金波文，王慧， 李经纬， 李文善， 李欢， 徐浩

（1.国家海洋信息中心，天津 300171；2.中国地震局第一监测中心，天津 300180）

在全球气候变暖背景下，海平面上升已成为全球性重大环境问题。由于温度升高和南北极冰川、冰盖融化等环境因素的影响，在过去100a 内全球海平面上升了10～25 cm[1]。20 世纪以来，全球海平面呈现加速上升趋势，我国沿海海平面上升速率高于全球同期平均水平，面临的海平面上升影响风险更大[2-3]。目前，中国沿海海平面监测的主要方法是通过验潮站潮位观测，其观测得到的是基于各站水尺零点的相对海平面变化，除了受绝对海平面变化影响外，还与局部地区陆地垂直运动有关，后者在很多地区的重要性甚至超过了前者，并且陆地沉降会加剧相对海平面上升[4-5]。此外，由于验潮站相对海平面变化包含了其本身的陆地垂直运动因素在内，在对近岸融合卫星高度计绝对海平面资料进行综合研究分析时，陆地垂直运动是一个不可忽视的因素。因此，准确地监测中国沿海验潮站及其邻近地区的陆地垂直运动规律不仅对于验潮水尺零点的维护具有重要意义，而且对联合卫星高度计数据的沿海绝对海平面变化研究分析至关重要。

沿海地区陆地垂直运动主要包含大尺度范围的地壳垂直运动和局部地面垂直运动。大尺度范围内的地壳垂直运动主要包括地壳板块运动和冰川均衡调整（Glacial Isostatic Adjustment，GIA）等[6-7]，如北欧斯堪的纳维亚半岛附近由于其陆上冰川融化陆地抬升的GIA 效应引起了海平面下降[8]。局地地面垂直运动主要由大河三角洲沉积压实效应、人类活动开采地下水和超高超密建筑物修建等因素引起[9-10]。监测陆地垂直运动的传统方法是定期精密水准测量，黄立人等利用精密水准复测资料对中国东部沿海地区的近代地壳垂直运动分析得出：东部沿海广大平原地区以下降为主，辽西山地、胶东半岛以及闽、粤、贵山地和丘陵则以缓慢的块体上升为主[11-13]。随着现代大地测量GNSS 技术的发展，基于连续GNSS 观测提供精确地面沉降结果的方法得到了快速的发展和应用。为剥离验潮站地面垂直运动因素影响，Bevies 等利用GNSS 连续观测数据对西北太平洋、黑海等沿岸的验潮站陆地垂直运动信息进行了研究[14-17]，国内焦文海等利用验潮站附近的GNSS 研究了验潮站地面垂直运动后的绝对海平面变化，但在中国沿海地区直接利用GNSS 观测数据，整体分析全国验潮站及其附近区域地面垂直运动的研究仍较少[18-20]。1993 年以来，随着卫星高度计的发射，许多学者利用验潮站和附近的卫星高度计观测数据就如何推算验潮站附近的陆地升降开展了研究，该方法最早由Cazenave 等提出，Kuo 等分别在该方法的基础上进行了改进，并对地中海和大西洋东部等地区验潮站的地面垂直运动进行了研究[21-22]。董鸿闻等利用类似方法分别推算了青岛验潮站和黄河三角洲的地面垂直运动，刘首华等利用该方法推算了渤黄海周边验潮站地面垂直运动速率，谢书谊等利用全球191 个和中国沿海29个验潮站资料联合卫星高度计资料推算了沿岸陆地垂直运动速率[23-25]。

我国于2009 年开始陆续在全国沿海50 余个验潮站增加了GNSS 连续观测业务，GNSS 连续观测为提取验潮站的地面垂直运动信息提供了重要的数据来源。本文利用2009—2018 年间的验潮站GNSS 观测资料，联合验潮站周边的中国地壳运动观测网络（以下简称陆态网络） GNSS 基准站资料，对全国沿海验潮站的地面垂直运动进行了分析。同时，利用沿海卫星高度计资料和验潮站海平面观测资料推算验潮站的地面垂直运动，与GNSS获取的垂直运动进行了对比分析，并将分析结果与冰川均衡调整模型的预测结果进行了对比研究。最后给出中国沿海验潮站及其邻近区域最新的陆地垂直运动情况，可为我国沿海相对海平面变化研究、影响评估和预测提供支撑。

1 数据来源和处理方法

1.1 数据来源

本文研究数据主要包括验潮站观测数据、GNSS观测数据和卫星高度计海平面异常月均值数据。

验潮站实测数据来源于中国沿海海洋观测网，通过实测数据得到的月均海平面数据集已通过全国海洋站基准潮位核定，对因站址变迁、环境改变、仪器更换、水尺变动和观测手段改变等引起的水尺零点变动和资料均一性问题进行了订正。

