中國沿海驗潮站及其鄰近地區陸地垂直運動分析

金波文，王慧， 李經緯， 李文善， 李歡， 徐浩

（1.國家海洋信息中心，天津 300171；2.中國地震局第一監測中心，天津 300180）

在全球氣候變暖背景下，海平面上升已成為全球性重大環境問題。由于溫度升高和南北極冰川、冰蓋融化等環境因素的影響，在過去100a 內全球海平面上升了10～25 cm[1]。20 世紀以來，全球海平面呈現加速上升趨勢，我國沿海海平面上升速率高于全球同期平均水平，面臨的海平面上升影響風險更大[2-3]。目前，中國沿海海平面監測的主要方法是通過驗潮站潮位觀測，其觀測得到的是基于各站水尺零點的相對海平面變化，除了受絕對海平面變化影響外，還與局部地區陸地垂直運動有關，后者在很多地區的重要性甚至超過了前者，并且陸地沉降會加劇相對海平面上升[4-5]。此外，由于驗潮站相對海平面變化包含了其本身的陸地垂直運動因素在內，在對近岸融合衛星高度計絕對海平面資料進行綜合研究分析時，陸地垂直運動是一個不可忽視的因素。因此，準確地監測中國沿海驗潮站及其鄰近地區的陸地垂直運動規律不僅對于驗潮水尺零點的維護具有重要意義，而且對聯合衛星高度計數據的沿海絕對海平面變化研究分析至關重要。

沿海地區陸地垂直運動主要包含大尺度范圍的地殼垂直運動和局部地面垂直運動。大尺度范圍內的地殼垂直運動主要包括地殼板塊運動和冰川均衡調整（Glacial Isostatic Adjustment，GIA）等[6-7]，如北歐斯堪的納維亞半島附近由于其陸上冰川融化陸地抬升的GIA 效應引起了海平面下降[8]。局地地面垂直運動主要由大河三角洲沉積壓實效應、人類活動開采地下水和超高超密建筑物修建等因素引起[9-10]。監測陸地垂直運動的傳統方法是定期精密水準測量，黃立人等利用精密水準復測資料對中國東部沿海地區的近代地殼垂直運動分析得出：東部沿海廣大平原地區以下降為主，遼西山地、膠東半島以及閩、粵、貴山地和丘陵則以緩慢的塊體上升為主[11-13]。隨著現代大地測量GNSS 技術的發展，基于連續GNSS 觀測提供精確地面沉降結果的方法得到了快速的發展和應用。為剝離驗潮站地面垂直運動因素影響，Bevies 等利用GNSS 連續觀測數據對西北太平洋、黑海等沿岸的驗潮站陸地垂直運動信息進行了研究[14-17]，國內焦文海等利用驗潮站附近的GNSS 研究了驗潮站地面垂直運動后的絕對海平面變化，但在中國沿海地區直接利用GNSS 觀測數據，整體分析全國驗潮站及其附近區域地面垂直運動的研究仍較少[18-20]。1993 年以來，隨著衛星高度計的發射，許多學者利用驗潮站和附近的衛星高度計觀測數據就如何推算驗潮站附近的陸地升降開展了研究，該方法最早由Cazenave 等提出，Kuo 等分別在該方法的基礎上進行了改進，并對地中海和大西洋東部等地區驗潮站的地面垂直運動進行了研究[21-22]。董鴻聞等利用類似方法分別推算了青島驗潮站和黃河三角洲的地面垂直運動，劉首華等利用該方法推算了渤黃海周邊驗潮站地面垂直運動速率，謝書誼等利用全球191 個和中國沿海29個驗潮站資料聯合衛星高度計資料推算了沿岸陸地垂直運動速率[23-25]。

