中国东南沿海现代海平面上升打破四千年稳定期：基于地质代用指标与验潮仪数据的时空分层建模揭示全新世海平面收支与人类活动影响

《Nature》：Modern sea-level rise breaks 4,000-year stability in southeastern China

本研究通过整合地质海平面代用指标与验潮仪数据，构建时空分层模型，揭示自1900年以来全球平均海平面上升速率（GMSL，1.51±0.16 mm yr?1）已超过过去四千年任何世纪，打破中国东南部长期稳定格局；同时发现现代城市沉降（VLM）至少94%由人类活动驱动，局部沉降速率常超过GMSL上升，凸显全球海平面加速与局部沉降叠加对高人口密度沿海地区的重大威胁。

　　

海平面收支背景

海平面变化作为气候变化的直接指标，对沿海社区构成重大风险。准确的海平面预测对于管理这些风险至关重要，需要全面理解不同时空尺度上运作的各种海平面变化机制。海平面收支研究通过比较每个物理过程估计值的总和与观测到的海平面变化来验证我们对海平面变化的理解。由于仪器海平面观测数据有限，大多数卫星和验潮仪数据分别覆盖不到30年和60年，因此大多数海平面收支研究集中在20至21世纪。尽管这些研究有效解释了1900年后的海平面收支，但这一时期代表了一个单一的变暖和海平面上升模式，处于地质上温和的基线内，可能无法捕捉到长期海洋-冰盖动态的全范围，凸显了在更广泛的地质背景下评估近期变化的必要性。

全新世海平面收支

从不同地质和地貌环境收集的海平面数据库揭示了显著的时空变异性，由几个潜在的物理过程驱动。在整个全新世，全球平均海平面（GMSL）上升——由北美、格陵兰、斯堪的纳维亚和南极洲的大陆冰融化驱动——成为中国海平面变化的主要驱动因素。与Creel等人和ICE-6G_C的全新世GMSL重建相比，我们的估计表明在早至中全新世GMSL显著较低。然而，早期全新世GMSL重建仍然是一个开放的研究问题，所有方法都存在很大的不确定性，特别是关于南极冰盖的贡献。

除了GMSL分量之外，还有四个海平面收支分量表现出空间变异性，导致局部相对海平面（RSL）与GMSL曲线显著偏离。与冰消期融化相关的重力、旋转和形变（GRD）效应（通过GIA模型模拟）在远场区域（即远离先前冰盖边缘的区域）空间上平滑。主要变异性来自大陆架的地貌，它决定了海洋负载侵入的容纳空间，从而影响固体地球变形的幅度。

GRD效应包括一个缓慢衰减的粘性变形分量，与冰盖融化引起的重力和旋转效应的近瞬时响应形成对比，并从理论上表明，当GMSL接近现代水平时（所谓的中全新世海平面高位），中国海岸线的海平面在整个中到晚全新世持续下降。然而，海平面数据库揭示了更复杂的模式，可归因于垂直地壳运动（VLM）。例如，在主要三角洲区域，如长江三角洲（YRD）、珠江三角洲（PRD）和韩江三角洲（HRD），没有记录到中全新世高位。

我们的模型通过一个时间线性且局部变化的核捕捉这些长期复杂性，得出在全新世期间，千年平均VLM速率范围从1.00±0.22 mm yr^?1的抬升到1.37±0.16 mm yr^?1的沉降。在具有大量沉积物输入的沉积环境中，如三角洲平原，我们的重建揭示了空间一致的沉降信号。这些发现与这些主要三角洲的钻孔数据一致，表明全新世沉积物沉积深度从10米到超过70米不等，最深的沉积出现在台州、潮州和近海PRD附近。这些发现与我们长期沉降信号一致，证实了模型识别沉积过程导致额外沉降区域的能力。

另一方面，强烈的抬升信号沿着构造活跃的东南海岸线很明显。该地区位于欧亚板块东部的活动边缘，毗邻太平洋和菲律宾海板块。菲律宾和太平洋板块向台湾和福建的碰撞和俯冲导致了区域性和持续性的抬升。福建海岸线附近的抬升速率最高，达1.00±0.22 mm yr^?1，其次是广东和海南，抬升速率分别高达0.67±0.17 mm yr^?1和0.51±0.18 mm yr^?1。中国东南部构造诱导抬升速率的这种整体纬度梯度与从海洋同位素阶段5海成阶地推导出的构造抬升速率估计非常一致。由构造和GRD效应结合的抬升信号因此解释了福建东部异常高的中全新世海平面高位。

