy of Sciences, 201717312.
    [60]

    Nicholls R J. 2004. Coastal flooding and wetland loss in the 21st century: Changes under the SRES climate and socio-economic scenarios[J]. Global Environmental Change, 14(1): 69-86. doi: 10.1016/j.gloenvcha.2003.10.007
    [61]

    Palanisamy H, Cazenave A, Delcroix T, Meyssignac B. 2015. Spatial trend patterns in the Pacific Ocean sea level during the altimetry era: the contribution of thermocline depth change and internal climate variability[J]. Ocean Dynamics, 65(3): 341-356. doi: 10.1007/s10236-014-0805-7
    [62]

    Peltier W. 2001. Global Glacial Isostatic Adjustment and Modern Instrumental Records of Relative Sea Level History[M]//International Geophysics. Elsevier, 65-95.
    [63]

    Peltier W, Tushingham A. 1991.Influence of glacial isostatic adjustment on tide gauge measurements of secular sea level change[J]. Journal of Geophysical Research: Solid Earth, 96(B4): 6779-6796. doi: 10.1029/90JB02067
    [64]

    Purkey S G, Johnson G C. 2010. Warming of global abyssal and deep Southern Ocean waters between the 1990s and 2000s: Contributions to global heat and sea level rise budgets[J]. Journal of Climate, 23(23): 6336-6351. doi: 10.1175/2010JCLI3682.1
    [65]

    Qu Y, Jevrejeva S, Jackson L P, Moore J C. 2019. Coastal Sea level rise around the China Seas[J]. Global and planetary change, 172: 454-463. doi: 10.1016/j.gloplacha.2018.11.005
    [66]

    Qu Y, Liu Y, Jevrejeva S, Jackson L P. 2020.. Future sea level rise along the coast of China and adjacent region under 1.5°C and 2.0°C global warming[J]. Advances in Climate Change Research, 11(3): 227-238. doi: 10.1016/j.accre.2020.09.001
    [67]

    Ranjan S P, Kazama S, Sawamoto M. 2006. Effects of climate and land use changes on groundwater resources in coastal aquifers[J]. Journal of Environmental Management, 80(1): 25-35. doi: 10.1016/j.jenvman.2005.08.008
    [68]

    Reager J, Gardner A, Famiglietti J, et al. 2016. A decade of sea level rise slowed by climate-driven hydrology[J]. Science, 351(6274): 699-703. doi: 10.1126/science.aad8386
    [69]

    Rietbroek R, Brunnabend S-E, Kusche J, et al. 2016.Revisiting the contemporary sea-level budget on global and regional scales[J]. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, 113(6): 1504-1509. doi: 10.1073/pnas.1519132113
    [70]

    Rodell M, Velicogna I, Famiglietti J S. 2009. Satellite-based estimates of groundwater depletion in India[J]. Nature, 460(7258): 999-1002. doi: 10.1038/nature08238.
    [71]

    Roemmich D, Gilson J. 2009. The 2004–2008 mean and annual cycle of temperature, salinity, and steric height in the global ocean from the Argo Program[J]. Progress in Oceanography, 82(2): 81-100. doi: 10.1016/j.pocean.2009.03.004
    [72]

    Royston S, Watson C S, Legrésy B, et al. 2018. Sea-level trend uncertainty with Pacific climatic variability and temporally-correlated noise[J]. Journal of Geophysical Research: Oceans, 123(3): 1978-1993. doi: 10.1002/2017JC013655
    [73]

    Sasgen I, van den Broeke M, Bamber J L, et al. 2012. Timing and origin of recent regional ice-mass loss in Greenland[J]. Earth and Planetary Science Letters, 333: 293-303.
    [74]

    Schrama E J, Wouters B, Rietbroek R. 2014. A mascon approach to assess ice sheet and glacier mass balances and their uncertainties from GRACE data[J]. Journal of Geophysical Research: Solid Earth, 119(7): 6048-6066. doi: 10.1002/2013JB010923
    [75]

    Shor E N, Rand E. 1978. Scripps Institution of Oceanography: Probing the Oceans, 1936 to 1976[M]. Massachusetts: Tofua Press.
    [76]

    Sweet W V, Kopp R E, Weaver C P, et al. 2017. Global and regional sea level rise scenarios for the United States[R]. Woods Hole Coastal and Marine Science Center.
    [77]

    Syed T H, Famiglietti J S, Rodell M, et al. 2008. Analysis of terrestrial water storage changes from GRACE and GLDAS[J]. Water Resources Research, 44(2): W02433.
    [78]

    Tapley B D, Bettadpur S, Watkins M, Reigber C. 2004. The gravity recovery and climate experiment: Mission overview and early results[J]. Geophysical Research Letters, 31(9): L09607.
    [79]

    Tiwari V, Wahr J, Swenson S. 2009. Dwindling groundwater resources in northern India, from satellite gravity observations[J]. Geophysical Research Letters, 36(18): L18401. doi: 10.1029/2009GL039401
    [80]

    Velicogna I, Sutterley T, Van Den Broeke M. 2014. Regional acceleration in ice mass loss from Greenland and Antarctica using GRACE time-variable gravity data[J]. Geophysical Research Letters, 41(22): 8130-8137. doi: 10.1002/2014GL061052
    [81]

    Wahr J, Molenaar M, Bryan F. 1998. Time variability of the Earth's gravity field: Hydrological and oceanic effects and their possible detection using GRACE[J]. Journal of Geophysical Research: Solid Earth, 103(B12): 30205-30229. doi: 10.1029/98JB02844
    [82]

    Wahr J, Wingham D, Bentley C. 2000. A method of combining ICESat and GRACE satellite data to constrain Antarctic mass balance[J]. Journal of Geophysical Research: Solid Earth, 105(B7): 16279-16294. doi: 10.1029/2000JB900113
    [83] 王慧, 刘克修, 张琪, 等. 2014. 中国近海海平面变化与 ENSO 的关系[J]. 海洋学报, 36(9): 65-74.