我國于2009 年開始陸續在全國沿海50 余個驗潮站增加了GNSS 連續觀測業務，GNSS 連續觀測為提取驗潮站的地面垂直運動信息提供了重要的數據來源。本文利用2009—2018 年間的驗潮站GNSS 觀測資料，聯合驗潮站周邊的中國地殼運動觀測網絡（以下簡稱陸態網絡） GNSS 基準站資料，對全國沿海驗潮站的地面垂直運動進行了分析。同時，利用沿海衛星高度計資料和驗潮站海平面觀測資料推算驗潮站的地面垂直運動，與GNSS獲取的垂直運動進行了對比分析，并將分析結果與冰川均衡調整模型的預測結果進行了對比研究。最后給出中國沿海驗潮站及其鄰近區域最新的陸地垂直運動情況，可為我國沿海相對海平面變化研究、影響評估和預測提供支撐。

1 數據來源和處理方法

1.1 數據來源

本文研究數據主要包括驗潮站觀測數據、GNSS觀測數據和衛星高度計海平面異常月均值數據。

驗潮站實測數據來源于中國沿海海洋觀測網，通過實測數據得到的月均海平面數據集已通過全國海洋站基準潮位核定，對因站址變遷、環境改變、儀器更換、水尺變動和觀測手段改變等引起的水尺零點變動和資料均一性問題進行了訂正。

衛星高度計資料來源于哥白尼環境監測中心（www.psmsl.org）提供的多衛星融合訂正后的海平面異常月均值數據（MSLA，Mean Sea Level Anomalies），參考框架為1993—2012 年平均海平面，數據已進行儀器誤差和相應的地球物理影響因素的訂正。

GNSS 連續觀測數據來源于海洋站GNSS 連續觀測網以及陸態網絡GNSS 基準站網。海洋站GNSS 資料來源于海洋站GNSS 實時觀測數據。陸態網絡GNSS 基準站資料來源于中國地震局東部形變數據分中心（www.eqdsc.com）提供的時間序列數據，采用ITRF2014 坐標框架。陸態網絡在華北地區站點數較多，距離驗潮站較近的站點也比較多，東部和南部沿海地區站點分布較少。

1.2 驗潮站和衛星高度計數據處理

為了匹配各GNSS 觀測資料的時間跨度，同時考慮海平面季節變化帶來的影響，本文對各驗潮站月均值數據和衛星高度計數據的時段進行了截取，各站數據時段均為起始年的1 月到結束年的12 月，總體時段為2009—2018 年。在選取沿海衛星高度計資料時，一種是把臨近海域的高度計觀測數據進行整體月平均，從而避免高度計在某一格點觀測時間的不連續性帶來的較大誤差[22]。另一種是選取與驗潮站時間序列相關系數最高的格點數據作為驗潮站絕對海平面時間序列[26]?？紤]到衛星高度計在沿岸地區的精度不如寬闊海域，因此本文搜索各驗潮站1.5°半徑內的高度計格點數據，并按反距離加權獲得平均值作為該站衛星高度計絕對海平面資料序列，并對各驗潮站海平面序列與提取的對應站點衛星高度計海平面序列進行了相關性分析，各站相關系數如表1 所示[24]。除日照、連云港、北海和防城港4 站驗潮站序列與衛星高度計序列相關系數小于0.6 外，其余站點相關性均較高（相關系數大于0.8的站點占68%），能較好地代表驗潮站區域的海平面變化，圖1 為三亞站驗潮站與衛星高度計海平面觀測序列。

表1 各站驗潮站資料與衛星高度計資料相關系數

圖1 三亞站驗潮站與衛星高度計海平面觀測序列

計算驗潮站和衛星高度計海平面變化速率時，首先去除月均值序列的季節性信號，進而獲取各站點的年均值海平面序列，最后利用最小二乘法對時間序列進行線性回歸求得海平面變化速率[25]，本文在海平面變化趨勢提取中使用的模型為：

