海平面

海平面

海平面(Sea level),是海的平均高度。它是通過與標準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。 測量海平面的儀器叫做驗潮儀,一般微風所導致的海面的波浪可以通過平均的方法消除掉,潮汐所導致的海平面的升高和跌落也可以通過長時間的觀測後取平均值的方法消除掉。海平面的測量總是相對于陸地的測量,因此海平面的變化可以是真正地由于海面的變化導致的,也可以是由于陸地的變化導致的。2009年12月1日,總部設在英國劍橋的南極研究科學委員會發布研究報告稱,氣候變化可能導致本世紀末海平面最高上升1.4米,這一最新預測是原先估計值的兩倍多。

  • 中文名稱
    海平面
  • 外文名稱
    Sea level
  • 解釋
    海的平均高度
  • 變動原因
    水壓均衡、冰川均衡、流變均衡

基本概述

海平面

海平面指在某一時刻假設沒有潮汐、波浪、海涌或其他擾動因素引起的海面波動,海洋所能保持的水準面。其高度系利用人工水尺和驗潮儀長期觀測而得。按觀測的時間長短不同分為:日平均、月平均、年平均和多年平均海平面。日平均海平面不但隨天氣狀況而變化,且具有季節、半年、一年和多年周期變化。月平均海平面年內最高值和最低值之差(年較差):渤海60~70釐米,黃海35~50釐米,東海30~35釐米,南海20~40釐米。年平均海平面較差可達10釐米左右。中國于1956年規定,以青島驗潮站觀測所得的多年平均海平面為全國統一的高程起算面,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。

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。隨著人造衛星測量技術的發展,人們發現,甚至風平浪靜的海面也是坑坑窪窪的。有些地區海面凸起,有些地區海面凹陷。兩者最大可以相差100多米。但是,因為海平面凹凸的變化在1000千米以上的廣泛範圍內逐漸變化,所以不容易被航海者察覺。

通過衛星測量,人們發現海洋表面有三個較大的隆起區域,一個在澳大利亞東北部海區,隆起高達76米;第二個區域在北大西洋,隆起高度是68米;另一個在非洲東南部,隆起區域高為48米。另外,地球上還有三個較達的凹陷區域,一個在印度洋上,凹陷深達112米;第二個區域在加勒比海,凹陷深度為64米;第三個區域在加利福尼亞以西,凹陷深度為56米。

海平面的高度並不是一成不變的。海平面的上升和下降對人類的生活會產生巨大的影響。影響海平面升降的因素很多。比如,溫室效應使地球南極和北極的冰雪大量融化,就會引起海平面上升。地質學家告訴我們,在地球漫長發展的歷史中曾經有7次特大的冰期,每次冰期都會引起海平面的大幅度下降。海洋是一個開放系統,不停地與地球內部存在著水分迴圈和交流。由于現代地幔水陸續不斷地滲入海中,而導致海平面正在以每年1毫米地速度上漲。海水地鹽度、密度和溫度對海洋水體的體積影響巨大。根據推算,如果全球海水的鹽度從35降到34.9,就足以使全球海平面上升1.9釐米。海底的擴張速度是另一個影響海平面的原因。當海底板塊擴張速度加快時,大洋中脊體積變大,結果使海水益處正常的海岸線而侵入大陸內部,造成海平面上。

不平性質

海平面海平面

為什麽海平面不平呢?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。

我們知道,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,一個海區的海面會低于或高于另一個海區幾米、甚至十幾米。據科學家們使用雷達無線電)高度計測量,發現在大西洋海面不同海域存在著高度差,甚至在美國南卡羅裏州和波多黎各島之間比較小的海域內,也存在著高度差。一般來說,海底是一座山脈的地區,海面就比其他海域高一些;而海底是一個盆地的地區,海面就比其他海域要低一些。比如,同是大西洋海域,波多黎各海下是一片凹地,因而這一地區的海面就比周圍地區明顯的低;而巴西東部由于海下有一座3500米的海嶺,所以這裏的海面就比其他地區要高。

