李響，張建立，高志剛

（國(guó)家海洋信息中心，天津 300171）

中國(guó)近海海平面變化半經(jīng)驗(yàn)預(yù)測(cè)方法研究

李響，張建立，高志剛

（國(guó)家海洋信息中心，天津 300171）

由于用數(shù)值模式預(yù)測(cè)未來海平面變化存在很大的不確定性，而統(tǒng)計(jì)預(yù)測(cè)方法又通常不考慮相關(guān)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(guān)模型，提出了一個(gè)可行的半經(jīng)驗(yàn)方法預(yù)測(cè)全球海平面。本文將Rahmstorf模型應(yīng)用于中國(guó)近海，初步建立了一個(gè)在氣候變暖背景下中國(guó)近海海平面長(zhǎng)期變化的預(yù)測(cè)方法，預(yù)測(cè)結(jié)果表明到21世紀(jì)末中國(guó)近海海平面將比20世紀(jì)末上升28～64 cm，略高于全球平均水平。

海平面；長(zhǎng)期變化；半經(jīng)驗(yàn)預(yù)測(cè)；中國(guó)近海

1 引 言

海平面上升是緩發(fā)性災(zāi)害，已經(jīng)成為人類的主要威脅之一[1]。海平面持續(xù)上升將加劇中國(guó)沿海地區(qū)土地淹沒、風(fēng)暴潮和洪澇災(zāi)害，城市抗災(zāi)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(qū)建筑物安全及生態(tài)資源受到威脅，直接影響社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和人民生產(chǎn)生活[2]。為此，研究中國(guó)近海海平面的變化規(guī)律及機(jī)制，預(yù)測(cè)全球氣候變暖條件下未來中國(guó)近海海平面上升程度，有助于科學(xué)評(píng)估和應(yīng)對(duì)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(píng)估報(bào)告（AR4）指出：到21世紀(jì)末，相對(duì)于 20世紀(jì)最后 20年，海平面將上升0.18～0.59 m。由于這些預(yù)測(cè)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(zhǔn)確的描述海平面變化相關(guān)的動(dòng)力和熱力狀況[4]。海平面變化可由海水溫度升高導(dǎo)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(dāng)他們?nèi)咳诨髮⑹谷蚝Ｆ矫嫔仙?0 m。有證據(jù)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(wèi)星探測(cè)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(xiàn)出明顯的變薄趨勢(shì)[8]。

因此，預(yù)測(cè)海平面變化應(yīng)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(duì)冰川和冰蓋的動(dòng)力學(xué)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(duì)氣候變暖的響應(yīng)過程，如融冰對(duì)冰床的潤(rùn)滑作用[9]和冰架移動(dòng)導(dǎo)致的冰流速率增加[10]。巨大的不確定性甚至存在于預(yù)測(cè)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(rèn)的對(duì)格陵蘭和南極洲邊緣冰川和冰帽流失的預(yù)測(cè)。預(yù)計(jì)本世紀(jì)兩極的溫度會(huì)繼續(xù)升高，這些冰蓋如何變化是人們需要解決的一個(gè)關(guān)鍵問題。目前用給定表面變暖假設(shè)方案的物理模型來計(jì)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(xiàn)近幾十年的海平面上升過程，用氣候模式和冰蓋模式計(jì)算的海平面上升率一般都低于觀測(cè)的速率，這些都對(duì)科學(xué)的預(yù)測(cè)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(yù)測(cè)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(biāo)，20世紀(jì)以來全球平均氣溫已經(jīng)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(jìn)而改變海水鹽度[12]；同時(shí)，全球氣候變暖也使得海水溫度上升，引起海水的熱比容發(fā)生變化[13]，這些都是導(dǎo)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(huì)在本世紀(jì)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(qiáng)的相關(guān)性，預(yù)測(cè)海平面變化應(yīng)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(chǔ)獲得預(yù)測(cè)海平面上升的半經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ停渲斜砻鏆鉁厥菤夂蚰Ｊ娇梢詼?zhǔn)確預(yù)測(cè)的變量。

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

對(duì)預(yù)測(cè)結(jié)果的檢驗(yàn)證明：在 10年尺度上，無論是否為線性趨勢(shì)該模型都是有效的[16-18]。Rahmstorf采用 IPCC TAR[19]氣候模式預(yù)測(cè)的表面氣溫，其預(yù)測(cè)的海平面上升范圍要高于IPCC AR4[2]的結(jié)論，考慮到IPCC預(yù)測(cè)的海平面上升要低于實(shí)際的觀測(cè)，所以此結(jié)果可視為折中的結(jié)論。盡管該模型還沒有直接包含非線性動(dòng)力學(xué)過程產(chǎn)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(chǔ)預(yù)測(cè)海平面上升的模型還不成熟，半經(jīng)驗(yàn)的模型可以作為一個(gè)實(shí)用的可選方案來評(píng)估未來海平面變化[4]。