    Wang H, Liu K X, Zhang Q, et al. 2014. The relationship between sea level change of China's coast and ENSO[J]. Haiyang Xuebao, 36(9): 65-74(in Chinese).
    [84]

    Warrick R, Oerlemans J. 1990. Sea Level Rise[M]// Houghton J T. Climate Change, The IPCC Scientific Assessment. Cambridge, UK: Cambridge University Press.
    [85]

    Warrick R, Le Provost C, Meier M, et al. 1996. Changes in Sea Level[M]//Houghton J T. Climate Change 1995. Cambridge, UK: Cambridge University Press, 359-405.
    [86]

    Watson C S, J. White N, Church J A, e al. 2015. Unabated global mean sea-level rise over the satellite altimeter era[J]. Nature Climate Change, 5(6): 565-568. doi: 10.1038/nclimate2635
    [87]

    WCRP Global Sea Level Budget Group.2018. Global sea level budget 1993-present, Earth System Science Data[J]. Earth System Science Data, 10: 1551–1590. doi: 10.5194/essd-10-1551-2018
    [88]

    Wiese D, Yuan D, Boening C, et al.2017. JPL GRACE Mascon Ocean, Ice, and Hydrology Equivalent Water Height RL05M. 1 CRI Filtered, Ver. 2, PO, DAAC, CA, USA[BD]. Dataset provided by Wiese in Nov/Dec.
    [89]

    Woodworth P, Monmonier M. 2015. Tidal measurement[M]//Henrietta V. The History of Cartography: Cartography in the Twentieth Century. Chicago: University of Chicago Press, 6: 1525-1528.
    [90]

    Woodworth P, White N J, Jevrejeva S, et al. 2009. Evidence for the accelerations of sea level on multi-decade and century timescales[J]. International Journal of Climatology, 29(6): 777-789. doi: 10.1002/joc.1771
    [91]

    Wouters B, Bamber J, Van den Broeke M, et al. 2013. Limits in detecting acceleration of ice sheet mass loss due to climate variability[J]. Nature Geoscience, 6(8): 613-616. doi: 10.1038/ngeo1874
    [92] 吴涛, 康建成, 王芳, 郑琰明. 2006. 全球海平面变化研究新进展[J]. 地球科学进展, 21(7): 730-737. doi: 10.3321/j.issn:1001-8166.2006.07.011

    Wu T, Kang J C, Wang F, Zheng Y M.2006. The new progresses on global sea level change[J]. Advances in Earth Science, 21(7): 730-737(in Chinese). doi: 10.3321/j.issn:1001-8166.2006.07.011
    [93]

    Yi S, Heki K, Qian A. 2017.Acceleration in the global mean sea level rise: 2005–2015[J]. Geophysical Research Letters, 44: 11905-11913. doi: 10.1002/2017GL076129.
    [94]

    Yi S, Sun W, Heki K, Qian A. 2015. An increase in the rate of global mean sea level rise since 2010[J]. Geophysical Research Letters, 42(10): 3998-4006. doi: 10.1002/2015GL063902
    [95] 于宜法. 2004. 中国近海海平面变化研究进展[J]. 中国海洋大学学报(自然科学版), 34(5): 713-719.

    Yu Y. 2004. Advance of the researches on the variations of mean sea level in the coastal waters of China[J]. Periodical of Ocean University of China( Natural Science Edition), 34(5): 713-719(in Chinese).
    [96] 赵健. 2020. 中国南海及东海近海测高海平面变化监测与预测[J]. 测绘学报, 49(5): 138-138.

    Zhao J.2020. Sea level change monitoring and prediction using satellite altimetry in south China sea and East China Sea coastal ocean[J]. Acta Geodaetica et Cartographica Sinica, 49(5): 138-138(in Chinese).
    [97] 周新, 孙文科, 付广裕. 2011. 重力卫星GRACE检测出2010年智利MW8.8地震的同震重力变化[J]. 地球物理学报, 54(7): 1745-1749. doi: 10.3969/j.issn.0001-5733.2011.07.007

    Zhou X, Sun W K, Fu G Y. 2011. Gravity satellite GRACE detects coseismic gravity changes caused by 2010 Chile MW8.8 earthquake[J]. Chinese Journal of Geohpysics, 54(7): 1745-1749(in Chinese). doi: 10.3969/j.issn.0001-5733.2011.07.007
  • 加载中
图(5) / 表(3)
计量
  • 文章访问数:  329
  • HTML全文浏览量:  324
  • PDF下载量:  37
  • 被引次数: 0
出版历程
  • 收稿日期:  2020-12-27
  • 网络出版日期:  2021-02-25
  • 刊出日期:  2021-05-01

全球及中国近海海平面变化趋势研究进展及展望

    通讯作者: 孙文科, sunw@ucas.ac.cn
    作者简介: 常乐(1991-),男,讲师,主要从事海平面变化及卫星重力应用的研究. E-mail:changle114@mails.ucas.ac.cn

摘要: 海平面变化是全球气候系统变化的一个组成部分,是环境变化的重要指标,也会影响沿海区域及岛屿的生态环境甚至存亡. 全球海平面变化由海水质量变化和比容海平面变化构成. 海水质量变化主要是由于两极冰盖和高山区的冰川融化流入海洋所致;比容海平面变化是由海水的温度和盐度变化所引起的,其中温度变化是最主要的因素. 本文介绍了海平面变化各种监测技术的发展过程,并对海平面变化的研究现状进行了总结. 所有研究成果均表明,近100多年以来,全球海平面一直处于上升态势;近几十年以来,海平面呈现加快上升并且越来越快的趋势. 目前仍然存在一些问题:人们还没有完全掌握海平面变化规律,对未来海平面变化预测有较大不确定性;深海缺乏实测数据;厄尔尼诺—南方涛动(ENSO)的变化规律以及对海平面的影响;GRACE陆地与海洋信号无法完全分离以及GRACE与GRACE-FO之间的一致性分析等. 这些问题都需要进一步开展研究.

