中國近海海平面變化半經驗預測方法研究

李響，張建立，高志剛

（國家海洋信息中心，天津 300171）

中國近海海平面變化半經驗預測方法研究

李響，張建立，高志剛

（國家海洋信息中心，天津 300171）

由于用數值模式預測未來海平面變化存在很大的不確定性，而統計預測方法又通常不考慮相關物理過程，為此Rahmstorf通過建立海平面變化與全球氣溫變化的相關模型，提出了一個可行的半經驗方法預測全球海平面。本文將Rahmstorf模型應用于中國近海，初步建立了一個在氣候變暖背景下中國近海海平面長期變化的預測方法，預測結果表明到21世紀末中國近海海平面將比20世紀末上升28～64 cm，略高于全球平均水平。

海平面；長期變化；半經驗預測；中國近海

1 引 言

海平面上升是緩發性災害，已經成為人類的主要威脅之一[1]。海平面持續上升將加劇中國沿海地區土地淹沒、風暴潮和洪澇災害，城市抗災能力降低，土壤鹽漬化加重，以及由咸潮入侵造成的水資源短缺，沿海地區建筑物安全及生態資源受到威脅，直接影響社會經濟發展和人民生產生活[2]。為此，研究中國近海海平面的變化規律及機制，預測全球氣候變暖條件下未來中國近海海平面上升程度，有助于科學評估和應對海平面上升可能造成的影響，有著重要的意義[3]。

IPCC第四次評估報告（AR4）指出：到21世紀末，相對于 20世紀最后 20年，海平面將上升0.18～0.59 m。由于這些預測是基于一些較低空間分辨率和有限物理過程的耦合氣候模式，所以他們不能準確的描述海平面變化相關的動力和熱力狀況[4]。海平面變化可由海水溫度升高導致的熱力膨脹、冰川和冰蓋融化引起的海水總量變化和海水鹽度變化等因素引起[5]，其中以冰蓋的潛在影響最大，當他們全部融化后將使全球海平面上升70 m。有證據表明冰蓋的變化正在加速，格陵蘭和西南極冰蓋近年來總共以大概每10年3.5 mm的速度加速海平面上升[6]；衛星探測到部分格陵蘭冰蓋正在變薄，冰被更加迅速的排放到海洋中去，使近 10年來海平面以每10年2.3～5.1 mm的速度上升[7]；西南極的冰蓋也表現出明顯的變薄趨勢[8]。

因此，預測海平面變化應綜合考慮海水比容變化和海水總量增加等因素。然而人們對冰川和冰蓋的動力學過程了解還非常有限，在目前的冰蓋模式中還未控制冰流對氣候變暖的響應過程，如融冰對冰床的潤滑作用[9]和冰架移動導致的冰流速率增加[10]。巨大的不確定性甚至存在于預測熱力膨脹以及估算高山冰川和冰帽的總量上[11]。更為重要的是，目前還沒有被大家公認的對格陵蘭和南極洲邊緣冰川和冰帽流失的預測。預計本世紀兩極的溫度會繼續升高，這些冰蓋如何變化是人們需要解決的一個關鍵問題。目前用給定表面變暖假設方案的物理模型來計算未來海平面變化的能力還非常有限，而且模式并不能完全重現近幾十年的海平面上升過程，用氣候模式和冰蓋模式計算的海平面上升率一般都低于觀測的速率，這些都對科學的預測海平面變化來很大的困難。由上說明可見，在氣候變暖情況下，主要考慮海水熱膨脹來預測海平面變化存在一定的局限性。

2 方 法

氣溫的變化是氣候變化的重要指標，20世紀以來全球平均氣溫已經上升了近 0.8℃[2]，造成南北極冰蓋融化，大量淡水注入海洋，進而改變海水鹽度[12]；同時，全球氣候變暖也使得海水溫度上升，引起海水的熱比容發生變化[13]，這些都是導致海平面上升的重要因素。研究表明：如果氣溫升高 1℃世界上主要的冰架將會在本世紀消失[2]，全球變暖2℃將足以破壞西南極冰蓋[14]。由此可見氣溫變化和海平面變化有著較強的相關性，預測海平面變化應充分考慮氣溫的影響。Rahmstorf[15]直接采用全球平均近表面氣溫估算海平面上升，以從 1880年至今的全球平均氣溫和海平面變化為基礎獲得預測海平面上升的半經驗模型，其中表面氣溫是氣候模式可以準確預測的變量。

圖 1 模型結構圖（根據Rahmstorf[15,16]整理，有部分修改）Fig. 1 Model structure (based on Rahmstorf[15,16], some modifications)

對預測結果的檢驗證明：在 10年尺度上，無論是否為線性趨勢該模型都是有效的[16-18]。Rahmstorf采用 IPCC TAR[19]氣候模式預測的表面氣溫，其預測的海平面上升范圍要高于IPCC AR4[2]的結論，考慮到IPCC預測的海平面上升要低于實際的觀測，所以此結果可視為折中的結論。盡管該模型還沒有直接包含非線性動力學過程產生的未來海平面極端變化的可能性，但由于以物理過程為基礎預測海平面上升的模型還不成熟，半經驗的模型可以作為一個實用的可選方案來評估未來海平面變化[4]。