3 中國(guó)近海海平面長(zhǎng)期變化的預(yù)測(cè)

中國(guó)近海海平面長(zhǎng)期變化與全球氣候變化密不可分，研究氣溫變化對(duì)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(duì)海平面上升產(chǎn)生綜合影響。中國(guó)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(duì)氣溫變化的響應(yīng)可為深入研究中國(guó)近海海平面長(zhǎng)期變化規(guī)律及機(jī)制、預(yù)測(cè)全球氣候變暖條件下未來中國(guó)近海海平面變化狀況提供科學(xué)依據(jù)。

圖 2 中國(guó)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(jù)中國(guó)沿海 32個(gè)長(zhǎng)期驗(yàn)潮站的海平面變化數(shù)據(jù)，計(jì)算得到 1950－2007年中國(guó)近海海平面平均變化狀況，并進(jìn)行擬合。由此計(jì)算得到中國(guó)近海海平面上升速率與全球氣溫變化的相關(guān)系數(shù)為0.94，線性擬合關(guān)系為Rate=1.4*T+2（圖2）。再根據(jù)此關(guān)系式預(yù)估未來 100年海平面變化的結(jié)果（圖 3），在不同二氧化碳排放情景下[20]，到 21世紀(jì)末中國(guó)近海海平面將比 20世紀(jì)末上升 28～64 cm，平均上升41.6 cm。此結(jié)果略高于IPCC第四次評(píng)估報(bào)告全球海平面變化的預(yù)估，與中國(guó)沿海海平面上升略高于全球的結(jié)論相一致。

圖 3 21世紀(jì)海平面變化預(yù)估Fig. 3 Sea level change projections for 21st century

根據(jù)驗(yàn)潮結(jié)果表明中國(guó)沿海海平面上升速率要高于全球平均水平[21]。《中國(guó)氣候變化國(guó)家評(píng)估報(bào)告（2007）》[3]指出，在全球變暖的背景下，近百年來，中國(guó)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(qiáng)，預(yù)計(jì)到 21世紀(jì)末中國(guó)地表氣溫將平均升高3.4～5.5℃。與之相對(duì)應(yīng)，21世紀(jì)沿海地區(qū)氣溫仍將持續(xù)上升，在這種趨勢(shì)下，預(yù)計(jì)中國(guó)近海海平面也將呈明顯的上升趨勢(shì)。

4 結(jié)論和討論

中國(guó)近海海平面變化規(guī)律及預(yù)測(cè)是一個(gè)十分復(fù)雜的問題，雖然中國(guó)近海的海平面變化受局地環(huán)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(guān)。目前的研究已對(duì)中國(guó)近海特定海域、特定時(shí)段海平面變化有了一定的認(rèn)識(shí)[22]。其中，已對(duì)氣候變暖引發(fā)熱比容增加導(dǎo)致海平面上升機(jī)制做了較為深入的研究[23]，但在海平面上升對(duì)氣溫變化的響應(yīng)方面研究尚不夠深入。

目前我國(guó)海平面統(tǒng)計(jì)預(yù)測(cè)采用隨即動(dòng)態(tài)模型為經(jīng)驗(yàn)的數(shù)學(xué)統(tǒng)計(jì)模型，不包含物理過程和機(jī)制，而數(shù)值預(yù)測(cè)模型發(fā)展還不夠完善不能有效的應(yīng)用于海平面的長(zhǎng)期預(yù)測(cè)，因此采用半經(jīng)驗(yàn)的模型可以彌補(bǔ)這些不足，不僅有助于充分認(rèn)識(shí)中國(guó)近海海平面的變化規(guī)律，而且也為數(shù)值模式的參數(shù)化提供理論依據(jù)。

氣溫是全球氣候變暖的重要指標(biāo)，氣溫的變化與冰川融化有著密切的關(guān)系。氣溫升高冰川融化使得海洋中海水的總量發(fā)生變化造成海平面上升，同時(shí)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(dǎo)致海水的比容性質(zhì)發(fā)生改變，進(jìn)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(zhǎng)期變化，直接或間接的包含了氣候變暖引發(fā)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(zhǔn)確預(yù)測(cè)的變量，氣溫的預(yù)測(cè)結(jié)果易于獲得和應(yīng)用。

本文將 Rahmstorf提出的半經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ蛻?yīng)用于中國(guó)近海，建立了一個(gè)在氣候變暖背景下中國(guó)近海海平面長(zhǎng)期變化的預(yù)測(cè)方法，預(yù)測(cè)結(jié)果表明到21世紀(jì)末中國(guó)近海海平面將比 20世紀(jì)末上升28～64 cm，略高于全球平均水平，預(yù)測(cè)結(jié)果與IPCC評(píng)估報(bào)告的結(jié)論相近。

中國(guó)近海海平面變化包括全球氣候變化引起的絕對(duì)海平面變化和地殼垂直運(yùn)動(dòng)、地面沉降引起相對(duì)海平面變化兩個(gè)部分，本文討論的海平面變化主要討論全球氣溫變化引發(fā)的絕對(duì)海平面變化，在此基礎(chǔ)上疊加局地相對(duì)變化可以獲得相對(duì)海平面變化，這些還有待進(jìn)一步研究。

[1] Carton J A, Giese B S, Grodsky S A. Sea level rise and the warming of the oceans in the Simple Ocean Data Assimilation (SODA) ocean reanalysis [J]. Journal Geophysical Research, 2005, 110: C09006,doi:10.1029/2004JC002817.

