南海周边相对海平面变化特征及2004年苏门答腊地震影响分析

周东旭，周兴华*，雷宁，2，王朝阳，2，唐秋华

(1. 国家海洋局第一海洋研究所，山东 青岛 266061；2. 山东科技大学 测绘科学与工程学院，山东 青岛 266590)



南海周边相对海平面变化特征及2004年苏门答腊地震影响分析

周东旭1，周兴华1*，雷宁1，2，王朝阳1，2，唐秋华1

(1. 国家海洋局第一海洋研究所，山东 青岛 266061；2. 山东科技大学 测绘科学与工程学院，山东 青岛 266590)

利用南海周边1989-2014年的潮汐资料和GPS长期观测资料，分析了南海周边相对海平面变化特征，以及2004年苏门答腊地震对该区域相对海平面变化的影响。研究结果表明，南海周边的相对海平面变化以上升为主，平均上升速率(4.53±0.20) mm/a，高于全球平均速率，且2004年后上升趋势加剧；南海周边相对海平面呈现6类较典型的变化特征，并存在与板块构造相对应的分区聚集现象，形成了中国东南和越南沿海、马来半岛、加里曼丹岛北部、菲律宾群岛等4个变化特征区。受2004年苏门答腊大地震的影响，马来半岛、南沙和西沙海域的地壳形变由上升趋势转为下沉，加剧了相对海平面的上升；中国东南沿海和菲律宾群岛受地震影响较小；越南沿海和加里曼丹岛北部区域的地震影响还有待进一步研究。

南海；相对海平面变化；苏门答腊地震；地壳形变

1 引言

南海拥有众多岛礁(尤以低潮露出水面的礁坪、礁石居多)，渔业、石油资源丰富，沿岸人口密集。随着全球气候变暖、海平面持续上升，该区域已成为当前海平面变化研究的一大热点。特别是近年来随着卫星测高数据的不断积累，众多学者对南海区的绝对海平面变化开展了大量研究[1—8]，但对直接反映海岸侵蚀、海水入侵等灾害信息的相对海平面变化研究较少。另外，在2004年苏门答腊地震影响下，泰国湾与新加坡区域验潮站的地壳形变趋势发生了显著改变[8—9]，加剧了该区域的相对海平面上升。因此，在分析南海海平面现今变化时，有两大问题需要思考：(1)2004年苏门答腊地震对南海海平面变化的影响范围有多大？(2)在该地震背景下，南海近期的相对海平面又具有怎样的变化特征？解析上述问题，对我们研究和掌握南海的相对海平面变化具有重要意义。

为此，本文收集了南海周边1989—2014年的验潮数据和GPS长期监测资料，以2004年苏门答腊地震为背景，探讨和研究南海的相对海平面变化特征及其地震影响。

2 数据与方法

2.1 数据来源

基于以下3项筛选原则：(1)验潮站尽可能均匀分布于南海周边；(2)包含1989—2014年期间的数据；(3)数据完整率大于70%，收集了南海及其周边34个验潮站的潮汐数据。同时，为判定2004年苏门答腊地震的影响范围，从中国东南沿海和琉球群岛区域各选取4个站的潮汐资料一起进行分析。上述42个验潮站的潮汐数据均为PSMSL(Permanent Service for Mean Sea Level)提供的月均RLR(Revised Local Reference)数据。验潮站位置分布详见图1。

图1 验潮站分布图Fig.1 Distribution of the tide gauges

2.2 潮汐数据分析

2.2.1 异常数据剔除与补缺

(1)

式中，σ、V、g分别为分潮的角速度、天文相角和迟角，hi为潮汐观测值，a0为平均海面，a1为海面线性变化量。分潮直接选用周期分别为0.5、1、4.42、8.8、9.3、18.61年的理论天文分潮[10]。

然后，重复上述步骤，直至无异常值剔除为止。

2.2.2 相对海平面变化趋势提取

利用一元线性回归方程和最小二乘原理提取各验潮站的相对海平面变化速率。

(2)

式中，h(t)为预处理后的潮汐月均RLR数据，a0为平均海面，a1为海平面变化率，t为时间，单位：月。

3 海平面变化特征分析

地震发生时常伴随地壳的形变和断层位移，地壳的垂直形变会造成验潮读数参考点和验潮基准点高程的同步改变，但对海水面变化影响甚微，地壳形变量最终以误差形式进入到验潮观测中，并影响相对海平面的分析结果。已有研究表明，地震诱发的验潮站地壳突变，不仅扰动地震期间的潮汐观测量[11—12]，对相对海平面的长期变化趋势也有重要影响[13—15]。