卫星高度计资料来源于哥白尼环境监测中心（www.psmsl.org）提供的多卫星融合订正后的海平面异常月均值数据（MSLA，Mean Sea Level Anomalies），参考框架为1993—2012 年平均海平面，数据已进行仪器误差和相应的地球物理影响因素的订正。

GNSS 连续观测数据来源于海洋站GNSS 连续观测网以及陆态网络GNSS 基准站网。海洋站GNSS 资料来源于海洋站GNSS 实时观测数据。陆态网络GNSS 基准站资料来源于中国地震局东部形变数据分中心（www.eqdsc.com）提供的时间序列数据，采用ITRF2014 坐标框架。陆态网络在华北地区站点数较多，距离验潮站较近的站点也比较多，东部和南部沿海地区站点分布较少。

1.2 验潮站和卫星高度计数据处理

为了匹配各GNSS 观测资料的时间跨度，同时考虑海平面季节变化带来的影响，本文对各验潮站月均值数据和卫星高度计数据的时段进行了截取，各站数据时段均为起始年的1 月到结束年的12 月，总体时段为2009—2018 年。在选取沿海卫星高度计资料时，一种是把临近海域的高度计观测数据进行整体月平均，从而避免高度计在某一格点观测时间的不连续性带来的较大误差[22]。另一种是选取与验潮站时间序列相关系数最高的格点数据作为验潮站绝对海平面时间序列[26]。考虑到卫星高度计在沿岸地区的精度不如宽阔海域，因此本文搜索各验潮站1.5°半径内的高度计格点数据，并按反距离加权获得平均值作为该站卫星高度计绝对海平面资料序列，并对各验潮站海平面序列与提取的对应站点卫星高度计海平面序列进行了相关性分析，各站相关系数如表1 所示[24]。除日照、连云港、北海和防城港4 站验潮站序列与卫星高度计序列相关系数小于0.6 外，其余站点相关性均较高（相关系数大于0.8的站点占68%），能较好地代表验潮站区域的海平面变化，图1 为三亚站验潮站与卫星高度计海平面观测序列。

表1 各站验潮站资料与卫星高度计资料相关系数

图1 三亚站验潮站与卫星高度计海平面观测序列

计算验潮站和卫星高度计海平面变化速率时，首先去除月均值序列的季节性信号，进而获取各站点的年均值海平面序列，最后利用最小二乘法对时间序列进行线性回归求得海平面变化速率[25]，本文在海平面变化趋势提取中使用的模型为：

式中：MSLt为验潮站时间为t 的年平均海平面观测值；a0为该时段内的平均海平面值；b0为平均海平面线性变化速率；nt为拟合误差。

1.3 GNSS 数据处理

为了比较中国沿海和大陆的相对运动，并将海洋站GNSS 观测结果统一至全球参考框架下，本文将所有海洋站GNSS 观测数据与中国周边IGS（International GNSS Service）跟踪站观测数据联合解算。采用GAMIT/GLOBK（10.7）软件进行基线处理和平差解算。基线处理时轨道选用IGS 发布的精密轨道星历，卫星高度角设为10°，大气延迟改正采用SAASTAMOINEN 模型，映射函数选用维也纳映射模型，并进行了海洋潮汐、固体潮汐和极移等改正。平差解算时利用GLOBK 对所有时段单天解进行整体平差，得到各站基于ITRF2014 框架的坐标时间序列，时间序列质量控制采用相邻两个观测值之差和可视化人工判读方法对各站时间序列粗差逐个进行剔除，得到最后的时间序列[27]。

1.4 陆地垂直运动速率计算

1.4.1 直接法（GNSS 垂直运动速率） 国内外众多学者对GNSS 高程分量进行过研究，普遍认为全球许多连续站单天解算坐标分量的时间序列周期主要有年周期和半年周期两项，因此本文使用与Li 等相同的高程时间序列模型对单站进行建模，并利用最小二乘法求得各站垂直运动速率[28-31]。

1.4.2 间接法（绝对海平面变化速率减去相对海平面变化速率：A-TG） 通过式（1）模型分别计算各验潮站相对海平面变化速率和卫星高度计绝对海平面变化速率，再利用各站对应的绝对海平面变化速率减去相对海平面变化速率，得到的差值即为陆地垂直运动速率。陆地垂直运动速率与验潮站和卫星高度计观测的海平面变化速率之间的关系可用下式表示：