此外,有時海面的高低還與附近的巨大的山脈或山脈所組成的物質的積聚有關。這種物質的積聚,可以使其表面引力彎曲,從而形成一種動力,驅使水離開一個地區而流向另一個地區。

變動性質

海平面海平面

海水面的升降變動。它是海水量、水圈運動、地殼運動和地球形態變化的綜合反映,地球演化的一個重要方面。海水時刻在運動,海平面也不斷在變動。這種變動有短期的,如日變動、季節性變動、年變動和偶發性變動等,主要與波浪、潮汐、大氣壓、海水溫度、鹽度、風暴、海嘯等因素有關,其升降幅度小,且常是局部的(見平均海平面);也有長期的,即地質歷史期間的海平面變動,其變動幅度大,是大區域性的,甚至是全球性的。海洋地質學主要是研究長期的海平面變動。

長期海平面變動引起的最直接後果是海侵或海退。它導致海岸線移動,海陸變遷,對大陸架和海岸地貌、淺海與近岸沉積和礦產的基本特征產生很大影響,使海岸工程、港灣建築遭受侵襲或廢棄,河道由于基準面變化或淤或沖。因此研究海平面變化規律,預測其發展趨勢,對研究第四紀地質、新構造運動、探索氣候變化規律以及對于人類生活和生產都極為重要。

1906年,奧地利地質學家E.修斯提出了全球性海面變動的概念。他認為地史上主要的海侵和海退是由海洋盆地容積變化引起的。30年代,R.A.戴利發展了“冰川控製”概念,並對冰川消長引起的海平面升降值作了估算。60年代,板塊構造說提出,板塊擴張速率變動可導致洋盆容積的變化,進而控製海平面的升降。70年代,一些學者把地殼和水體當作統一的平衡體系,用地球流變觀點研究地球各區域之間海平面升降的關系。1974年“國際地質對比計畫”(IGCP)設立了海平面研究組織,加強了全球海面變化的對比研究。當前研究重點是關于世界海面變化的起因與未來發展的趨勢問題。

變動原因

海平面海平面

海平面變動受多種因素的控製和影響,主要有:冰川-海平面變動,構造-海平面變動,大地水準面-海平面變動,水壓均衡作用,冰川均衡作用和流變均衡作用等。

①冰川-海平面變動。

在氣候寒冷的地質時期,極地周圍形成冰蓋,海洋中的海水量減少,海平面降低。當氣候轉暖,冰蓋融化,冰水流回大洋,海平面升高。不同學者估計全球現代冰川體積在(20~34.75)×10□立方公裏之間,如果全部融化,將使海面升高50~85米(未考慮因海水增多而發生的海底均衡下沉)。按第四紀末次冰期冰蓋的體積估算,當時的海平面比目前低135米。這種海面升降的幅度各學者估計不盡相同,主要看如何估計南極大陸的冰蓋厚度。盡管如此,第四紀以來海平面變動主要是由冰川消長所引起的論點已基本上得到公認。

②構造-海平面變動。

因構造而引起的海平面變動有的是全球性的,有的是局部地區性的。

引起全球性海平面升降變動的構造作用是洋盆容積的變化、洋底下沉或新洋盆形成。世界洋盆的總容積增大,導致海平面降低。相反,洋底抬升,某些洋盆消失,可使海平面升高。板塊構造學說認為海平面變動與海底擴張速率有關。大洋中脊上增生的物質是熱的,隨著時間的推移而逐漸冷卻,變得致密,因而洋底岩石圈在橫向擴張移動過程中隨時間而下沉。如果海底擴張速率很快,距中脊頂部一定距離的洋底沒有足夠時間以冷卻到“正常”程度,洋底就比正常情況下高,因而即使海水量不變,由于洋盆容積減小,海面也會升高。相反,海底擴張速率很慢,海面降低。海底擴張速率變化引起的海平面變動,周期長達數百萬年,變化幅度可達300~500米。另外,還有人認為大洋中脊系長度變化會影響洋盆的容積。在大陸分裂期大洋中脊發展,導致世界範圍的海侵,而在大陸匯聚形成超大陸時,則造成海退。局部性的地殼升降運動,引起區域性的海平面變動。這種變動不是海平面與地心之間的距離變化,而是由于地殼升降,導致海面相對于陸面之間的距離發生變化。這種變動往往疊加在全球性海平面變動之上。