English Abstract

    • 海平面变化是全球气候和环境变化的重要指标之一,受人类活动和自然因素的影响,同时又对人类的生产生活产生重要的影响,特别是沿海区域. 由于沿海区域土地肥沃、交通方便、沿海和深海渔业发达以及更多娱乐休闲设施,吸引了全球数亿人前往沿海地区生活. 此外,众多的人口生活在海拔只有几米的岛屿上,而且世界上许多数百万人口的大城市坐落在沿海地区,与此同时,许多国家在沿海城市建设了重要的基础设施. 全球海平面上升及其对沿海区域的影响是全球气候变化的后果之一,对沿海区域的环境、经济和社会可能会产生很大的影响(Church et al., 2013),是人类在21世纪面临的重大挑战. 我国许多城市和人口集中在东部沿海地区,特别是在黄河、长江和珠江三角洲区域,这里是我国的政治、经济和文化的重要战略区域. 海平面的上升将带来严重的自然灾害,直接影响到我国经济的正常发展和人们的正常生活.

      自1990年以来,联合国政府间气候变化专门委员会(IPCC)先后发布了五次工作报告,均对海平面变化问题进行了描述,强调了海平面变化研究的重要性. 在1990年IPCC第一次报告中指出,在过去的100年里,海平面平均上升速率为1.0~2.0 mm/a,表明海平面上升速度并不明显(Warrick and Oerlemans, 1990). IPCC第二次工作报告指出,在过去的100年里,全球平均海平面上升了10~25 cm,这比第一次报告给出的范围更大,并指出全球平均温度上升可能是海平面上升的最大因素(Warrick et al., 1996). IPCC第三次工作报告预测21世纪全球平均温度会引起海平面变化加速上升(Church et al., 2001). 在2007年IPCC第四次报告最终确定20世纪海平面上升速率为1.7 mm/a(Bindoff et al., 2007). 1993年以后,卫星测高的出现增加了海平面的观测手段. IPCC第五次报告指出,1993~2010年海平面上升速率为3.2 mm/a,与海水温度和陆地冰川融化的贡献之和相等,到20世纪末海平面将会上升0.52~0.98 m(Church et al., 2013). 全球温度变化是影响海平面变化最主要的因素,它会影响海水体积的膨胀速率以及冰川的融化速率,进而影响海平面的变化速率,说明全球气候变化与海平面变化具有正相关性. 2016年签订的《巴黎协定》中给出的长期目标是将全球平均气温较工业化时期上升幅度控制在2 ℃以内,并努力将温度上升幅度限制在1.5 ℃以内(Agreement, 2016).

      目前陆地淹没、生态系统改变和侵蚀要比盐渍化和不断上升的水位受到更多的关注(Church et al., 2010). 随着海平面的上升,海水污染陆地淡水(Hay and Mimura, 2005). 沿海区域不断地出现湿地丧失,需要不断的调整来应对更高的海平面(Gardiner et al., 2007)、陆地盐度增加、海滩和较软的悬崖被侵蚀和海水流入地下水中(Ranjan et al., 2006)等长期影响. 平均海平面的上升也会导致极端水位现象发生的频率增加(Araújo and Pugh, 2008),比如飓风携带大量海水到陆地等. 目前全球有超过2亿人居住的区域容易受到极端水位的影响(Mimura, 2001). 由于向沿海区域迁移的人口数不断增加,到2080年沿海生活人口总数将会上升到8亿(Nicholls, 2004). 海平面上升导致中国淹没范围最大的可能是江苏和上海等长三角地区(高超等,2019).

      海平面高度的定义分为两种:一种是相对于固体地球表面的相对海平面;另一种是相对于椭球参考系的绝对海平面. 验潮站固定在固体地球表面,测量的是海平面相对于固体地球的变化,称为相对海平面. 卫星测高得到的是相对于椭球参考系海平面高度,称为绝对海平面. 海平面变化的原因有很多:海水温度和盐度变化会引起海水体积的变化、冰川和冰盖的融化、地下水的开采、水利水坝的修建、海水的蒸发与渗透、海洋环流和大气压力的变化、全球冰川均衡调整(Glacial Isostatic Adjustment, GIA)、板块运动和沉积等都会影响区域和全球平均海平面的变化. 综合上述影响因素,可以归纳为两种形式:海水体积变化引起的比容海平面变化及海水质量变化引起的海平面变化(Cazenave and Nerem, 2004). 定量研究全球及区域海平面变化,揭示海平面变化规律和特征,探索影响海平面变化的因素,对于理解和认知海平面变化机理及其对人类社会的影响,都具有重要的科学意义和社会应用价值.

    • 验潮站的相应设备是观测海平面及其变化的最早的观测手段. 第一次很重要的发展是罗伯特马里在皇家学会哲学学报上发表的一篇文章(Moray, 1665),在文章中他建议使用固定的水井来精确测量海平面的高度. 固定的水井是一个垂直的管,在其底部有一个小孔,管里的水面高度与外面的高度是相同的. 管子上的小孔起着一个低通滤波器的作用,消除了高频运动的影响,从而可以得到一个相对平静的水面高度. 直到1830年代,自动记录水面高度的仪器才产生. 这种仪器仍然使用固定的水井,井内有一个浮标,浮标上连接了一个带滑轮的笔,这样记录笔就可以随着潮起潮落而上下移动,从而可以在旋转的纸上绘制潮汐水位高度变化曲线,纸的旋转速度是根据一个精确的时钟而设定的. 因此可以记录一个连续的随时间变化的相对海平面高度. 到19世纪末,类似的仪器已经安装在世界各地的港口,并且这种技术一直应用到20世纪下半叶,从而提供了一系列的相对海平面观测资料,目前仍有很多科学家在使用这种数据(Woodworth and Monmonier, 2015). 在过去的几十年里,有许多这样的仪器已经被基于压力、声学和雷达的设备所取代,它们不需要固定的水井. 验潮站资料成为了海平面高度测量的基本数据来源,是海平面变化研究的首要资料,为海平面的确定、高程基准的建立和气候变化的研究提供了支持,至今验潮站的测量已经有很长的历史. 目前全球有超过2 000个验潮站,它们采集数据的时间序列长度也各有不同,从几十年到几百年不等. 全球海平面观测系统的组成部分就是由290个验潮站组成的全球核心网,这些验潮站都进行了长期的气候变化与海平面监测. 全球海平面观测系统的目标是建立一个高质量的全球和区域的海平面观测网,用于气候、海洋和区域海平面变化的研究.

