海平麵在哪裏?

我們時常說這座山海拔多少米，水在海平麵的沸點溫度是攝氐100度等等，仿佛有一個固定的海平麵在海邊等著作為事物高程的參照平麵。當我站在海邊，看著隨風而起一浪接一浪的波濤，每天兩次上下數米的潮汐，不禁問道＂海平麵在哪裏＂？

 

今天我們日常聽得最多的海平麵有兩個不同的類型，一個是本地海平麵，另一個是全球海平麵。建立一個潮汐測量站是獲得本地海平麵的第一步。海平麵受很多因素的影響，主要有潮汐（月亮的天文引力）的高低，風產生的波浪，大氣壓力改變，溫度對水密度和體積的影響。降雨和河流也對鄰近的海平麵有影響。選一個遠離河口，有穩固地質的海岸作為測量地，以避免 河流漲水和地麵升降對海平麵測量的影響。築一個下麵與海相通的井作為避風的港灣，可以去掉大部分波浪的影響。典型的結構是在這個井中放一個約一尺直徑的管子，其水下有直徑3-5厘米的若幹小孔與井裏的海水相通，這樣進一步減弱了海水的波動。安裝上測量裝置就可以測量水麵了。按照美國標準，每小時測量一次，每天二十四小時，每年365天，連續測量十九年，把所有數據平均就得到本地海平麵。將此平麵設為零高程，所有地質和建築物的海拔高度就可以測量出來了。為什麽要連續測量十九年呢？這是因為18.61年是一個潮汐周期，即太陽，月亮，地球的相對位置經過18.61年回到同樣狀態。將一個潮汐周期包括在測量裏麵可以做到精準的最大化。由此可見海平麵毫米級精度結果的蕕得是相當不容易的。

 

中國的海平麵標準測量裝置設在青島大港一號碼頭西端的驗潮站內。以青島附近的黃海海平麵作為中國境內一切物體海拔高度的基準。青島驗潮站始於二十世紀初，1904-1923年德日占領期間的資料缺失。1937-1945日本二度占領時期的資料也缺失。45-49年的資料質量不高。真正連續測量是從1950年開始，並再也沒有間斷過。1956年以該站過去六年的測量數據確定了黃海平均海平麵，稱為1956黃海高程係統。這個基準統一了全國的高程。後來由於測量時間的增加和測量精度的提高，1985年中國更新了海平麵基準，稱為1985國家高程基準，相對於1956年基準，前者低了29毫米。1985年以前的海拔高度都作了相應調整，即增加29毫米。

 

海平麵作為一個看不見摸不著的東西，直接使用幾乎不可能也很不方便。一般都要有一個參考原點設在岸上適當位置作為高程測量的起點。中國政府在青島觀象山頂建了一座用嶗山花崗岩砌成的7.8平方米的小石屋，內有一個兩米深的旱井，中央嵌入一球形瑪瑙石，該石的頂端就是中國水準原點。全國的海拔高度都以此原點為起點進行測量。這個原點相對於驗潮站的海平麵基準為72.260米，所以通過中國水準原點測量的海拔高度都必須加上這個72.260米，從而得到準確海拔高度數值。

 

中國在建立了1985年海平麵基準後繼續對海平麵進行監測，數據顯示黃海青島海麵持續地以平均每年2.5毫米的速度上升。這種海平麵上升的現象也在全球大部分驗潮站觀察到，隻是數值的大小不同而已。但是這些數據並不能令人信服地得出全球海平麵上升的論斷。通過驗潮站測量數據建立的本地海平麵有一定的局限性，主要是它們都建在大陸邊緣，沒有遠海數據。此外，這種測量是基於岸邊陸地沒有垂直運動的假設，事實上岸邊參考地不可避免的會有垂直運動，從而對海平麵的確定產生幹擾。為了從全球的角度來觀察海洋的形貌和變化，科學家們進行了不懈的努力。首先就是要建立全球海平麵的基準，有了基準才有可能監測海洋表麵相對於基準的變化。設想將地球推到遠離太陽和月亮引力範圍以外的地方，這裏除了地球自身的重力外沒有其他引力產生的潮汐，也沒有風和波浪，地球上的海洋處於完全平靜狀態，這就是全球海平麵。在海洋和陸地的交界處，設想同樣性質的海麵延伸過大陸下麵形成一個閉合麵，我們稱這個閉合麵叫大地水準麵(Geoid)，它是全球的各種物體的高程基準。全球陸地上任何一點的海拔高度，就是它到它下麵的大地水準麵的垂直距離。大地水準麵的海洋部分就是海平麵基準，也叫平均海平麵。這樣一個水準麵是可以通過大量的重力測量和計算來得到的。有了基準後，我們再把地球放回它的現實位置，在月亮和太陽的引力作用下，一天兩次的潮汐回來了，在風和對流的作用下，海麵波濤起伏。我們的全球海洋監測就可以開始了。