式中，Va为卫星高度计观测的绝对海平面变化速率，VTG为验潮站观测的相对海平面变化速率，Vh为陆地垂直运动速率。

2 中国沿海陆地垂直运动分析

中国大陆构造环境监测网络（以下简称“陆态网”）在全国范围内建设了260 个GNSS 连续观测基准站，本文选取中国沿海地区43 个陆态网基准站资料并利用直接法分析了地面运动速率，结果如图2 所示，并与选取卫星高度计和验潮站资料采用间接法得到的陆地垂直运动趋势进行了对比分析。

2.1 沿海地区陆态网基准站陆地垂直运动

中国沿海地区陆态网基准站观测结果显示，中国沿海省区市陆地总体以上升为主，局部区域陆地呈下降趋势。其中，辽宁省5 个基准站均呈上升趋势，平均上升速率为1.46± 0.11 mm/a，沈阳站上升速率最大（3.04±0.07 mm/a），丹东站上升速率最小（0.25±0.04 mm/a）。河北省沧县站位于华北平原沉降区，沉降速率为-29.71±0.07 mm/a，承德和唐山站均呈上升趋势。天津市北部山区的蓟县站和宝坻站呈上升趋势，上升速率较小，分别为0.94±0.01 mm/a 和0.41±0.04 mm/a，位于华北平原地区的武清和滨海站沉降较快，沉降速率分 别为-44.72 ± 0.07 mm/a 和-16.91 ± 0.04 mm/a。山东省8 个基准站均呈上升趋势，平均上升速率为0.91 ± 0.11 mm/a，临沂站上升速率最大（1.75 ±0.04mm/a），烟台站上升速率最小（0.43±0.04mm/a）。江苏省连云港站较为稳定，沉降速率为-0.03 ±0.04 mm/a，盐城和南通站沉降速率分别为-1.59 ±0.06 mm/a 和-0.95±0.04 mm/a，溧水站呈缓慢上升趋势，上升速率为0.41±0.04 mm/a。上海基准站沉降速率为-2.35±0.02 mm/a。浙江省3 个基准站均呈沉降趋势，平均沉降速率为-0.69±0.07 mm/a。福建省除厦门站以1.59±0.02 mm/a 速率上升外，其余3个基准站均呈沉降趋势，平潭和霞浦站沉降速率分别为-0.83 ± 0.04 mm/a 和-0.55 ± 0.04 mm/a。广东省除湛江站以-0.70 ± 0.04 mm/a 速率沉降外，其余3 个基准站均呈上升趋势。广西除梧州站以-1.15±0.05 mm/a 速率沉降外，其余2 个基准站均呈上升趋势。海南海口和三亚站沉降速率分别为-3.82 ± 0.07 mm/a 和-0.01 ± 0.06 mm/a，琼中和永兴岛站均呈上升趋势，上升速率分别为0.67 ±0.02 mm/a 和3.34±0.07 mm/a。

2.2 沿海验潮站陆地垂直运动

大部分验潮站GNSS 与附近的陆态网络GNSS基准站的垂直运动方向和速率基本一致（图2），与顾国华等利用陆态网GNSS 基准站获取的垂直运动规律也基本一致，个别验潮站GNSS 由于位于码头，与附近位于基岩的陆态网基准站得出的陆地垂直运动规律具有一定的差异[32-34]。中国沿海验潮站及其邻近地区陆地垂直运动总体分布特征如下：

图2 中国沿海验潮站及其邻近区域ITRF 框架下陆地垂直速度场

（1）辽宁沿海验潮站及其邻近区域陆地垂直运动基本特点是西部上升明显、东部缓慢上升而局部呈下降趋势。沿海验潮站，除东港验潮站沉降速率为-1.98±0.08 mm/a、鲅鱼圈验潮站沉降速率为-0.19±0.09mm/a 外，其余地区均呈现不同程度的上升趋势。辽宁沿海验潮站平均上升速率约为0.15± 0.16mm/a。陆态网葫芦岛基准站（1.53 ±0.04 mm/a） 与葫芦岛验潮站（1.60 ± 0.06 mm/a）距离较近（约11 km），陆地均呈上升趋势，速率相差0.07 mm/a。

（2）河北沿海的芷锚湾和秦皇岛验潮站均呈上升趋势，上升速率分别为1.87±0.07 mm/a 和0.73±0.22 mm/a，这与华北平原北侧天津宝坻、天津蓟州、河北唐山、河北承德等几个山地丘陵地区的陆态网一致，均呈现上升趋势。天津沿海的塘沽验潮站以-8.26±0.10 mm/a 的速率沉降，其位于华北平原滨海地区，与陆态网滨海站相距约14 km，均具有较大的沉降速率。华北平原是海河、黄河、淮河等水系在第三纪以来长期下降背景下共同堆积而成的，位于该平原沉降漏斗区的天津武清、滨海和河北沧县附近站点（图2 中黑色方框内的站点）区域沉降最为显著，主要是由过量开采地下水并叠加构造活动引起。