    • 卫星测高技术是研究海洋面变化的极其重要的观测手段. 它的潜在价值在1969年的威廉斯敦讨论会上首次被高度重视. 卫星测高以卫星作为载体,借助微波和电子、激光以及空间等高新技术来测量全球海平面高度,使得人们对全球海平面有了全面的认识(Fu and Cazenave, 2000). 50多年来,卫星测高技术经历了试验、改进和完善的过程,技术和性能也逐渐成熟,测量精度也由最初的米级到现在的厘米级,分辨率由最初的百千米到现在的几千米,观测对象由最初的海洋扩展到冰面和陆地沙漠等全球区域. 卫星测高可以在全球范围内,特别是海洋区域,全天候的重复、准确地观测并提供连续观测数据,使我们可以系统地进行相关研究工作,从而改变了人们对地球的认知和理解.

      卫星测高原理很简单:卫星上搭载的雷达高度计向海面发射雷达辐射微波,当微波到达海面后,部分会被海面反射到卫星上的接收器. 根据微波在海面和卫星之间的传播时间及传播速度,卫星到瞬时海平面的距离就可以计算出来. 人们感兴趣的海平面到固定参考表面的几何距离,传统的固定参考表面是参考椭球体. 这个距离可以由卫星到参考椭球面的距离与微波传播距离之差求得. 为了得到高精度的测量结果,整个测量过程中的影响因素必须充分地考虑,严格地改正. 首先是仪器的误差:质心改正、跟踪系统偏差、波形样本放大校准偏差、时间标志偏差、天线采样模式误差、多普勒频移和振荡器漂移等误差;其次是传播过程中的误差:大气介质误差、电离层改正、干对流层改正、湿对流层改正、电磁偏差及液态水测量改正等;最后是固体地球物理模型改正误差:海潮改正、固体潮改正、反气压改正及海潮负荷改正等.

    • 海洋表层以下的探索开始于19世纪,在1873年开始了全球范围的温度/盐度探测. 最初的测量方法是将压力保护温度计悬挂在由蒸汽动力绞车降下的电缆上. 在1930年代,可扩展深海温度计(Expendable Bathythermograph, XBT)处于开始研发阶段(Shor and Rand, 1978). 由于发明了XBT,研究船进行观测的效率得到了提高. 随着XBT的出现,对海洋上层温度进行系统和定期的观测成为了可能. XBT的独特之处在于它可以部署在任何类型的船舶上,包括正在航行中的商船. 因此,XBT技术使得在任何有船舶航行的地方收集温度剖面成为可能. 更进一步,科学家们开始设计一个监测网来研究大规模海洋气候变化. 在1990年代,全世界每年大约部署70 000个XBT,许多跨洋的商业航运路线都安装了仪器,其测量的剖面在全球分布也有了改善. 然而,在南大洋仍有大片未观测采样的区域,整个南半球的采样比北半球少. XBT的局限性在于它的观测深度范围小,缺乏盐度测量,以及在时间与深度转换上的不确定性大. 研究船水文考察的顶峰是在1991~1997年实施的世界海洋环流试验(World Ocean Circulation Experiment, WOCE). WOCE对从表层到海底的温度、盐度剖面和地球化学示踪剂进行了全球调查.

      WOCE不仅对全球海洋进行测量,它还开发了未来海洋观测的新技术,特别是包括自动剖面浮标(Davis et al., 2001),它后来成为全球浮标阵列Argo(Array for real-time geostrophic oceanography)计划的基础. 在1997年WOCE的讨论中,提出了建立一个全球3 200个剖面浮标阵列的观测计划. 经过多国的努力,Argo浮标在1999年底开始部署. Argo是一个国际合作项目,利用电池驱动的自动浮标从2 000 m以上的全球无冰和中等深度的海洋中收集高质量的温度和盐度数据. 到2005年,已经基本实现全球覆盖;2007年才达到预期目标,即全球有大约3 200个浮标组成的阵列每年提供了10万个温度与盐度剖面和海流速度测量数据,以平均3°的空间间隔分布在全球海洋上. Argo观测深度为2 000 m,每10天提供一组观测数据. Argo建立在其他上层海洋观测网络的基础上,在空间和时间上扩展了原有网络的覆盖范围,扩大了它们的深度范围和精度,并通过增加盐度和速度测量来增强观测网. 不同于其他上层海洋观测网络,Argo实现了定期观测.

      Argo浮标的工作原理:首先浮标在海平面上向卫星传送数据,大约需要6~12小时;然后下降到等密度层,大约1 000 m左右,在这个等密度层漂流大约9天;然后下沉到2 000 m左右的深度开始准备数据采集,浮标在上升的过程中采集海水的温度和盐度数据,6小时左右可以到达海表面,然后再向卫星传送数据. 这样就完成了一个周期测量,大约需要10天左右.