式中：MSLt為驗潮站時間為t 的年平均海平面觀測值；a0為該時段內的平均海平面值；b0為平均海平面線性變化速率；nt為擬合誤差。

1.3 GNSS 數據處理

為了比較中國沿海和大陸的相對運動，并將海洋站GNSS 觀測結果統一至全球參考框架下，本文將所有海洋站GNSS 觀測數據與中國周邊IGS（International GNSS Service）跟蹤站觀測數據聯合解算。采用GAMIT/GLOBK（10.7）軟件進行基線處理和平差解算?；€處理時軌道選用IGS 發布的精密軌道星歷，衛星高度角設為10°，大氣延遲改正采用SAASTAMOINEN 模型，映射函數選用維也納映射模型，并進行了海洋潮汐、固體潮汐和極移等改正。平差解算時利用GLOBK 對所有時段單天解進行整體平差，得到各站基于ITRF2014 框架的坐標時間序列，時間序列質量控制采用相鄰兩個觀測值之差和可視化人工判讀方法對各站時間序列粗差逐個進行剔除，得到最后的時間序列[27]。

1.4 陸地垂直運動速率計算

1.4.1 直接法（GNSS 垂直運動速率） 國內外眾多學者對GNSS 高程分量進行過研究，普遍認為全球許多連續站單天解算坐標分量的時間序列周期主要有年周期和半年周期兩項，因此本文使用與Li 等相同的高程時間序列模型對單站進行建模，并利用最小二乘法求得各站垂直運動速率[28-31]。

1.4.2 間接法（絕對海平面變化速率減去相對海平面變化速率：A-TG） 通過式（1）模型分別計算各驗潮站相對海平面變化速率和衛星高度計絕對海平面變化速率，再利用各站對應的絕對海平面變化速率減去相對海平面變化速率，得到的差值即為陸地垂直運動速率。陸地垂直運動速率與驗潮站和衛星高度計觀測的海平面變化速率之間的關系可用下式表示：

式中，Va為衛星高度計觀測的絕對海平面變化速率，VTG為驗潮站觀測的相對海平面變化速率，Vh為陸地垂直運動速率。

2 中國沿海陸地垂直運動分析

中國大陸構造環境監測網絡（以下簡稱“陸態網”）在全國范圍內建設了260 個GNSS 連續觀測基準站，本文選取中國沿海地區43 個陸態網基準站資料并利用直接法分析了地面運動速率，結果如圖2 所示，并與選取衛星高度計和驗潮站資料采用間接法得到的陸地垂直運動趨勢進行了對比分析。

2.1 沿海地區陸態網基準站陸地垂直運動

中國沿海地區陸態網基準站觀測結果顯示，中國沿海省區市陸地總體以上升為主，局部區域陸地呈下降趨勢。其中，遼寧省5 個基準站均呈上升趨勢，平均上升速率為1.46± 0.11 mm/a，沈陽站上升速率最大（3.04±0.07 mm/a），丹東站上升速率最小（0.25±0.04 mm/a）。河北省滄縣站位于華北平原沉降區，沉降速率為-29.71±0.07 mm/a，承德和唐山站均呈上升趨勢。天津市北部山區的薊縣站和寶坻站呈上升趨勢，上升速率較小，分別為0.94±0.01 mm/a 和0.41±0.04 mm/a，位于華北平原地區的武清和濱海站沉降較快，沉降速率分 別為-44.72 ± 0.07 mm/a 和-16.91 ± 0.04 mm/a。山東省8 個基準站均呈上升趨勢，平均上升速率為0.91 ± 0.11 mm/a，臨沂站上升速率最大（1.75 ±0.04mm/a），煙臺站上升速率最?。?.43±0.04mm/a）。江蘇省連云港站較為穩定，沉降速率為-0.03 ±0.04 mm/a，鹽城和南通站沉降速率分別為-1.59 ±0.06 mm/a 和-0.95±0.04 mm/a，溧水站呈緩慢上升趨勢，上升速率為0.41±0.04 mm/a。上?；鶞收境两邓俾蕿?2.35±0.02 mm/a。浙江省3 個基準站均呈沉降趨勢，平均沉降速率為-0.69±0.07 mm/a。福建省除廈門站以1.59±0.02 mm/a 速率上升外，其余3個基準站均呈沉降趨勢，平潭和霞浦站沉降速率分別為-0.83 ± 0.04 mm/a 和-0.55 ± 0.04 mm/a。廣東省除湛江站以-0.70 ± 0.04 mm/a 速率沉降外，其余3 個基準站均呈上升趨勢。廣西除梧州站以-1.15±0.05 mm/a 速率沉降外，其余2 個基準站均呈上升趨勢。海南海口和三亞站沉降速率分別為-3.82 ± 0.07 mm/a 和-0.01 ± 0.06 mm/a，瓊中和永興島站均呈上升趨勢，上升速率分別為0.67 ±0.02 mm/a 和3.34±0.07 mm/a。