③大地水準面-海平面變動。

大地水準面受地球重力控製。由于地球內部物質分布不均勻,由此引起重力的變化,大地水準面的形態也隨之變化。這種海平面變動表現為有些海區海平面升高,另一些海區海平面降低,從而使全球各地海平面升降既不一致,也不規則。如1976年N.A.默納爾指出,新幾內亞的高海平面與馬爾地夫群島附近的低海平面高差約180米。

④水壓均衡作用。

當冰蓋融化,冰水回流入海,海底因水負載增加而下沉,直到新的平衡建立為止。有人估計近7000年來因負載影響洋盆下沉了8米,大陸上升了16米。其對陸架區的影響更顯著。

⑤冰川均衡作用。

在覆冰區巨大的冰蓋使下伏的地殼下沉,因岩石圈具有彈性,下沉範圍遠超過覆冰區;而在冰前沉陷區外側,地殼向上彈性隆起。當冰蓋消融後,地殼又因彈性恢復到原來的狀態。末次冰期以來,在斯堪的納維亞地區均衡上升了約300米,現仍以每百年一米的速度繼續上升。

⑥流變均衡作用。

地球流變論認為在各種因素作用下粘彈性地球和其上的水體一起調整達到平衡狀態。因此上述的冰川及水壓均衡的影響不是局部性的,它波及全球,形成若幹海面上升區和下降區。J.A.克拉克提出了全新世(15000年)以來全球海平面變化的數學模式,他把世界大洋分為6個海面升降各不相同的地帶,指出由冰川作用引起的海平面變動,在各地是不一致的。這一模式已得到全球13個地點觀測資料的證實。

上述各種因素中,全球性構造運動對整個地史時期的海平面變動起決定性作用。第四紀以來,冰川作用對海平面變動影響最大。其他諸因素由這兩個因素派生出來。此外,影響海平面變化的因素還有:海洋中沉積物的堆積,地球內部的水通過海底火山作用進入大洋,河流湖泊的變化等。

變化影響

近年來,海平面變化加劇了風暴潮災害,加大了洪澇威脅,減弱了港口功能,並且引發了海水入侵、土壤鹽漬化、海岸侵蝕等問題,造成了沿海濕地的損失和動物的遷徙,使按原設計標準建設的沿海城市市政排污工程的排污能力降低,對環境和人類活動構成直接威脅,嚴重影響了沿海經濟的發展。1998年到2000年的三年間,由于海平面較高,加劇了遼東灣、萊州灣、海州灣等岸段的海岸侵蝕,也加重了其它沿海低窪地區土地鹽漬化和洪澇災害,對當地經濟和環境造成了一定影響。

以來變動

海平面海平面

第四紀海平面變動的控製因素是冰川作用。隨冰期-間冰期的交替,海平面脈動降升。35000年以前,海平面大致接近現在位置,末次冰期最盛期(約15000~20000年前),海平面約比現代海平面低130米左右,隨後迅速上升到現代位置。對于全新世海平面上升的過程,大致有以下3種意見(見圖不同學者所作的10000年來海平面變動曲線):①距今6000年前,海平面比現代海平面高3~4米,此後海平面上下波動,最後達到現代位置。②海平面持續上升,但在距今15000~5000年前迅速上升,之後緩慢上升到現代位置。③認為在3000~5000年前,海平面已升至現代位置,以後無大變動。很多人認為目前海平面正以每年1毫米的速度在上升。但是考慮到大地水準面-海平面變動等因素,不同地區的海平面變動過程應有所差異。