    • 重力卫星也是海洋面及其变化的重要观测手段之一. 经过了30多年的理论研究、技术设计和试验,重力卫星计划得以实施,主要的卫星项目有CHAMP(Challenging Mini-satellite Payload)、GRACE(Gravity Recovery And Climate Experiment)和GOCE(Gravity field and stead-state Ocean Circulation Explore). CHAMP是由德国研制的世界上首颗采用高低卫星测距跟踪SST-HL(High Low, HL)技术的重力卫星,它是重力卫星的开拓者. GRACE采用的是低低结合高低卫星测距跟踪SST-LL/HL技术,可以高精度地探测地球重力场的中长波信号及其时变信息. GOCE是首颗搭载重力梯度仪(Spanceborne Gravity Gradiometry, SGG)的重力卫星,它采用SST-HL/SGG技术,可以探测到地球重力场的中短波信息. 重力卫星在地球科学中的应用广泛而且深远,尤其是在固体地球物理学、海洋学以及大地测量学等领域中带来了前所未有的影响. 重力卫星提供的重力场模型和大地水准面模型,可以为地球内部物理现象提供新的解释,包括结合岩石圈变形、上地幔流变和板块俯冲等地球动力学问题;首次给出精确的海洋大地水准面,为研究绝对海洋环流和热传送提供基础;估算极地冰质量变化;提供了一个更好的全球统一高程参考系统. 目前我们主要使用GRACE数据解算的全球时变重力场模型来研究地球上的质量迁移问题(Wahr et al., 1998; Fu and Cazenave, 2000; Tapley et al., 2004),也可以用于估计海水质量变化(Cazenave and Chen, 2010; Chen et al., 2013).

      自从GRACE成功发射以来就得到了广泛的应用:(1)陆地水储量. 利用GRACE解算的时变重力场估算全球、区域和流域等各种较大尺度的陆地水储量变化,例如,亚马逊流域的水储量发生了较大的变化(Syed et al., 2008; Chen et al., 2010)、华北平原地下水有较大亏损(Feng et al., 2013)、印度的地下水严重亏损(Rodell et al., 2009; Tiwari et al., 2009)、加州地下水有较大的亏损(Famiglietti et al., 2011)、两河流域地下水发生亏损(Joodaki et al., 2014). 这些变化都通过GRACE观测数据得到了前所未有的估计和解释.(2)冰川质量变化. 冰川质量变化直接影响到海平面的变化,它与气候变化息息相关. 2003~2009年全球高山冰川的加速融化,对全球海平面的贡献为0.73±0.10 mm/a(Matsuo et al., 2010);2002~2005年阿拉斯加冰川融化速率为101±22 Gt/a(Chen et al., 2006). 2003~2014年全球陆地水和冰川对海平面贡献为2.09±0.54 mm/a(冯贵平等,2018).(3)同震/震后重力变化. GRACE 可以检测到大型俯冲型地震的同震及震后重力场变化. GRACE 相继检测到了2004年苏门答腊地震(MW9.3)(Han et al., 2006)、2010年智利地震(MW8.8)(Heki and Matsuo, 2010; 周新等, 2011)以及2011年日本东北大地震(MW9.0)(Cambiotti et al., 2011)的同震/震后重力和大地水准面变化,为反演地震断层滑动分布以及解释地震变形开辟了新的研究途径.

    • 随着科学技术的发展,研究海平面变化的方法也不断进步. 1990年代以前,验潮站是唯一可以测量海平面变化的方法,数据相对较少,且无法测量非沿海区域的变化. 1990年代以后,卫星测高的出现使全球海平面观测成为了可能,使人们能够更全面更详细地了解海平面的变化规律. GRACE重力卫星的出现使海水质量变化的研究成为了可能,可以从物理的角度了解海平面变化的构成因素. 全球海洋质量变化可以用GRACE来直接估算. 由于在沿海区域受到陆地信号的影响,所以对海水质量变化的计算有不同的处理方式. 一种方式是去除靠近陆地300 km或者500 km以内的数据(Johnson and Chambers, 2013);另一种是利用正演模型(Chen et al., 2013). Argo浮标出现以后又可以使我们可以了解海水的温度和盐度的变化,进而掌握其对海平面的影响. 现在主要有两种途径可以研究全球海平面变化(重力卫星加上盐温;测高),同时这两种方法可以相互检核,相互验证. 一方面,观测技术带动了研究方法的进步;另一方面,研究方法的进步也推进了观测技术的进步.

    • 验潮站资料的时间序列较长,但是自身也存在较多缺点. 首先,验潮站只能分布在大陆边缘沿海地区和岛屿附近,没有远海的观测数据,使全球海平面变化的估计和预测与真实的海平面存在一定的偏差. 其次,验潮站得到的海平面数据是以固定在陆地上的水准点为基准,基准点又会受到地壳垂直运动的影响(于宜法,2004吴涛等,2006),从而得到的是相对海平面的高度. 另外,不均匀的空间覆盖也是全球平均海平面计算所面临的重大挑战.

      直到1990年代,大多数基于验潮站数据计算的全球平均海平面变化估算都是基于一小部分站点数据的线性趋势平均出来的(Douglas, 1991; Peltier and Tushingham, 1991). 这样计算最大的误差是每个站点的陆地垂直运动没有进行改正,之后这种改正也仅考虑了冰川均衡调整(GIA)模型(Peltier, 2001). Wahr等(2000)利用1900~1979年84个验潮站的数据估计了平均海平面的上升速率为1.7±0.4 mm/a. Miller和Douglas(2004)利用9个验潮站的数据计算了20世纪全球平均海平面的上升速率为1.5~2 mm/a. 后来一些学者试图利用“重建”技术来推算全球平均海平面变化(Church et al., 2004; Church and White, 2006),该重建技术是利用自1993年以来的卫星测高数据确定的海洋面高变化率的经验正交函数作为基础函数. IPCC(2007)对前人的研究成果也进行了总结,并达成共识,即在过去的一个世纪或者半个世纪海平面上升速率大约为1.7 mm/a(Church et al., 2004; Holgate and Woodworth, 2004; Church and White, 2006).

      海平面变化并不是平稳不变的,从一些较长的验潮站数据就可以看到从19~20世纪的海平面是加速上升的. Church和White(2006)利用1870~2001年的数据得到全球海平上升的加速度为0.013±0.006 mm/a2,且主要的加速发生在20世纪上半叶. Woodworth等(2009)利用验潮站数据对19~20世纪全球平均海平面加速给出了详细的讨论,发现较大的速率发生在1930年以后的几十年和1980年代以后,较小的速率发生在1960年代. 对于这种速率的变化,Merrifield等(2009)认为其中一些变化可能是由于验潮站的空间采样限制造成的. Church和White(2011)利用验潮站数据计算了全球海平面的变化:1880~1935年为1.1±0.7 mm/a,1936~2009年为1.8±0.3 mm/a,1993~2009年为2.8±0.8 mm/a. 目前一些验潮站配备了GPS观测,从而可以精确地测定陆地的垂直位移,为验潮站数据提供了有效的改正.