由于中国海岸线复杂和局部化的地质和地貌条件，线性项捕捉了高度局部化的模式。例如，福州东部海岸线表现出强烈的抬升信号，而西部靠近福州盆地的地区则显示轻微沉降。这种沉降可能是由东北向和西北向断层驱动的，这些断层与福州盆地的局部沉降有关，以及由5-40米全新世沉积物沉积驱动的沉积过程。在广东的PRD和HRD附近也观察到类似的变异性，其中局部构造活动与沉积过程可能共同解释了我们模型预测的从抬升到沉降信号的快速转变。

除了长期线性趋势之外，我们的区域非线性项揭示了多百年尺度的RSL波动。早中全新世海平面数据的高不确定性，加上几个物理过程（例如，潮差变化、河海过渡期间的快速沉积变化以及沉积物对海陆边界的改变）的重叠影响，使这一时期难以解释。因此，我们的分析集中在过去5000年，这一时期沿海环境稳定，潮差接近现代条件。

区域非线性项最独特的空间特征是在几个时期中国东部（靠近YRD）和中国南部（福建和广东）之间类似偶极子的模式。例如，在4500至4400 BP期间，该项在YRD附近贡献了高达1.02±0.91 mm yr^?1的海平面上升，同时在福建-广东海岸线驱动了高达1.63±0.88 mm yr^?1的海平面下降——在1500至1400 BP期间也观察到类似模式。相反，在2350至2250 BP期间，出现了相反的模式，YRD附近海平面下降高达0.37±0.78 mm yr^?1，而南部地区海平面上升高达1.84±0.79 mm yr^?1。这些百年尺度的海平面振荡也被南海、南亚和澳大利亚的高分辨率珊瑚微环礁海平面重建在中到晚全新世期间观察到。

一些古气候代用指标和动态模拟研究将区域变化的RSL变化与内部气候变率（ICV）联系起来，ICV由气候系统组件内部和之间的复杂相互作用驱动，并通过改变海洋动力学影响海平面。在中国，关键的ICV驱动因素——厄尔尼诺-南方振荡（ENSO）和太平洋年代际振荡（PDO）——通常通过改变风模式、海洋温度、季风雨带和黑潮，在东部和南部区域之间产生异步降水和RSL对比。一项最近的现代海平面收支重建显示，这些效应在1920-1980和1950-2010期间在中国东部和南部产生了强烈的海平面变化区域对比，与我们全新世重建中识别的偶极子模式紧密匹配。

ICV与区域非线性项之间的联系得到了几个古环境记录的支持。古洪水沉积物作为理想的指标，反映了降水、河流流量和区域海洋动力变化的综合影响，特别是在大多数古海平面数据形成的河口环境中。YRD和PRD的重建揭示，PRD（中国南部）的显著洪水事件通常与中国中东部降水减少同时发生，反之亦然，紧密反映了我们RSL重建中观察到的偶极子模式。地层分析在YRD下部识别出两个分米厚的洪水沉积层，分别位于4510 BP（4610-4410 BP）和4370 BP（4450-4290 BP），与我们重建的区域海平面上升时期重合，处于中国中东部一个显著湿润的时期（根据石笋数据推断）。使用分析模型，由钱塘江（YRD）干湿条件转变引起的河流流量异常可以解释数十厘米的海洋动力海平面上升，部分解释了观察到的区域海平面上升。类似地，洪水沉积分析表明，PRD在4310 BP（4390-4230 BP）和2190 BP（2265-2115 BP）经历了两次千年一遇的洪水，两者都可能与区域海平面上升时期重合。此外，孢粉和风成沙丘分析表明，在大约3000 BP之后，福州盆地附近从海洋河口环境快速海退为湿地和浅沼泽，这与我们重建中区域下降的RSL趋势紧密一致。

最后，局部非线性项主要反映特定地点的RSL变异性，如水文气候变化或地震事件，通常贡献小于0.3米的RSL变化。例如，与几个新石器和青铜时代文化相关的古代人类活动已被证明显著改变了局部水文系统。然而，由于RSL代用指标中存在大量噪声以及用高斯过程（GP）模拟突变事件（例如，地震）的困难，从当前中国RSL数据库中区分有意义的局部信号仍然具有挑战性。