基于上述研究，本文首先计算南海区各验潮站1989—2014年期间的相对海平面变化速率；然后再将验潮站潮汐资料分为震前(1989—2004年)和震后(2005—2014年)两个阶段，分别计算其海平面变化速率；最后通过比较3个时间段的海平面变化速率，分析南海区相对海平面在2004年苏门答腊地震背景下的变化特征。42个验潮站的相对海平面变化速率计算结果详见表1。其中，中国清澜和菲律宾艾琳港2个验潮站，由于数据缺失仅计算了某一时段的相对海平面变化。

表1 各验潮站的相对海平面变化速率

续表1

注：表中均值计算不包含纽岛和圣琼斯站。

表1中，塞京卡特站的海平面呈下降趋势，表明该站区域的地壳以较大的速率在上升，与该站位于加里曼丹岛西北侧上升区相对应；马尼拉相对海平面上升速率偏高与其受径流、季风、西太平洋暖池区等多因素影响相关。此外，纽岛和圣琼斯站海平面变化与邻近区域差异大，分析原始数据发现，纽岛站2001年前后的数据格式不统一，致使计算结果存在偏差；圣琼斯站在1998—2001年期间频繁变换参考基准，潮汐时间序列趋势失真。因此，在后续分析中纽岛和圣琼斯站暂不采纳。

3.1 相对海平面变化的区域与时间特征

由表1结果可知，1989—2014年期间，南海周边相对海平面平均上升速率(4.53±0.20) mm/a，高于1993—2010年的全球平均速率(IPCC：(3.2±0.4) mm/a)约1.3 mm/a。其中，菲律宾群岛海域的平均海平面上升速率最高，达到(9.42±0.18) mm/a，远大于南海其他区域， Cazenave和Nerem[16]、Zuo等[17]分析认为该区域海平面上升速率偏高主要受西太平洋暖池区的影响；其次为马来半岛东部海域，平均海平面上升速率(4.35±0.23) mm/a，略低于南海平均速率；加里曼丹岛北部和中国南部沿海的海平面上升速率一致，分别为(3.59±0.17) mm/a和(3.55±0.17) mm/a，小于南海平均速率约1 mm/a；西沙和南沙海域的相对海平面上升速率为(4.29±0.15) mm/a和(3.39±0.13) mm/a；越南沿海海平面上升速率(3.00±0.33) mm/a。此外，马来西亚塞京卡特验潮站周边的相对海平面呈现持续下降趋势，年均下降量达5 mm。分析可知，南海周边的相对海平面变化区域性差异显著。

震前南海相对海平面平均上升速率(3.66±0.29) mm/a，震后(14.90±0.50) mm/a，上升速率增幅11.23 mm/a。其中，加里曼丹岛北部和马来半岛东部沿海震后相对海平面上升幅度最高，分别为12.63 mm/a和12.51 mm/a；其次为西沙和南沙海域分别为11.31 mm/a和11.40 mm/a；再次为越南沿海10.97 mm/a；中国南部沿海增幅9.54 mm/a，略低于南海区域平均增幅；菲律宾群岛海平面上升增幅最小7.93 mm/a。根据AVISO多卫星海平面异常格网数据，南海区绝对海平面上升速率震前(4.29±0.41) mm/a，震后(10.44±0.44) mm/a，上升增幅6.15 mm/a。南海震后的相对与绝对海平面上升均呈增大趋势，但各区域的相对海平面上升速率大于南海绝对上升均值，其中是否包含地震因素的影响，值得进一步思考。

3.2 相对海平面变化的分类与分区特征

逐一对比分析各验潮站在震前、震后及整个观测期的相对海平面变化速率发现，42个站的相对海平面呈现6类较为典型的变化特征(图2)，并存在较为显著的聚集分区现象，而且聚集分区与南海的板块构造[18—19]具有良好的对应关系(图3)。

南海周边相对海平面的6类变化特征及其分布区域和对应板块如下：

图3 南海相对海平面变化特征分区与板块构造Fig.3 Characteristic regions of relative sea level changes and plate tectonics in the South China Sea

第1类：震后海平面上升加剧，1989—2014年的平均上升速率大于震前速率。该类变化特征主要集中于马来半岛东部，多分布在马来巽他板块内。

文献[15]中Goldreich提出安全性约减理论，该理论提出如果一个协议能够使用f安全的计算g，则称g可安全约减成f。

第2类：震后海平面上升加剧，1989—2014年的平均上升速率小于震前速率。该类变化特征主要分布在中国东南和越南沿海，位于华南板块和印支板块内。

第3类：震后海平面上升加剧，1989—2014年的平均上升速率与震前相一致。该类变化特征集中在菲律宾群岛。

第4类：海平面变化以下降为主，仅马来西亚塞京卡特站呈现该类特征。

第5类：震前海平面下降，震后上升，海平面变化随时间波动大。该变化类型主要表现在越南归仁和马来西亚拿笃验潮站。

第6类：震后海平面上升减缓或下降，1989—2014年的平均上升速率小于震前速率。该变化类型集中在琉球群岛，即欧亚板块和菲律宾海板块交界处。

上述6类海平面变化特征中，1、2、4、5类在加里曼丹岛北部均有分布，即区域海平面变化相对复杂，与该区域分布有西北婆罗洲地槽、卢帕河和默拉吐斯断裂带[19—20]等具有较好的对应。