      自1992年海洋测高卫星发射以后,对全球平均海平面进行可靠的估算成为了可能. 利用高精度的卫星测高数据得到1990年代以后全球平均海平面上升速率平均大约为3 mm/a(Legeais et al., 2018; Nerem et al., 2018),加速度约为0.084±0.025 mm/a2Nerem et al., 2018). 然而对区域海平面变化而言,变化速率和加速度可能与全球估计有很大差别,某些地区海平面变化的速率最高可达全球平均海平面的4倍(Palanisamy et al., 2015; Hamlington et al., 2016; Royston et al., 2018). 目前有几家机构提供全球平均海平面变化时间序列,它们在处理测高数据的时候采用了不同的处理方式. 最重要的区别是各种地球物理校正,如大气传播延迟、海洋状态偏差、海洋潮汐和海洋对大气压和风的响应. 总的来说,各机构计算的全球平均海平面的长期变化趋势吻合较好,差别在0.2 mm/a以内,误差主要来自对流层矫正的不确定性,10年期间仪器漂移不确定度范围为0.2~0.3 mm/a(Legeais et al., 2018). 在卫星测高前10年的不确定性较大,Topex-Poseidon(T/P)测量在气候尺度上显示出较大的误差,例如,在没有GRACE数据的情况下计算重力场解,使得轨道解的不确定性大大增加. 由于TOPEX-A测高仪的零点漂移,前6年结果误差最大. 最近,通过将卫星测高数据计算全球平均海平面变化与验潮站测量的数据相比较,再次确认了这种零点漂移的误差(Watson et al., 2015; Ablain et al., 2017; Chen et al., 2017). 在最近的一项研究中,Beckley等(2017)认为这种误差是由于机载校准参数不正确造成的. 据估算,TOPEX-A的漂移改正接近1.5 mm/a,不确定度为±0.5~±1.0 mm/a(Watson et al., 2015; Chen et al., 2017; Dieng et al., 2017).

      本文采用目前四家机构提供的最新的测高数据计算了最近20多年的平均海平面变化. 这四家机构分别为:NASA(National Aeronautics and Space Administration)、CSIRO(Commonwealth Scientific and Industrial Research Organization)、AVISO(Archiving, Validation and Interpretation of Satellite Oceanographic)、NOAA(National Oceanic and Atmospheric Administration),其海洋测高数据的时间跨度为1993年1月至2019年10月. 利用上述各种观测数据和数据处理方法,我们计算了全球海平面变化,其结果在图1中给出. 结果表明,全球平均海平面在1993~2019年的上升速率约为3.4±0.4 mm/a,其误差是根据测高的数据与验潮站的数据对比计算而来. 从长期趋势来看,全球平均海平面上升速率近年来略有增加. 海平面上升速率有明显的两个阶段,在1993~2010年期间上升速率为3.0±0.1 mm/a,在2011~2019年上升速率为4.8±0.6 mm/a,其中黑色曲线为4个时间序列平均值,并进行半年的滑动平均后的结果. 自2010年以后海平面上升速率明显加快,这与Yi等(2015)的结果一致.

      图  1  全球平均海平面变化时间序列及不同时段上升速率

      Figure 1.  Global mean sea level change time series and rising rate in different periods

    • 长期的海洋温度(以及盐度)观测数据可以用来确定海洋平面的比容变化. 在2000年以前,比容海平面变化的估算主要基于温度数据,因为全球的盐度数据比较少(Levitus et al., 2012; Abraham et al., 2013). 在21世纪初,随着Argo项目的出现,更多覆盖全球范围的定期测量数据可用(Roemmich and Gilson, 2009). 目前使用较多的Argo格网数据产品有三家机构提供的:斯克利普斯海洋研究所(SIO)、国际太平洋研究所(IPRC)、日本海洋与地球科学技术厅(JAMSTEC),所有数据产品均按照一定的方法转化成了2 000 m以上的分层的规则格网数据. Chen等(2019)利用三家机构IPRC、JAMSTEC、SIO提供的Argo数据计算的2005~2015年全球比容海平面变化趋势是1.11±0.10 mm/a. 在不同的时期,比容海平面上升速率不同. Yi等(2017)利用三家机构的数据计算得到的全球比容海平面在2005~2015年的上升加速度为0.12±0.05 mm/a2. 2 000 m以上海水温度变化是影响全球平均比容海变化的主要因素.

    • WCRP Global Sea Level Budget Group(2018)利用GRACE来估算格陵兰岛冰和南极冰质量变化对全球平均海平面的贡献,如表1表2所示. Reager等(2016)利用重力卫星、卫星测高和冰河记录的方法更新了Gardner等(2013)的结果,在2005~2016年陆地冰川对海平面的贡献为0.70±0.07 mm/a. Marzeion等(2017)利用全球冰川建模和质量平衡观测的方法得到2005~2016年陆地冰川对海平面的贡献为0.80±0.05 mm/a,利用GRACE计算的结果为0.61±0.07 mm/a. 陆地高山冰川和两极冰盖是海平面变化的重要影响因素,《国家地理》杂志制作了互动地图,并显示全球冰全部融化以后将会导致海平面上升66 m.