2.2 沿海驗潮站陸地垂直運動

大部分驗潮站GNSS 與附近的陸態網絡GNSS基準站的垂直運動方向和速率基本一致（圖2），與顧國華等利用陸態網GNSS 基準站獲取的垂直運動規律也基本一致，個別驗潮站GNSS 由于位于碼頭，與附近位于基巖的陸態網基準站得出的陸地垂直運動規律具有一定的差異[32-34]。中國沿海驗潮站及其鄰近地區陸地垂直運動總體分布特征如下：

圖2 中國沿海驗潮站及其鄰近區域ITRF 框架下陸地垂直速度場

（1）遼寧沿海驗潮站及其鄰近區域陸地垂直運動基本特點是西部上升明顯、東部緩慢上升而局部呈下降趨勢。沿海驗潮站，除東港驗潮站沉降速率為-1.98±0.08 mm/a、鲅魚圈驗潮站沉降速率為-0.19±0.09mm/a 外，其余地區均呈現不同程度的上升趨勢。遼寧沿海驗潮站平均上升速率約為0.15± 0.16mm/a。陸態網葫蘆島基準站（1.53 ±0.04 mm/a） 與葫蘆島驗潮站（1.60 ± 0.06 mm/a）距離較近（約11 km），陸地均呈上升趨勢，速率相差0.07 mm/a。

（2）河北沿海的芷錨灣和秦皇島驗潮站均呈上升趨勢，上升速率分別為1.87±0.07 mm/a 和0.73±0.22 mm/a，這與華北平原北側天津寶坻、天津薊州、河北唐山、河北承德等幾個山地丘陵地區的陸態網一致，均呈現上升趨勢。天津沿海的塘沽驗潮站以-8.26±0.10 mm/a 的速率沉降，其位于華北平原濱海地區，與陸態網濱海站相距約14 km，均具有較大的沉降速率。華北平原是海河、黃河、淮河等水系在第三紀以來長期下降背景下共同堆積而成的，位于該平原沉降漏斗區的天津武清、濱海和河北滄縣附近站點（圖2 中黑色方框內的站點）區域沉降最為顯著，主要是由過量開采地下水并疊加構造活動引起。

（3）山東和江蘇沿海驗潮站除威海石島站以-3.06±0.05 mm/a 的速率沉降外，其余站點陸地均表現為上升趨勢。從驗潮站和陸態網基準站可以看出，山東半島整體處于上升趨勢。

（4）上海和浙江沿海驗潮站除朱家尖和小衢山驗潮站緩慢上升外，其余驗潮站均呈下降趨勢。其中，上海蘆潮港驗潮站沉降速率為-3.10±0.05 mm/a，與陸態網上海站沉降速率相差0.75 mm/a；浙江沿海驗潮站總體以下降為主，與陸態網基準站趨勢一致。

（5）福建寧德至泉州沿海驗潮站以沉降為主，福建廈門至漳州、廣東和廣西沿海驗潮站均呈現上升與沉降交替出現現象。其中，閘坡驗潮站沉降速率最大，為-3.19±0.09 mm/a，云澳驗潮站上升速率最大，為1.47±0.20 mm/a。

