验潮站与卫星测高：解读海平面的百年变化

海平面测的是什么：两种“高度”

所谓海平面，并不是只有一种测量对象。潮汐涨落、波浪、气压、风、水温引起的膨胀，以及陆地的垂直运动，都会影响“海面高度”的呈现。要了解长期变化，就必须把这些短周期的波动平均掉，只留下缓慢的变化。

相对海平面与绝对海平面

验潮站测量的是相对于固定在陆地上的基准的海面高度，也就是相对海平面。如果陆地本身在下沉，即使海面不动，水位也会显得上升；反之，如果陆地在隆起，水位则显得下降。而卫星测高仪测量的是以地球中心为基准的海面高度，更接近绝对海平面。两者是“用不同的尺子测量同一片海面”，并不存在谁对谁错的问题。

为什么需要两双眼睛

验潮站拥有100多年的连续记录，但它们主要设在沿海港口，无法直接观察广阔的外海。卫星测高仪能够大致均匀地覆盖全球，但观测始于20世纪90年代，记录长度不及验潮站。由验潮站承担长时间跨度，由卫星承担广阔空间范围，才能描绘出“整个地球的海面是如何变化的”。

验潮站的历史：港口里踏实持续的观测

验潮站是设在港口或海湾的观测设施，连续记录海面的高度。过去以把浮子的运动记录在纸上的方式为主，现在则由压力式或雷达式传感器自动记录，并通过通信线路传送数据。无论方式如何变化，其价值的核心始终是“在同一地点、以同一基准、不间断地持续测量”。

守住基准的工作

要解读长期水位变化，最重要的是观测基准不能漂移。即使更换传感器、更换设备，水位的“零点”也不能移动。因此，验潮站会定期通过测量来确认潮位计读数与陆地基准点之间的高差关系。正是这些不起眼的工作，构成了把100年记录连接起来的基础。

世界各地的记录是如何汇集的

各国验潮站的记录被汇集到国际数据中心，经整理后供研究人员以统一格式使用。具有代表性的是英国的PSMSL（Permanent Service for Mean Sea Level，平均海平面常设服务机构）。PSMSL保存着世界各地的月平均和年平均海平面，IPCC的评估报告也以验潮站记录作为依据。

• 记录按月平均、年平均整理，潮汐的周期成分通过平均而被减小。
• 基准面（零点）的历史得以保存，是记录可靠性的支撑。
• 各站点的地面运动不同，因此在站点之间进行比较时需要注意。

卫星测高仪的登场：从太空测量海面高度

从太空测量海面的设想成为现实，是在20世纪90年代。卫星向海面发射微波脉冲，根据反射信号返回所需的时间来测量卫星与海面之间的距离。只要精确求得卫星自身的轨道高度，就能由二者之差得到海面高度。这就是卫星测高仪的基本原理。

从TOPEX/Poseidon到Jason，再到Sentinel-6

据NASA介绍，高精度的卫星测高观测始于TOPEX/Poseidon（1992–2006年），随后由Jason系列接续。2020年，由欧洲和美国等合作发射的Sentinel-6 Michael Freilich加入，使记录得以延续。多颗卫星在一定时期内重叠观测，对各仪器之间的偏差进行校准，从而形成跨度30多年的一致时间序列。

30年告诉了我们什么

NASA的PO.DAAC介绍说，根据卫星测高记录，1993年至2023年约30年间，全球平均海平面上升了约11.1厘米。平均上升速率约为3.3毫米/年，上升的步伐从1993年的约2.1毫米/年，加快到2024年的约4.5毫米/年，大约翻了一番。1993年时记录太短，仅凭卫星还无法确认上升是否在“加速”，但经过30年的积累，加速已经可以从观测数据中读出。

全球平均海平面变化了多少：IPCC的评估

IPCC第六次评估报告（2021年）综合验潮站记录、卫星记录以及冰川、冰盖变化等信息，整理了全球平均海平面的变化。结论是，1901年至2018年的上升量为0.20［0.15–0.25］米。报告还以高置信度指出，整个20世纪海平面上升在加速。

上升速率是如何加快的

按该报告的整理，全球平均上升速率在1901–1971年为1.3［0.6–2.1］毫米/年，1971–2006年为1.9［0.8–2.9］毫米/年，2006–2018年为3.7［3.2–4.2］毫米/年。把数字排列出来，可以一目了然地看出，时期越新，速度越快。

上升的构成：海水膨胀与陆地冰融化

海平面上升的主要原因有两个。一是海水变暖后体积膨胀的热膨胀；二是冰川和冰盖融化，水从陆地流入海洋。关于海洋储存了多少热量，本实验室的海洋热含量创纪录一文中有详细介绍。

日本沿岸的长期变化：为什么百年间“看不出上升”

气象厅根据验潮站的记录，对日本沿岸海平面的长期变化进行诊断并公布。1906年以来的长期变化使用4个海域16个站点的平均值，经过地面垂直运动校正的2004年以来的变化则使用配有GPS的13个站点的平均值。2023年的诊断指出，在1906–2023年的整个时期内，日本沿岸海平面没有出现上升趋势。