根據調查得知,在冰期低海面時,大片陸架淺海出露成陸,從而使日本與中國、亞洲與美洲(沿白令海峽)、英國與歐洲大陸、澳大利亞與新幾內亞等相互連線,這對植物群和動物群(包括古人類)的遷移,有著深遠的影響。

中國海洋地質學者在東海陸架邊緣發現了古海岸線,用□□C法測出其中生物殘骸的年齡為15000年左右,陸架上發現有階地和古河谷。學者們幾乎一致認為距今15000年前,東海的海平面處于最低位置,比現代海平面低約130~160米,古海岸線在東海沖繩海槽西坡的陸架外緣。距今15000~6000年期間海面迅速上升到現代位置,至于是否曾高出現代海平面認識不一。5000年以來海平面變動不大。中國沿海的大陸架就是因冰川消融、海面上升而使濱海平原被海水淹沒而形成的。

變動研究

短期的海平面變動主要通過驗潮站的直接水位測量和大地水準重復測量以及歷史資料整理得出。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,並使用同位素分析方法測定其年代。常選擇穩定地區(如地盾)或大洋島作為研究海平面變動的場所。目前隻能定量計算15000年以來的海平面變動幅度。人們對海平面變動及其歷史的認識還很不完善。由于海平面變動因素復雜,調查測量技術上又存在許多問題,例如軟體動物遺骸在沉積後發生搬移、碳的放射性污染、泥炭堆積深度估計誤差等,都影響定量精度。大陸邊緣沒有絕對穩定的地區,確定海平面變動幅度須排除局部構造運動的影響,但目前還無可靠的方法把它區分開來。因而對于最後一次冰期海平面下降的深度認識很不一致。目前海平面變動研究,一方面從測年技術上提高精度,另一方面加強全球性對比研究。

平面上升

海平面上升(Sealevelrise)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象。研究表明,近百年來全球海平面已上升了10~20釐米,並且未來還要加速上升。但世界某一地區的實際海平面變化,還受到當地陸地垂直運動—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地陸地升降值之和,即為該地區相對海平面變化。因而,研究某一地區的海平面上升,隻有研究其相對海平面上升才有意義。海平面上升對沿海地區社會經濟、自然環境生態系統等有著重大影響。首先,海平面的上升可淹沒一些低窪的沿海地區,加強了的海洋動力因素向海灘推進,侵蝕海岸,從而變“桑田”為“滄海”;其次,海平面的上升會使風暴潮強度加劇,頻次增多,不僅危及沿海地區人民生命財產,而且還會使土地鹽鹼麟海平面隨時都在上升化,海水內侵,造成農業減產,破壞生態環境。在中國,受海平面上升影響嚴重的地區主要是渤海灣地區、長江三角洲地區和珠江三角洲地區。

中國公報

概述

2007年,國家海洋局積極落實積極貫徹落實《國務院關于印發中國應對氣候變化國家方案的通知》,進一步完善了海平面監測系統,加強了海平面變化分析預測和影響評價工作,積極應對氣候變化與海平面上升對沿海地區社會經濟的影響。

監測和分析結果表明:中國沿海海平面平均上升速率為2.5毫米/年,略高于全球平均水準;近30年來,中國沿海海平面整體上升了90毫米,其中,天津沿岸上升最快,上升幅度達196毫米;2007年,中國沿海海平面均高于常年﹡,受氣候變化影響,個別月份較常年異常偏高,北方沿海省市多為3月和9月,南方沿海省市多為3月和11月。

2007年,氣候變化與海平面上升繼續對我國沿海地區的社會經濟和生態環境產生不利影響,異常氣候事件頻繁出現在季節性高海平面和天文大潮期,嚴重影響了工農業生產和人民民眾的日常生活。