因此初步分析认为，南海区相对海平面变化特征的分类分区聚集现象，与该区域的板块构造存在一定关联性。

4 苏门答腊地震对相对海平面变化的影响分析

研究表明[11—15]，地震对相对海平面变化的影响，可以通过分析地震前后的地壳形变进行判断；还可通过对比地震前、后的相对海平面长期变化趋势，反推地壳形变，进而分析地震影响。本文基于南海周边的潮汐资料和7个GPS长期观测站的地壳形变监测结果，分区块研究2004年苏门答腊地震对南海相对海平面变化的影响。

图4和图5分别为新加坡南洋理工IGS站、泰国阁兰岛和春蓬河验潮站在地震前后的地壳形变，3站均位于马来巽他板块。其中，南洋理工IGS站位于马来半岛南端，阁兰岛和春蓬河验潮站位于马来半岛北端的泰国湾顶。

3个站的地壳形变趋势在震后均发生显著改变，可初步判定2004年苏门答腊地震对马来半岛区域具有直接影响，主要表现在诱发该区域的地壳下沉，进而加速相对海平面的上升。

4.2 越南沿海区域

越南沿海各验潮站位于印支板块，其相对海平面变化呈震后显著增大趋势。在缺少沿海GPS资料支持情况下，目前还难以判定相对海平面上升趋势加速与2004年苏门答腊地震的关联。

4.3 西沙、南沙海域

西沙和南沙验潮站缺少2004年苏门答腊地震前的GPS观测资料，无法直接判断地震前后的地壳形变变化。但两站位于南海深处，周边的卫星测高数据质量高，可通过绝对海平面与相对海平面变化速率作差的方式，获取验潮站的地壳垂直形变量。因此，本文利用西沙和南沙的验潮数据(获取相对海平面变化速率)和验潮站周边1°范围内的AVISO SLA格网数据(提取绝对海平面变化速率)，分析地震前后的地壳形变(表2)。

由表2结果可知，西沙和南沙海域的地壳形变在震前以上升为主，震后转为下降趋势，表明西沙、南沙海域也受到了2004年苏门答腊地震的直接影响。同时表2显示，忽略地震影响，1993—2014年两海域的整体地壳则在缓慢上升，该趋势与真实地壳形变差距甚远，这提示我们在利用潮汐资料研究海平面变化时，应特别注意地震因素的影响。

图4 新加坡南洋理工IGS站地壳垂直形变Fig.4 Vertical crustal deformation of IGS station (NTUS)

图5 泰国春蓬河和阁兰岛验潮站地壳垂直形变(摘自文献[8]，WGS84椭球高)Fig.5 Vertical crustal deformation of CHON and BANH stations(cited from reference [8])

验潮站数据类型1993—2004年2005—2014年1993—2014年海平面相对变化/mm·a-14112154西沙海平面绝对变化/mm·a-1559757地壳形变/mm·a-114-2403海平面相对变化/mm·a-12813739南沙海平面绝对变化/mm·a-15712948地壳形变/mm·a-129-0809

4.4 中国东南沿海

为分析2004年苏门答腊地震前后中国东南沿海的地壳形变，从中国大陆构造环境监测网络 (http://neiscn.org/chinsoftdmdsltwlindex.jhtml) 摘选了海南琼中、广州和厦门3个长期GPS观测站1999—2014年的地壳形变时间序列图(图6)。

3站的地壳形变时间序列显示，在地震期间(图6中蓝色纵线标注)各站的观测序列均存在一定跳变，但地壳形变趋势和速率在地震前后相对稳定。因此，可初步认为2004年苏门答腊地震对中国东南沿海的地壳形变影响较小，地壳形变无趋势性改变。

图6 中国东南沿海GPS站地壳垂直形变Fig.6 Vertical crustal deformation of China southeast coast

图7 菲律宾马尼拉IGS站地壳垂直形变Fig.7 Vertical crustal deformation of IGS station (MANILA)