      表 1  格陵兰岛冰对海平面的贡献

      Table 1.  The contribution of Greenland ice to sea level

      数据源时间段海平面贡献/(mm·a−1
      Sasgen等(2012)2003-10~2009-100.66±0.08
      Barletta等(2013)2003-01~2011-120.65±0.06
      Luthcke等(2013)2003-12~2010-120.64±0.03
      Schrama等(2014)2003-02~2013-060.77±0.05

      表 2  南极冰对海平面的贡献(WCRP Global Sea Level Budget Group, 2018

      Table 2.  The contribution of Antarctic ice to sea level (WCRP Global Sea Level Budget Group, 2018)

      数据源2005~2015年对海平面
      贡献/(mm·a−1
      更新自Sasgen等(2012)0.47±0.07
      更新自Luthcke等(2013)0.36±0.06
      更新自Wouters等(2013)0.41±0.05
      更新自Schrama等(2014)0.33±0.03
      更新自Velicogna等(2014)0.33±0.08
      更新自Groh 和 Horwath(2016)0.32±0.11
      更新自Wiese等(2017)0.39±0.02

      海水质量变化除了受陆地冰质量变化的影响,还会受到陆地水储量变化的影响. 陆地水储量受陆地与海洋水循环的影响,与自然和人为因素两方面因素有关. 人类对地球表面的改造影响了陆地水平衡,例如水库的修建、湖泊减少、地下水抽取以及土地使用类型的改变. 气候的改变会直接影响陆地与海洋之间的水循环,影响海平面的季节和年际变化(Dieng et al., 2015; Rietbroek et al., 2016). 厄尔尼诺—南方涛动(ENSO)对海陆水循环的年际变化产生较大的影响,从而会使海平面变化趋势出现阶段性差异. 目前陆地水储量变化对海平面变化趋势的影响存在较大的不确定性,不同研究者得到的结果也存在一定的差异(Reager et al., 2016; Yi et al., 2017).

    • 图2所示,利用卫星测高、GRACE以及Argo得到了全球平均海平面变化,所有的时间序列均去除了季节项,并进行了半年的滑动平均. 我们可以看到,GRACE与Argo之和与卫星测高结果比较吻合. 在早期存在较大的差异,主要是由于Argo初期浮标数量相对较少. 目前人们利用这三种数据已经进行了很多的研究,我们总结了前人的研究成果,并展示在表3中. GRACE与Argo数据得到的海平面变化趋势之和与卫星测高结果仍然有较小的差别,这与数据测量方式和数据处理等多方面有关. 通过三种数据的比较,可以实现三种观测方式之间的相互检核,同时还可以通过其中两种观测结果来估算另一种观测结果.

      图  2  测高与GRACE和Argo结果的对比(修改自Yi et al., 2015

      Figure 2.  The comparison of Altimetry, GRACE, and Argo results (modified from Yi et al., 2015)

      表 3  总体、质量和比容海平面变化趋势(单位:mm/a)

      Table 3.  Trends of sea level changes in total, water mass, and steric (Unit: mm/a)

      数据源时间段比容质量总和测高
      Chen等(2013)2005-01~2011-120.60±0.271.8±0.472.40±0.542.39±0.48
      Dieng等(2015)2005-01~2013-120.82±0.082.04±0.082.86±0.113.17±0.30
      Yi等(2015)2005-01~2014-070.97±0.182.03±0.253.00±0.313.13±0.44
      Rietbroek等(2016)2002-04~2014-061.38±0.161.08±0.302.46±0.342.74±0.58
      Chambers等(2017)2005-01~2014-120.97±0.152.11±0.363.08±0.393.17±0.67
      Dieng等(2017)2004-01~2015-121.14±0.092.24±0.103.35±0.143.49±0.14
      WCRP Global Sea Level Budget Group(2018)2005-01~2015-12 1.3±0.40 2.3±0.193.60±0.403.50±0.20
    • 图3所示,全球总体海平面变化可以通过卫星测高获得;海水质量变化可以利用GRACE重力卫星获得;2 000 m以上海水的热容海平面可以通过Argo浮标求得. 2 000 m以下海水的盐温状态目前仍然没有详细的测量数据. 目前2 000 m以下的深海部分的温度状态主要是通过船测的温度剖面数据来研究,但是船测数据覆盖面小,如图4所示,大部分区域没有数据,而且船测数据之间的时间间隔较长,一般每隔几年甚至十几年复测量一次.

      图  3  全球海平面变化的组成成分

      Figure 3.  The components of global sea level change

      图  4  船测航线分布图(修改自Chang et al., 2019a

      Figure 4.  Distribution of ship survey tracks (modified from Chang et al., 2019a)

      虽然船测数据存在这些问题,但仍有一些学者利用船测数据对深海进行了研究. Purkey和Johnson(2010)利用1980~2010年期间28条有重复测量的航线数据计算了2 000 m以下温度变化对全球平均海平面贡献,发现在1990年代到2000年代的变化速率为0.113±0.1 mm/a. Kouketsu等(2011)利用同样时间范围的船测数据得到了3 000 m以下温度对全球平均海平面的贡献是0.105 mm/a. Desbruyères等(2016)通过延长Purkey和Johnson(2010)的数据发现在2010年以后并没有明显的长期趋势的变化. 还有一些学者结合卫星测高、GRACE和Argo数据来研究2 000 m以下海水在2005~2013年之间对全球平均海平面的贡献,并没发现明显的增温趋势(Llovel et al., 2014; Dieng et al., 2015). Dieng等(2015)利用1993~2003年从1 500~6 000 m的船测数据计算了全球平均比容海平面变化趋势是0.17 mm/a. Chang等(2019a)利用船测数据建立了数学外推模型,利用Argo数据推算了海深2 000 m以下的与Argo具有相同空间和时间分辨率的温度剖面数据,并得到深海温度变化在2005~2015年对海平面的贡献为0.12±0.03 mm/a,为利用GRACE和Argo数据计算完整海平面变化提供了重要补充. 目前深海实际观测数据依然严重不足,研究结果需要进一步的验证.

    • 中华人民共和国国家自然资源部海洋预警监测司每年都会对中国近海海平面变化进行统计,主要使用沿海验潮站的数据. 通过2018年中国海平面公报的分析结果可知,在1980~2018年期间中国沿海海平面上升速率为3.3 mm/a,高于同时段全球平均水平. 王慧等(2014)利用中国沿海验潮站50多年的数据得出中国沿海海平面上升速率为2.0 mm/a,且存在明显区域性季节变化特征. Chen等(2008)利用40多年的验潮站数据分析得出,中国沿岸海平面上升速率为2.3 mm/a. Qu等(2019)利用卫星测高数据对中国沿海验潮站数据进行陆地垂直位移改正,得到中国近海平均海平面在1993~2016年的变化速率为3.2±1.1 mm/a,在1980~2016年的速率为2.9±0.8 mm/a. 验潮站数据相对较少,只能得到沿海区域的海平面变化,与整个区域的平均值可能存在一定的差异.