根據海平面預測模型的預測結果,預計未來10年,中國沿海海平面將比2007年上升32毫米。

變化狀況

海平面海平面

全海域海平面變化狀況

監測結果表明:中國沿海海平面平均上升速率為2.5毫米/年,略高于全球平均水準。近30年來,中國沿海海平面整體上升了90毫米(圖1)。其中,天津沿岸上升最快為196毫米,上海次之為115毫米,遼寧,山東、浙江上升均在100毫米左右,福建、廣東較低為50~60毫米,整體趨勢為北快、南緩。2007年,中國沿海海平面比常年高62毫米,受海平面起伏上升規律的影響,上升趨緩。與2006年相比,渤、黃海海域基本持平,東、南海海域略有降低,降低範圍為10~20毫米。受全球氣候異常變化和海平面上升等綜合影響,2007年,我國沿海鹹潮入侵次數增加,強度加重,海岸侵蝕加劇,渤、黃海海域遭遇了近40年來最強的溫帶風暴潮襲擊,給沿海地區造成了嚴重損失。

海區海平面變化狀況

2007年中國沿海海平面的變化具有明顯的區域特征和時間特征。

渤海

渤海海平面平均上升速率為2.2毫米/年。

2007年,渤海海平面比常年高53毫米,與2006年基本持平,季節性變化趨勢與常年基本接近,但1~3月的海平面比常年同期高102毫米。

近30年來渤海海平面整體上升了118毫米(圖3)。預計未來10年,渤海海平面將比2007年上升29毫米。

黃海

黃海海平面平均上升速率為2.5毫米/年。

2007年,黃海海平面比常年高75毫米,與2006年基本持平,季節性變化趨勢與常年相近,但3月和9月海平面分別比常年同期高148毫米和130毫米。

近30年來黃海海平面整體上升了87毫米(圖4)。預計未來10年,黃海海平面將比2007年上升31毫米。

東海

東海海平面平均上升速率為3.1毫米/年。

2007年,東海海平面比常年高63毫米,比2006年低11毫米,季節性變化趨勢與常年基本接近,但3月和9月海平面分別比常年同期高122毫米和94毫米。

近30年來東海海平面整體上升了86毫米(圖5)。預計未來10年,東海海平面將比2007年上升37毫米。

南海

南海海平面平均上升速率為2.4毫米/年。

2007年,南海海平面比常年高65毫米,比2006年低19毫米,季節性變化趨勢接近于常年,但3月和11月海平面分別比常年同期高107毫米和129毫米。

近30年來南海海平面整體上升了72毫米(圖6)。預計未來10年,南海海平面將比2007年上升30毫米。

平面上升與氣候變化

海平面上升與氣候變化

全球氣候變暖造成海水膨脹、極地冰蓋和陸源冰川冰帽等融化,是引起全球海平面上升的主要原因。監測結果表明:近30年來,中國沿海氣溫上升1.1℃,海表溫上升0.9℃,同期中國沿海海平面也呈明顯上升趨勢,上升幅度達90毫米(圖21)。

2007年9月,中國東部沿海持續偏東南的副熱帶高壓,使得該地區經歷了歷年來最嚴重的高溫天氣,而同期東海地區海平面異常偏高,比常年同期高出96毫米。

中國沿海海平面季節變化同樣與氣候密切相關,且區域特征明顯。受季風、海洋暖流和寒流、氣壓、降水、海洋表層流變化等多因素的影響,季節性高海平面發生時間由北向南逐漸延後。渤海和黃海北部的季節性高海平面,一般發生在氣溫最高、氣壓最低、降水量最大和季風影響較小的8月前後;黃海南部和東海中部的季節性高海平面,一般出現在盛行南向季風和表層南向沿岸流較強的9月前後;東海南部和台灣海峽在9月下旬~10月上旬的季節性海平面最高,比同期南海沿海海平面高30~50毫米;10~11月,受東北季風影響,大量海水通過巴士、巴林塘和台灣海峽進入南海,南海東北部沿海海平面明顯升高。