现代海平面收支

利用对地质海平面收支的详细理解，我们进一步评估了中国东南部的现代海平面演化与其地质基线的对比。现代海平面收支的一个突出特征是由持续的大气和海洋变暖驱动的加速GMSL上升，这与人为强迫有关，加剧了冰川和冰盖融化以及海洋热膨胀。我们的重建表明，在工业化前的晚全新世（2250 BCE–1800 CE），GMSL上升速率保持稳定，平均速率为0.12±0.29 mm yr^?1。到1800 CE，接下来十年GMSL上升的概率为40.7%。这种稳定性在19世纪被突然打破，GMSL上升速率从上半叶的0.10±0.18 mm yr^?1加速到下半叶的0.76±0.23 mm yr^?1，与先前研究中现代海平面上升出现时间（1825至1873 CE之间）非常吻合。因此，到1860 CE，十年尺度GMSL上升的概率激增至94.1%，并且到1880 CE，几乎可以确定在所有后续十年中GMSL将继续上升（P≥0.99）。

二十和二十一世纪经历了GMSL上升速率的持续加速，导致1900至2020 CE期间平均速率达到1.51±0.16 mm yr^?1。极有可能（P≥0.95）该速率超过了过去40个世纪中任何世纪的速率。如此快速的GMSL上升打破了从大约4200 BP到19世纪中期持续存在的4000年稳定性，并重塑了中国现代海平面收支，与晚全新世相比。为了评估全新世内不同时期的海平面收支演变，我们分析了中国东南部20个主要沿海城市每个分量的百分比贡献，平均这些结果得出这些沿海城市海平面收支的综合视图。1900年后海平面收支的一个定义性特征是GMSL信号的压倒性影响，其贡献从工业化前全新世的19.6±0.2%增加到79.0±1.0%，使其成为RSL变化的主要驱动因素。相比之下，在晚全新世主导RSL变化的GRD和区域非线性分量自1900 CE以来已成为相对次要的贡献者。这一发现通常与现代仪器数据分析一致，该分析将1900年后中国RSL变化的85.8%归因于GMSL上升，10.9%来自GRD效应，3.2%来自海洋动力效应。总的来说，这些变化突出了海平面收支向GMSL主导的系统性转变，类似于早中全新世的条件。

除了加速的GMSL之外，沿海城市的人为诱发沉降已成为过去一个世纪海平面收支的一个关键特征，对全世界沿海城市构成重大威胁。尽管现代仪器技术，如全球导航卫星系统（GNSS）和干涉合成孔径雷达（InSAR），提供了近几十年的精确VLM估计，但这些测量捕捉了自然和人为VLM的综合效应。我们的地质重建可以作为一个关键的补充资源，实现自然和人为诱发VLM之间的比较。

我们首先验证了我们的地质VLM估计（包括线性项和GIA诱发VLM的组合，不包括GIA诱发的大地水准面变化）与GNSS数据以及最近基于GNSS、验潮仪和卫星测高的全球VLM产品。由于人类活动主要驱动单向沉降（例如，地下水抽取和基础设施建设），而抬升信号主要反映自然变异性，我们将我们的自然VLM速率与抬升的GNSS站（速率>0.1 mm yr^?1）进行比较。在八个抬升的GNSS站（五个来自香港，三个来自福建-台湾海岸线）中，我们的自然VLM估计解释了总方差的64.6%（P=0.02；均方根差（r.m.s.）=0.2 mm yr^?1）——考虑到我们的重建捕捉了千年尺度的VLM变化，而GNSS观测仅覆盖7-28年，这是一个相当大的比例。此外，从我们的线性项推导出的空间VLM模式与最近研究中报告的模式紧密一致，两者都显示YRD和PRD地区广泛的沉降以及福建海岸线的抬升。这种一致性强调了我们重建在量化自然VLM方面的可靠性。

当比较自然沉降与现代沉降观测时，与主要在城市化程度较低地区发现的抬升信号相比，出现了强烈的差异。我们的地质VLM估计在九个沉降GNSS站（速率<-0.1 mm yr^?1；七个来自香港，一个来自福建-台湾海岸线，一个来自上海）仅解释了6.2%的方差（P=0.52；r.m.s.=0.9 mm yr^?1），突出了自然地质过程对现代观测沉降的最小贡献。相反，人为诱发沉降被广泛认为是快速沉降的主要驱动因素。与通常在地质时间尺度上稳步进行的地质VLM不同，人为VLM——由城市建筑、地下水抽取和土地开垦等活动驱动——主要特点是高频变异性，其速率可能超过自然速率几个数量级，但其影响可以通过有效的适应性管理策略（例如，加强地下水监管）大大减轻。