（6）海南島沿海北部秀英驗潮站和南部三亞驗潮站呈下降趨勢，東部清瀾驗潮站、西部東方驗潮站則呈現緩慢上升趨勢。西沙驗潮站上升速率為2.18±0.81 mm/a，與距離約1 km 的陸態網絡永興島基準站（3.34±0.07 mm/a）上升趨勢一致。

此外，利用間接法得到驗潮站附近的陸地垂直運動情況并與GNSS 速率進行對比，結果如表2 所示。兩種方法得出的陸地垂直運動速率大小和趨勢方向存在一定差異，其中有31 站的兩種結果運動方向一致，其余測站運動方向相反。有51%的站點采用直接法和間接法獲得的陸地垂直運動速率差值在-2～2 mm/a 之間。兩種方法結果產生差異性較大的因素較為復雜，驗潮站周邊高度計數據選取方式、高度計在沿岸精度本身受限以及海平面和陸地垂直運動季節性差異等因素均會對最終的結果產生影響。

表2 沿海地區GNSS 直接法和A-TG 間接法計算陸地垂直運動對比情況 單位：mm/a

本文使用的驗潮站和GNSS 站點有33 站是并址運行的，因此GNSS 垂直運動即可認為是驗潮站陸地垂直運動，分析得出有42%的并址站點采用直接法和間接法獲得的陸地垂直運動速率差值在-2～2 mm/a 之間。

4 結論與討論

沿海陸地垂直運動對于沿海海平面變化分析、海平面變化影響評估以及未來海平面上升預測等具有重要意義，利用GNSS 連續觀測獲取陸地垂直形變量的技術已較為成熟，隨著多衛星導航系統的聯合應用，GNSS 連續觀測精度也將進一步提高。通過與驗潮站并址的GNSS 連續觀測獲取陸地垂直形變可直接為沿海海平面變化分析提供準確的形變速率。驗潮站GNSS 與陸態網絡GNSS 基準站獲取的沿海地區陸地垂直形變速率及方向具有較好的一致性。中國沿海省區市及沿海驗潮站陸地垂直運動總體表現為遼寧至江蘇沿海上升、上海至福建泉州沿海沉降、福建廈門至廣西沿海升降交替格局，局部濱海平原地區如華北平原天津南部、河北平原的滄縣則表現為顯著的沉降特征；上海至福建泉州沿海除個別站點上升外，總體呈下降趨勢；福建廈門至廣西沿海、海南島則呈現出上升與沉降交替出現的特征；潿洲島站附近表現為沉降，西沙站區域呈現出上升趨勢。當然，本文獲得的結果僅為驗潮站及其附近的陸地垂直運動情況，由于有些驗潮站本身建設在港口碼頭等局部地面不穩定的區域，并不能完全代表東部沿海地殼的垂直運動情況。全面掌握中國東部沿海地殼垂直運動特征仍需進一步利用穩定的GNSS 基準站和沿海地區的水準監測成果進行綜合分析。

謝書誼等認為對一個驗潮站附近有多個GNSS站位和多個高度計網格點的情形，分析結果對GNSS 和高度計數據的選擇和處理會非常敏感，甚至會導致陸地沉降的趨勢性改變[25]。本文選用的與驗潮站并址的33 個站點中直接法和間接法得出的結果差異性也較大，這與GNSS 資料本身的質量以及衛星高度計在沿岸地區的精度受限等有關。隨著多種衛星導航系統的聯合應用，GNSS 連續觀測獲取陸地垂直形變量的精度和相關技術已相對成熟，而衛星高度計本身在沿岸地區的精度尚未得到很好的改善，在GNSS 結果與A-TG 結果存在較大差異時，哪種方法更優仍有待在遠離大陸的衛星高度計精度較高的驗潮站點區域開展進一步研究。