10–20年周期的波动

同一诊断显示，日本沿岸水位存在约10至20年周期的变动，在1930年前后、1950年前后和1970年前后水位较高。气象厅认为，在1906–2023年的变动中，日本周边大气现象引起的年代际变动的影响大于全球变暖造成的上升。也就是说，百年平均看不出上升，与其说是“海面没有上升”，不如说是自然波动很大，缓慢的上升趋势容易被掩盖。

20世纪80年代后期以来的上升

另一方面，自20世纪80年代后期以来出现了上升趋势。气象厅将其解释为全球平均海平面上升加速的现象也出现在日本沿岸。2023年的数值比1991–2020年的平年值高72毫米，是1906年以来的最高值。不过，气象厅提醒，单一年份的高度被认为不仅受变暖影响，也受年代际大气现象的影响。

比较日本与世界：2004–2023年的上升速率

那么，近年日本沿岸的上升速率与全球平均相比如何？根据气象厅的表格，2004–2023年的上升速率，4个海域16个站点的平均为每年3.7［2.2–5.2］毫米，经GPS校正的13个站点的平均为每年3.5［2.5–4.5］毫米。方括号为90%置信区间。

大体相当，但范围很宽

以2006–2018年来看，日本沿岸的上升速率与全球平均大体相当。不过置信区间很宽，日本的数字比全球平均的不确定性更大。这被认为是因为日本沿岸容易受黑潮等海流和气压配置变动的影响，年际间的离散较大。另外也要注意，时期不同的数字不能简单比较。

关于对海岸的影响与防护思路，请参见海平面上升会使日本90%的沙滩消失吗？。

扭曲数字的因素：地面运动与观测的局限

解读海平面数据时，最容易成为陷阱的是地面的垂直运动。日本是一个因地震、火山活动、抽取地下水等造成地面运动较大的国家，验潮站的水位是作为“海面变化”与“陆地变化”之和被记录下来的。

用GPS校正陆地的运动

因此，气象厅对配有GPS的验潮站使用了校正地面垂直运动后的数据。其思路是在验潮站旁连续测量陆地的垂直运动并将其扣除，从而更接近海面本身的变化。2023年的诊断使用了13个站点，站点数少于长期序列的16个，但有可以排除地面运动影响的优势。

气象厅的页面还提到，最新研究（Nakano等，2023）指出，地面垂直运动的影响可能大于变暖的影响。这表明在解读长期记录时，地面运动是多么重要。

卫星数据一侧的校正

卫星测高数据同样离不开校正。NOAA的卫星测高时间序列应用了逆气压效应校正（修正气压对海面的压低和抬升），并使用南北纬66度范围内的数据。此外，冰期以来地壳的缓慢运动（冰川均衡调整）在全球平均上会产生约0.2–0.5毫米/年的表观变化，因此其处理方式也有明确说明。

• 验潮站：使用经GPS等校正地面垂直运动后的数据。
• 卫星测高仪：使用经气压、轨道、冰川均衡调整等层层校正后的数据。
• 两者的校正方法都写在数据说明中。

亲自查看数据：公开信息的查找与解读

海平面数据其实是以任何人都能查看的形式公开的。气象厅在“日本沿岸海平面长期变化趋势”页面上公布了图、解说和表格。NASA和NOAA公布了卫星测高得出的全球平均海平面时间序列图，PSMSL则提供世界各地验潮站的记录。

看图表时的三项检查

1. 时期：数据是哪一年到哪一年？起点和终点的选择会使斜率发生很大变化。
2. 校正：是否已经对地面垂直运动和气压等进行了校正？
3. 变动：该时期是否包含年代际自然变动，还是已将其平均掉？

解读新闻数字的练习

例如，看到“今年日本沿岸海平面创历史新高”的新闻时，需要确认的是，它是单一年份的数值，还是长期趋势。气象厅在报告2023年数值为“1906年以来最高”的同时，也提到年代际大气现象的影响，正是为了把单一年份的数值与趋势区分开来解读。

总结：两双眼睛与三条解读原则

总结一下：海平面一直由两双眼睛来测量，一双是拥有长期记录的验潮站，另一双是能够覆盖全球的卫星测高仪。全球平均海平面在1901年至2018年上升了约0.20米，上升速率从1.3毫米/年加快到3.7毫米/年。日本沿岸在1906–2023年的整个时期内看不出上升趋势，但自20世纪80年代后期以来持续上升，2004–2023年为每年3.5毫米（经GPS校正的13个站点）。

三条解读原则

• 确认时期：起点和终点不同，斜率就会不同。
• 确认校正：地面运动和气压的影响是否已被排除。
• 确认变动：把自然波动与长期趋势分开来看。

沿海城市如何应对海平面上升，请参见沿海城市的气候变化适应一文；IPCC评估的背景请参见什么是IPCC海洋与冰冻圈特别报告。结合阅读，可以看到从观测到对策的联系。