3 中國近海海平面長期變化的預測

中國近海海平面長期變化與全球氣候變化密不可分，研究氣溫變化對全球海平面變化的影響，可以包含冰川融化引起的海水總量增加和鹽度降低以及海水溫度增加等因素，而海水溫度和鹽度變化又可引起海水比容變化對海平面上升產生綜合影響。中國近海海平面變化不但具有局地特征，還受制于全球海平面的變化，因此研究海平面變化對氣溫變化的響應可為深入研究中國近海海平面長期變化規律及機制、預測全球氣候變暖條件下未來中國近海海平面變化狀況提供科學依據。

圖 2 中國近海海平面變化率與全球氣溫變化擬合圖Fig. 2 Rate of China's sea-level change fit with the global temperature change

根據中國沿海 32個長期驗潮站的海平面變化數據，計算得到 1950－2007年中國近海海平面平均變化狀況，并進行擬合。由此計算得到中國近海海平面上升速率與全球氣溫變化的相關系數為0.94，線性擬合關系為Rate=1.4*T+2（圖2）。再根據此關系式預估未來 100年海平面變化的結果（圖 3），在不同二氧化碳排放情景下[20]，到 21世紀末中國近海海平面將比 20世紀末上升 28～64 cm，平均上升41.6 cm。此結果略高于IPCC第四次評估報告全球海平面變化的預估，與中國沿海海平面上升略高于全球的結論相一致。

圖 3 21世紀海平面變化預估Fig. 3 Sea level change projections for 21st century

根據驗潮結果表明中國沿海海平面上升速率要高于全球平均水平[21]。《中國氣候變化國家評估報告（2007）》[3]指出，在全球變暖的背景下，近百年來，中國地表平均氣溫升高幅度約為0.6～0.8℃，比同期全球平均略強，預計到 21世紀末中國地表氣溫將平均升高3.4～5.5℃。與之相對應，21世紀沿海地區氣溫仍將持續上升，在這種趨勢下，預計中國近海海平面也將呈明顯的上升趨勢。

4 結論和討論

中國近海海平面變化規律及預測是一個十分復雜的問題，雖然中國近海的海平面變化受局地環境因素影響，但與全球氣候變化和全球海平面變化密切相關。目前的研究已對中國近海特定海域、特定時段海平面變化有了一定的認識[22]。其中，已對氣候變暖引發熱比容增加導致海平面上升機制做了較為深入的研究[23]，但在海平面上升對氣溫變化的響應方面研究尚不夠深入。

目前我國海平面統計預測采用隨即動態模型為經驗的數學統計模型，不包含物理過程和機制，而數值預測模型發展還不夠完善不能有效的應用于海平面的長期預測，因此采用半經驗的模型可以彌補這些不足，不僅有助于充分認識中國近海海平面的變化規律，而且也為數值模式的參數化提供理論依據。

氣溫是全球氣候變暖的重要指標，氣溫的變化與冰川融化有著密切的關系。氣溫升高冰川融化使得海洋中海水的總量發生變化造成海平面上升，同時大量淡水注入海洋改變了海水的鹽度；氣候變暖引起海水溫度升高，導致海水的比容性質發生改變，進而使得海平面上升。因此，用氣溫變化作為主要的要素來研究海平面長期變化，直接或間接的包含了氣候變暖引發的冰川融化、海水溫度和鹽度的變化等因素。另外，表面氣溫是氣候模式能夠準確預測的變量，氣溫的預測結果易于獲得和應用。

本文將 Rahmstorf提出的半經驗模型應用于中國近海，建立了一個在氣候變暖背景下中國近海海平面長期變化的預測方法，預測結果表明到21世紀末中國近海海平面將比 20世紀末上升28～64 cm，略高于全球平均水平，預測結果與IPCC評估報告的結論相近。

中國近海海平面變化包括全球氣候變化引起的絕對海平面變化和地殼垂直運動、地面沉降引起相對海平面變化兩個部分，本文討論的海平面變化主要討論全球氣溫變化引發的絕對海平面變化，在此基礎上疊加局地相對變化可以獲得相對海平面變化，這些還有待進一步研究。

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Discussion on semi-empirical prediction method for sea level change of China

LI Xiang, ZHANG Jian-li, GAO Zhi-gang

（National Marine Data and Information Service, Tianjin 300171, China）

As using the numerical model to predict the future sea-level changes has a huge uncertainty, and the statistical forecasting methods usually do not take into account relevant physical processes, Rahmstorf developed a semi-empirical method of predicting global sea level, which established the relationship between global surface air temperature and mean sea level. This article applied Rahmstorf model to establish the sea level change prediction method of China under the climate warming. The predicted results show that the 21st century sea level of China will rise by 28～64 cm, slightly higher than the global average.

sea level; long-term change; semi-empirical prediction

P732. 6

A 1001-6932(2011)05-0540-04

2010-10-27；

2011-05-23

國家自然科學基金資助重點項目（40830746 )；國家海洋局青年海洋科學基金（2010214）；國家自然科學基金項目（40940025、41006002）；海洋公益性行業科研專項（200905001,201005019）。

李響 ( 1980－)，男，博士，副研究員，主要從事氣候變化與海平面上升研究。電子郵箱：lixiang@mail.nmdis.gov.cn。