海平面上升、異常氣候事件與海洋災害

異常氣候事件多發生于季節性高海平面期間,極易加重海洋災害。2007年3月,渤海和黃海的海溫較常年同期分別偏高1.1℃和1.8℃,海平面較常年同期分別高102毫米和148毫米。同年3月初,中國東、北部沿海遭遇了1969年以來最大的一場溫帶風暴。此次風暴潮恰逢天文大潮和暖冬之後的異常高海平面,使風暴潮的破壞力異常加大,給渤、黃海沿海地區帶來了嚴重損失,僅遼寧、河北、山東三省的直接經濟損失就達40億元。2007年我國沿海共發生7次較為嚴重的台風風暴潮災害,其中有6次發生在8月中旬~10月上旬,主要影響區域為浙江、福建、廣東和海南四省,四省鄰近海域在此期間正處于季節性高海平面,海平面季節性上升增強了風暴潮災害的威力,給浙江、福建、廣東和海南等地造成嚴重損失,6次風暴潮共導致直接經濟損失45億元。

文獻記載

海平面海平面

測量時的困難

在測量一個離地面比較遠的地方的海平面時專家使用一個稱為大地水準面的“水準”的參考表面,測量的是海平面與這個大地水準面之間的高度差。假如沒有外力的作用海平面應該與大地水準面一致,它相當于與地球萬有引力的一個等勢面。事實上由于海流、氣壓變化、溫度鹽度的變化等等會導致海平面與大地水準面不等。即使長時間的平均值兩者也不相同。這個長期的、地區性的差異被稱為海面地形,其數值可以達±2米。傳統上在測量海平面時要考慮到228個月的默冬章和223個月的食周對潮汐的影響。海平面在地球表面不是到處都一樣的,比如巴拿馬運河太平洋側的海平面比大西洋側的海平面高20釐米。盡管有這些困難,使用儀表飛行規則飛行的飛行員必須有精確的和可靠的飛行高度以及機場高度的資料。尤其在引力反常的地區在航空母艦上降落這個問題會非常嚴重。為了克服計算上的困難飛行員使用廣域差分系統所定義的參考橢球,而不使用大地水準面來定義海平面高度。而且全球定位系統也適用這個參考橢球。

陸地與海平面之間的變化可以有多種原因,海面升降一般是由于氣候變化造成的,均衡補償的變化是由于板塊作用等導致的,而不是因為海水總量的變化導致的。冰川期末冰川的融化導致的海平面的變化是海面升降最典型的例子。通過對地質穩定的海岸地帶的沉積的考察古氣象學家可以測定過去的海平面的位置。火山島的升降是非常典型的均衡補償的海平面變化。隨著火山岩的冷卻這些島嶼開始下降。在沒有液體海洋的行星表面行星學家往往計算一個“平均”高度。這個平均高度有時也被稱為“海平面”,它用來作為測量行星表面各個地點的高度的參考面。

隨地理時期的變化

隨地理時期的變化海平面不斷變化。現在的海平面幾乎是所有地質時期裏最低的。在最近一次冰川期中(其頂點約為兩萬年前)由于蒸發的海水在北半球的冰雪中堆積當時的平均海平面比現在低130米。大多數冰川在一萬年前融化,但至今為止小冰川依然在融化。在地球歷史上類似的冰川周期已經發生過數百次了。

各地區域的測定

近來有海平面上升的趨勢。據測定,近年來中華人民共和國沿海海平面平均上升速率為2.5毫米/年,略高于全球海平面上升速率。海平面在地理測量中經常作為高度的標準,例如中華人民共和國海拔高度採用青島港驗潮站的長期觀測資料推算出的黃海平均海面作為零點。

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