4.5 菲律宾群岛

根据SONEL (http://www.sonel.org) 提供的菲律宾马尼拉IGS站1999-2011年的U方向时间序列(图7)，得到该站震前的地壳上升速率为3.3 mm/a，震后为2.7 mm/a，地壳整体上升速率3.1 mm/a，地震前后地壳形变较为稳定，且变化趋势与该区域相对海平面变化吻合。由分析结果可知，菲律宾群岛地壳形变较为稳定，受2004年苏门答腊地震的影响不显著。

4.6 加里曼丹岛北部

加里曼丹岛北部8个验潮站的相对海平面变化复杂，且受构造运动影响，地壳运动较为剧烈。在缺少GPS资料辅助下，目前还难以有效分析2004年苏门答腊地震对该区域海平面变化的影响。但由塞京卡特站的地壳形变特征可知，该区域即使受到2004年苏门答腊地震的影响，其影响机理也与马来半岛区域相异。

5 结论

基于南海周边的潮汐和GPS资料，初步分析了南海周边近25年的相对海平面变化特征，以及2004年底苏门答腊地震对南海海平面变化的影响。

(1)除马来西亚的塞京卡特海域，南海周边相对海平面变化均以上升为主，平均上升速率(4.53±0.20) mm/a，且2004年后呈加速上升趋势。而且南海周边不同区域的相对海平面上升速率存在显著差异。

(2)在2004年苏门答腊地震背景下分析发现，南海周边的相对海平面变化呈现6种较显著的变化特征，相同变化特征的验潮站存在聚集现象，形成了中国东南和越南沿海、马来半岛东部、加里曼丹岛北部、菲律宾群岛4个相对海平面变化特征区，并且4个特征区分布与南海区域中小板块构成具有良好的对应关系。

(3)2004年苏门答腊地震诱发马来半岛、南沙和西沙海域的地壳形变由震前上升趋势转为震后下沉，加剧了该区域的相对海平面上升；中国东南沿海和菲律宾群岛受地震影响较小，不存在地壳形变趋势的突变或速率的显著变化；越南沿海和加里曼丹岛北部区域由于GPS资料稀疏，相对海平面变化复杂，地震影响有待进一步研究。

致谢：感谢PSMSL提供的潮汐数据，感谢SONEL和中国大陆构造环境监测网络提供的GPS时间序列数据，感谢AVISO提供的卫星高度计数据。

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Studying the characteristics of relative sea level change surrounding the South China Sea and the impact of 2004 Sumatra earthquake

Zhou Dongxu1， Zhou Xinghua1， Lei Ning1，2， Wang Zhaoyang1，2， Tang Qiuhua1

(1.TheFirstInstituteofOceanography，StateOceanicAdministration，Qingdao266061，China; 2.CollegeofGeometrics，ShandongUniversityofScienceandTechnology，Qingdao266590，China)

Using global positioning system (GPS) and tide gauge (TG) data surround the South China Sea during the period 1989 to 2014， the characteristics of relative sea level change and the effects of the 2004 Sumatra earthquake is analyzed. The research shows that relative sea level is rising surrounding the South China Sea with the rate (4.53±0.20) mm/a which is higher than globally averaged sea level rise， and this trend has been intensified after 2004. Surrounding the South China Sea there are six categories of relative sea-level changes， each has its own style. Corresponding with the plate tectonics， four regions with typical characteristics in sea-level rising have formed: southeast coast of China and Vietnam coast， the Malay Peninsula， the northern part of Kalimantan Island and the Philippine Islands. The earthquake stopped the crustal arise and made Malay Peninsula， Nansha and Xisha in China sink violently， accelerating the rate of relative sea level rising，but has little impact on Chinese southeastern coast and the Philippines， the impact on the northern region of Kalimantan Island and Vietnam coast need follow-up study．

South China Sea; relative sea level; Sumatra earthquake; vertical movement

2015-11-24；

2016-04-06。

全球海平面上升对我国典型区域海平面的影响研究(2012CB957704)；国家海洋局GNSS业务运行项目。

周东旭(1982—)，男，山东省金乡县人，主要从事长期海平面变化与验潮站地壳形变等方面研究。E-mail:zhoudongxu12@163.com

周兴华(1964—)，男，重庆市人，研究员，从事海洋测绘相关研究。E-mail:xhzhou@fio.org.cn

P731.34

A

0253-4193(2016)11-0049-11

周东旭，周兴华，雷宁，等. 南海周边相对海平面变化特征及2004年苏门答腊地震影响分析[J]. 海洋学报， 2016， 38(11): 49-59， doi:10.3969/j.issn.0253-4193.2016.11.005

Zhou Dongxu， Zhou Xinghua， Lei Ning， et al. Studying the characteristics of relative sea level change surrounding the South China Sea and the impact of 2004 Sumatra earthquake[J]. Haiyang Xuebao， 2016， 38(11): 49-59， doi:10.3969/j.issn.0253-4193.2016.11.005