      我们利用卫星测高数据得到:渤海、黄海、东海和南海平均海平面在1993~2019年的变化趋势分别为:3.3±0.7 mm/a、3.4±0.6 mm/a、3.3±0.2 mm/a和4.0±0.4 mm/a. 渤海和黄海的海平面变化比较相似,年际波动较大,它们在1999~2010年海平面变化趋势较小,分别为1.1±1.8 mm/a和−0.2±1.6 mm/a,黄海有下降的趋势;东海在此时间段内上升的速率也比较小,为1.5±1.1 mm/a,但自2010年以后上升速率均明显加快. 赵健(2020)预测到2030年中国东海和南海海平面上升速率明显加快. Qu等(2020)认为到2100年中国近海海平面主要是由比容海平面变化引起. 南海海平面的年际波动最大,与ENSO的相关性较强. 中国东海沉积物对海水质量影响的结果表明,海底沉积物在2005~2015年期间的质量变化速率是0.82±0.3 Gt/a,对海平面变化的影响为1.04±0.4 mm/a. 东海沉积物还存在较大的季节性波动,主要是由于东部海域之间沉积物在洋流的带动下来回传送所致(Chang et al., 2019b). 卫星测高可以精确测量中国近海总体海平面变化,但是近海温度和盐度数据相对较少,无法进行细致和准确的研究. GRACE重力卫星在陆海边界处也无法完全地分离陆地和海水的信号,进而导致海水质量变化估算存在较大的误差.

    • 海平面变化现状及其未来预测是非常重要的问题,但是目前对未来变化的预测仍然有非常大的不确定性. 如图5所示,在1990年代以前,人们利用验潮站数据进行全球平均海平面变化的研究,虽然受到验潮站空间分布和陆地沉降的影响,但这是唯一的数据来源,海平面上升速率相对缓慢. 在1992年以后,卫星测高大大改善了海平面测量的精度和完整性,但是由于观测时间相对较短,难以获得几十年甚至更长周期波动的规律和特征. 根据目前的海平面变化和温室气体排放模型预测了2100年海平面变化(图5),上升高度范围为0.3~2.4 m,具有较大不确定性. 这种不确定性主要是气候模型以及各个成分随气候变化模式的不确定性导致的. 因此,充分利用各种遥感观测数据,通过多源数据融合和可靠的数据建模,细致研究全球海平面变化,深入探讨海平面变化规律和特征,仍然是一个值得长期坚持的不断深入的科学问题.

      图  5  全球平均海平面变化观测与未来预测(修改自Sweet et al., 2017). 1800~1993年的全球平均海平面变化由地质和验潮站数据求得;1993年至今由卫星测高数据求得;现今至2100年为预测海平面变化:南极冰融化可能造成的海平面上升(到2100年最高可上升2.4 m)和一般估算上升范围(0.3~1.2 m)

      Figure 5.  Observations and predictions of global mean sea level change (modified from Sweet et al., 2017). GMSL changes from 1800 to 1993 were calculated from geological and tide gauge data; GMSL changes from 1993 to the present were calculated from altimeter data; GMSL changes from the present to 2100 are the prediction change: GMSL possible increase from Antarctic ice melt (up to 2.4 in total rise by 2100) and currently with a projected range of 0.3~1.2 meters

      迄今为止,在深海温度变化对海平面变化贡献的研究中,船测数据是唯一实地测量的数据. 船测数据非常稀疏,而且测量的次数有限,只有一部分进行了重复测量,而且两次测量的时间间隔几年以上,所以很难获得深海详细的信息. 由于空间和时间采样非常稀疏,还有很大部分的海洋仍然没有被监测到(Lyman and Johnson, 2014). 因此,海洋盐温观测数据的不足,特别是2 000 m以下的深海区域没有进行Argo列阵的测量,严重限制了深海区域的盐度和温度的测定与研究,以至于无法利用盐温数据确定深海的温度状态及其对全球海平面变化影响. 虽然推算了深海的温度变化数据,但这是基于船测数据的研究,仍然需要更多的实测数据来验证结果.

      在利用GRACE重力卫星研究海平面变化时会受到陆地信号泄露的影响,目前仍然没有很好的办法完全将信号进行分离. 目前GRACE-FO(GRACE Follow On)在2018年发射升空,它延续了重力的观测,同时还搭载并试验激光测距系统. 激光测距精度优于微波测距,这将会提高重力卫星的观测精度,但是目前依然使用微波测距. 我们在利用GRACE与GRACE-FO联合研究全球海平面变化时发现,两者之间存在一定的系统差,造成这种差异的原因目前还没有查明. 由于GRACE-FO的数据量较少,这种差异还需要随着数据量的增加进一步的确认.

      海平面的波动变化很大程度上受到全球气候系统变化以及ENSO的影响,特别是短时间尺度的海平面变化. 那么全球气候系统的变化及ENSO的变化规律,以及它们如何影响海平面变化,都是非常根本且非常重要的因素,目前无法有效地去除这部分的影响. 因此,气候相关的变化规律和机理,及其对海平面变化的影响都需要进一步研究.

      总之,海平面变化问题的研究已经取得了一系列重要进展,然而存在的问题仍然很多,相关研究依然任重道远.

      致谢

      非常感谢两位匿名审稿专家和编辑的建设性意见. 感谢提供测高数据(NASA、CSIRO、AVISO、NOAA)、重力数据(Center for Space Research of the University of Texas at Austin、Jet Propulsion Laboratory、GeoForschungsZentrum)和Argo数据(SIO、IPRC、JAMSTEC)的各个机构.

参考文献 (97)

目录

    /

    返回文章
    返回