 

1992年5月，美國國家航空航天局（NASA)和法國國家空間研究中心(CNES)合作利用法國阿利亞娜火箭發射了全球第一顆研究海洋學的衛星TOPEX/Proseidon，用來繪製海洋表麵形貌地圖。Proseidon是希臘神話中主管海洋的神，法國人對這顆衛星寄以厚望，以這位神的名字命名了該衛星。這顆重2400公斤的衛星在1330公裏軌道上對地球95%的無冰海麵進行監測，它搭載的兩台分別由美國和法國製造的Ku波段雷達可以以3.3厘米的精度測量衛星到海麵的距離。有了測距手段還不夠，還必須精確確定衛星的位置，這樣才能計算出真實海平麵與大地水準麵的關係。為了達到此目標，這個項目準備了三套定位係統。第一套是NASA的激光測距網絡，用多束激光照射衛星，通過激光的反射來確定衛星的位置。這套係統的缺點是隻能在晴朗的天氣情況下使用，激光不能穿透雲層和降水區。第二套是法國提供的多普勒雷達係統。第三套是美國的全球衛星定位係統（GPS)。這是GPS第一次用於確定空間物體的精確定位。通過衛星搭載的GPS接收器，TOPEX知道自己任何時刻相對於地心的距離，精度達到2厘米。當TOPEX送出測到的它對某一點海麵距離時，它也同時送那時刻由GPS提供的衛星對地心的距離。這兩個數的相減就是該海麵到地心的距離。當衛星完成全球海洋測量後，就得到了一幅全球海洋形貌圖，向我們提供了極具價值的海洋信息。這幅形貌圖通過與大地水準麵的比較，我們就可以知道海洋中什麽區域的海麵比水準麵高，什麽區域比水準麵低，全球平均來看是低了還是高。隨著監測的繼續，我們可以知道在時間續列中海麵的變化。2006年1月，在繞地球6200圈後，TOPEX衛星壽命終結。美法等又相繼發射了Jason 1, Jason 2, Jason 3 係列衛星以保證連續不斷地監測全球海平麵的變化。今天Jason 3 還在太空執行它的使命。衛星測量結果顯示自1992年以來，全球平均海平麵呈持續上升趨勢，平均年上升量為3.1+/-0.4毫米。

 

怎樣解讀全球海平麵上升的數據，是解釋全球變暖的熱門話題。當今海平麵升高部分可以由冰川融化和由於氣溫升高導致海洋表麵500米海水溫度升高從而使海水體積熱膨脹的結果。結合全球平均溫度升高的數據，大部分科學家相信全球氣溫和海平麵上升是由於近百年來人類活動的結果：大量燃燒煤炭，石油等化石燃料，導致二氧化碳排放迅速增加，造成大氣溫室效應，使全球溫度上升，全球海平麵上升。這些變化最終將導致極端氣象增加，海水淹沒低地。也有一部分人沒有完全相信海平麵上升主要是由人類活動所致。觀察發現地球上15000年前的海平麵，由於第四紀冰川的結果，比現在低100-150米。一萬年間地球海平麵上升了100多米，平均上升速度大於每年10毫米，比現在大得多，而那時並沒有大量的人類活動。盡管近5000年來的海平麵基本保持穩定，現在的觀察結果還不足以完全證實這全是由人類活動造成的。美國現任總統特郎普就是這部分人中的一員。現在還沒有人能回答在全部海平麵上升中，有多少是由於人類活動產生的，多少是自然過程貢獻的。