[2] Intergovernmental Panel on Climate Change (IPCC). Climate Change 2007: The Physical Science Basis. Contribution of Working Group I to the Fourth Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change [M]. Cambridge, U. K.: Cambridge Univ.Press, 2007.

[3] 中國(guó)氣象局. 中國(guó)氣候變化評(píng)估報(bào)告 [M]. 北京: 科學(xué)出版社，2007.

[4] Horton R, Herweijer C, Rosenzweig C, et al. Sea level rise projections for current generation CGCMs based on the semi-empirical method [J]. Geophysical Research Letter, 2008, 35:L02715, doi:10.1029/2007GL032486.

[5] Houghton J T. Climate Change 2001: The Scientific Basis [M].Cambridge, U. K.: Cambridge Univ. Press, 2001.

[6] Shepherd A, Wingham D. Recent sea-level contributions of the Antarctic and Greenland ice sheets [J]. Science, 2007, 315: 1529-1532.

[7] Rignot E, Kanagaratnam P. Changes in the velocity structure of the Greenland ice sheet [J]. Science, 2006, 311: 986-990.

[8] Velicogna I, Wahr J. Measurements of time-variable gravity show mass loss in Antarctica [J]. Science, 2006, 311: 1754-1756.

[9] Zwally H J, Abdalati W, Herring T, et al. Surface Melt-Induced Acceleration of Greenland Ice-Sheet Flow [J]. Science, 2002, 297:218-222.

[10] Rignot E, Casassa G, Gogineni P, et al. Accelerated ice discharge from Antarctic Peninsula following the collapse of Larsen B ice shelf [J]. Geophysical Research Letter, 2004, 31: L18401,doi:10.1029/2004GL020697.

[11] Raper S C B, Braithwaite R J. Low sea level rise projections from mountain glaciers and icecaps under global warming [J]. Nature,2006, 439: 311-314.

[12] Munk W. Ocean freshening, sea level rising [J]. Science, 2003, 300:2041-2043.

[13] Church J A, Gregory J M, Huybrechts P, et al. Changes in sea level.In Climate Change 2001: the Scientific Basis, Contribution of Working Group I to the Third Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change [M]. Cambridge, U. K.:Cambridge Univ. Press, 2001.

[14] Oppenheimer M, Alley R B. Ice sheets, global warming, and Article 2 of the UNFCCC [J]. Clim. Change, 2005, 68: 257-267.

[15] Rahmstorf S. A semi-empirical approach to projecting future sea level rise [J]. Science, 2007a, 315: 368-370.

[16] Rahmstorf S. Response to comment on ‘A semi-empirical approach to projecting future sea level rise’ [J]. Science, 2007b, 317: 1866,doi:10.1126/science.1141283.

[17] Holgate S, Woodworth J P, Brewer S. Comment on “A semi--empirical approach to projecting future sea-level rise’ [J]. Science,2007, 317: 1866, doi:10.1126/science.1140942.

[18] Schmith T, Johansen S, Thejll P. Comment on ‘A semi-empirical approach to projecting future sea level rise’ [J]. Science, 2007, 317:1866, doi:10.1126/science.114328.

[19] Intergovernmental Panel on Climate Change (IPCC). Climate Chan--ge 2001: The Scientific Basis [M]. Cambridge, U. K.: Cambridge Univ. Press, 2001.

[20] Intergovernmental Panel on Climate Change (IPCC). Emissions Scenarios 2000 [M]. Cambridge, U. K.: Cambridge Univ. Press,2000.

[21] 國(guó)家海洋局. 2009年中國(guó)海平面公報(bào) [M]. 北京: 海洋出版社，2010.

[22] 杜碧蘭，田素珍，呂春花. 海平面上升對(duì)中國(guó)沿海主要脆弱區(qū)的影響及對(duì)策 [M]. 北京: 海洋出版社, 1997.

[23] Zuo Juncheng, Zhang Jianli, Du Ling, et al. Global sea level change and thermal contribute [J]. Journal of ocean university of China,2009, 8(1): 1-8.

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(guó)家自然科學(xué)基金資助重點(diǎn)項(xiàng)目（40830746 )；國(guó)家海洋局青年海洋科學(xué)基金（2010214）；國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（40940025、41006002）；海洋公益性行業(yè)科研專項(xiàng)（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。