（3）山东和江苏沿海验潮站除威海石岛站以-3.06±0.05 mm/a 的速率沉降外，其余站点陆地均表现为上升趋势。从验潮站和陆态网基准站可以看出，山东半岛整体处于上升趋势。

（4）上海和浙江沿海验潮站除朱家尖和小衢山验潮站缓慢上升外，其余验潮站均呈下降趋势。其中，上海芦潮港验潮站沉降速率为-3.10±0.05 mm/a，与陆态网上海站沉降速率相差0.75 mm/a；浙江沿海验潮站总体以下降为主，与陆态网基准站趋势一致。

（5）福建宁德至泉州沿海验潮站以沉降为主，福建厦门至漳州、广东和广西沿海验潮站均呈现上升与沉降交替出现现象。其中，闸坡验潮站沉降速率最大，为-3.19±0.09 mm/a，云澳验潮站上升速率最大，为1.47±0.20 mm/a。

（6）海南岛沿海北部秀英验潮站和南部三亚验潮站呈下降趋势，东部清澜验潮站、西部东方验潮站则呈现缓慢上升趋势。西沙验潮站上升速率为2.18±0.81 mm/a，与距离约1 km 的陆态网络永兴岛基准站（3.34±0.07 mm/a）上升趋势一致。

此外，利用间接法得到验潮站附近的陆地垂直运动情况并与GNSS 速率进行对比，结果如表2 所示。两种方法得出的陆地垂直运动速率大小和趋势方向存在一定差异，其中有31 站的两种结果运动方向一致，其余测站运动方向相反。有51%的站点采用直接法和间接法获得的陆地垂直运动速率差值在-2～2 mm/a 之间。两种方法结果产生差异性较大的因素较为复杂，验潮站周边高度计数据选取方式、高度计在沿岸精度本身受限以及海平面和陆地垂直运动季节性差异等因素均会对最终的结果产生影响。

表2 沿海地区GNSS 直接法和A-TG 间接法计算陆地垂直运动对比情况 单位：mm/a

本文使用的验潮站和GNSS 站点有33 站是并址运行的，因此GNSS 垂直运动即可认为是验潮站陆地垂直运动，分析得出有42%的并址站点采用直接法和间接法获得的陆地垂直运动速率差值在-2～2 mm/a 之间。

4 结论与讨论

沿海陆地垂直运动对于沿海海平面变化分析、海平面变化影响评估以及未来海平面上升预测等具有重要意义，利用GNSS 连续观测获取陆地垂直形变量的技术已较为成熟，随着多卫星导航系统的联合应用，GNSS 连续观测精度也将进一步提高。通过与验潮站并址的GNSS 连续观测获取陆地垂直形变可直接为沿海海平面变化分析提供准确的形变速率。验潮站GNSS 与陆态网络GNSS 基准站获取的沿海地区陆地垂直形变速率及方向具有较好的一致性。中国沿海省区市及沿海验潮站陆地垂直运动总体表现为辽宁至江苏沿海上升、上海至福建泉州沿海沉降、福建厦门至广西沿海升降交替格局，局部滨海平原地区如华北平原天津南部、河北平原的沧县则表现为显著的沉降特征；上海至福建泉州沿海除个别站点上升外，总体呈下降趋势；福建厦门至广西沿海、海南岛则呈现出上升与沉降交替出现的特征；涠洲岛站附近表现为沉降，西沙站区域呈现出上升趋势。当然，本文获得的结果仅为验潮站及其附近的陆地垂直运动情况，由于有些验潮站本身建设在港口码头等局部地面不稳定的区域，并不能完全代表东部沿海地壳的垂直运动情况。全面掌握中国东部沿海地壳垂直运动特征仍需进一步利用稳定的GNSS 基准站和沿海地区的水准监测成果进行综合分析。

谢书谊等认为对一个验潮站附近有多个GNSS站位和多个高度计网格点的情形，分析结果对GNSS 和高度计数据的选择和处理会非常敏感，甚至会导致陆地沉降的趋势性改变[25]。本文选用的与验潮站并址的33 个站点中直接法和间接法得出的结果差异性也较大，这与GNSS 资料本身的质量以及卫星高度计在沿岸地区的精度受限等有关。随着多种卫星导航系统的联合应用，GNSS 连续观测获取陆地垂直形变量的精度和相关技术已相对成熟，而卫星高度计本身在沿岸地区的精度尚未得到很好的改善，在GNSS 结果与A-TG 结果存在较大差异时，哪种方法更优仍有待在远离大陆的卫星高度计精度较高的验潮站点区域开展进一步研究。