使用最近的基于InSAR的中国VLM重建（该重建将GNSS点测量扩展到城市级别的空间覆盖，分辨率为40米（2015-2022 CE，这是中国广泛城市发展的时期）），我们评估了20个主要沿海城市的地质和人为对现代沉降的贡献。我们的分析表明，与全新世冰消相关的GRD效应在中国东南部产生了0.15–0.23 mm yr^?1的抬升速率，在大多数地点超过了线性项的沉降信号。因此，自然沉降仅预期在三角洲环境中发生，如杭州、潮州和汕头。相比之下，InSAR测量显示，除苏州和东莞外，几乎所有城市都普遍存在城市沉降。假设InSAR VLM测量代表自然和人为因素的综合信号，我们的重建分离出人为诱发沉降。由于地质VLM在中国东南部主要表现为抬升，从InSAR测量中减去该分量揭示了更大的人为沉降水平，反映为>100%的人为比率（城市中位数人为VLM除以InSAR VLM测量值）。在所有沉降城市中，人为沉降至少占总沉降的94%（19个城市中有17个超过98%），进一步强调了人为因素在现代沉降信号中的主导作用，而不是主要影响抬升的地质因素。

最高的InSAR沉降速率出现在潮州（5.6±3.0 mm yr^?1，城市中位数）、福州（5.0 mm yr^?1）、绍兴（5.0 mm yr^?1）、汕头（4.8 mm yr^?1）和杭州（4.2 mm yr^?1）。这些位置与我们线性项指示沉降的区域紧密对应。尽管福州的线性项中位数通常指示抬升，主要是由于东海岸的强烈信号，但西盆地显示沉降速率高达0.3±0.3 mm yr^?1。如“全新世海平面收支”部分所述，线性项主要反映局部地质条件，特别是可能影响现代VLM的全新世沉积物厚度。当施加在厚而松散的全新世沉积物上时，道路建设、地下开发和建筑项目等城市活动可能加剧自然沉积物压实和固结，使我们线性项识别的沉降区域（图2a）特别容易受到快速人为沉降的影响。将人为VLM纳入海平面收支揭示了与地质基线的进一步偏离。与由GMSL或区域过程主导的地质海平面收支变化不同，几乎可以肯定（P≥0.995），除东莞（P=0.98）外，每个由InSAR测量的城市区域至少5%表现出局部沉降速率超过GMSL上升（4.06±0.35 mm yr^?1）。

总的来说，中国东南部人口密集的沿海地区现在面临从全球到局部尺度的系统性海平面挑战。在全球范围内，GMSL正以至少四千年来的最快速度上升，多条证据表明由海洋变暖和日益增加的大陆冰损失驱动的持续加速。在区域上，地质和仪器重建都揭示，与ICV相关的变率产生了数十年尺度的海平面波动，大大放大了区域海平面上升，并导致了显著的洪水事件，尽管由于其混沌性质，这种不确定性在很大程度上仍然不可减少。在局部，广泛的城市化引发了快速的沉降，其速率可能超过GMSL上升几个数量级，最高人口密度集中在极易受人為沉降影响的沉积环境（例如，YRD和PRD）之上。这些汇聚的因素强调需要基于当地海平面收支制定城市特定的适应性管理策略，以减轻中国人口密集海岸线的暴露风险。

结论

我们提出了首个中国东南部全新世海平面收支的过程相关重建。经过多个古环境代用指标和现代仪器数据的验证，我们的发现增强了对更广泛地质背景下中国海平面收支的理解。尽管由冰消期冰质量损失驱动的GMSL上升是全新世期间中国海平面变化的主要贡献者，但到工业化前的晚全新世，区域和局部的海平面变率——可能由构造活动、沉积过程和ICV驱动——在GMSL稳定后成为几个地点海平面变化的主要驱动因素。这种稳定性在19世纪被突然打破，因为GMSL上升速率从1800-1850年期间的0.10±0.18 mm yr^?1加速到1900至2020年间的1.51±0.16 mm yr^?1，标志着过去四千年中任何世纪观察到的最快速率。

长期自然VLM，由多样化的地质和地貌环境塑造，在驱动全新世期间空间海平面变率方面发挥着关键作用。随着中国广泛的城市化，虽然自然过程仍然是观测到的土地抬升的主要驱动因素，但人类活动已成为大多数沿海大都市区沉降的主要来源。这种转变在三角洲和盆地环境中尤为明显，其中人为诱发沉降常常加剧已经相当大的自然沉降信号。局部快速城市沉降和加速GMSL上升的综合影响标志着与中国地质海平面收支的显著背离。如果没有有效的城市级适应性风险管理策略，从全球到局部的复合海平面上升可能对中国人口密集的沿海社区的可持续性和韧性构成关键挑战。