氣候變暖下海面高度變化的數(shù)值模擬＊

連 展，魏澤勛＊，方國洪，孫寶楠

（1.國家海洋局 第一海洋研究所，山東 青島266061；2.海洋環(huán)境科學(xué)和數(shù)值模擬國家海洋局重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 青島266061）

近年來，由于溫室氣體排放量有增無減，全球氣溫變暖的態(tài)勢日趨明顯［1］。其帶來的一系列后果越來越受到人們的重視。全球變暖可對地球環(huán)境系統(tǒng)產(chǎn)生多種影響，其中海面高度升高是對人類影響相對較大的一項(xiàng)。可能導(dǎo)致海平面變化的因素有很多，如海水鹽度、溫度、質(zhì)量變化、氣象和地殼運(yùn)動(dòng)等都有可能對海平面帶來影響。

有研究表明，相對于海水熱比容變化，海水鹽比容變化導(dǎo)致的海平面變化較不顯著（Antonov et al.2005［2］）。一般情況下，因氣象和地殼運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致的海平面變化幅度遠(yuǎn)小于其它因素導(dǎo)致的海平面變化。對于陸地冰川開展的觀測工作較為有限，并且其資料可靠性較低［3］。因此，現(xiàn)今有關(guān)海平面對于氣候變化響應(yīng)的工作較關(guān)注海水熱比容變化導(dǎo)致的海平面變化?；跓崦浝淇s的基本原理，氣溫上升必然導(dǎo)致海水體積的膨脹，從而造成海平面的升高。政府間氣候?qū)I(yè)委員會(huì)（IPCC）綜合世界各地驗(yàn)潮站數(shù)據(jù)與衛(wèi)星測量數(shù)據(jù)，1961—1993年間，因氣候變化造成的全球海平面平均的上升速度為每年1.0 mm［3］。此結(jié)果與蔡怡和李海［4］應(yīng)用不考慮兩極冰蓋融化增水的非Boussinesq近似模式的模擬結(jié)果、CABANES et al，［5］應(yīng)用熱力診斷得到的結(jié)果較為接近。這顯示了全球氣候變化導(dǎo)致的海水體積膨脹是全球海平面升高的主要因素。

在對海平面變化問題的研究中，可依據(jù)的研究方法有多種，主要分為分析觀測資料［4-8］以及數(shù)值模擬［9-10］。但衛(wèi)星觀測資料時(shí)間較短，驗(yàn)潮站等定點(diǎn)觀測又受地殼運(yùn)動(dòng)等因素影響，而基于觀測資料驗(yàn)證的數(shù)值模式可以較好地刻畫海平面變化情況的時(shí)空分布特征，同時(shí)在對未來情況預(yù)測上具有優(yōu)勢。以往對全球海平面變化的數(shù)值模擬中，應(yīng)用的模式大部分采用了Boussinesq近似，即在數(shù)值積分中考慮體積守恒而不是質(zhì)量守恒。這顯然無法體現(xiàn)海水因受熱而產(chǎn)生的體積膨脹效應(yīng)。少數(shù)非Boussinesq模式多僅進(jìn)行理想模型試驗(yàn)等［9］。蔡怡和李海［10］應(yīng)用改進(jìn)的POP模式模擬了非Boussinesq近似下北太平洋的海平面狀況，但其模式覆蓋區(qū)域較小，結(jié)果未能反映全球海平面變化的整體情況，并且其應(yīng)用的改進(jìn)型POP模式垂向坐標(biāo)為基于距離的Z坐標(biāo)，不利于精確模擬海水密度的變化［11］。本研究應(yīng)用壓力坐標(biāo)下的MITgcm模式（MIT General Circulation Model），建立了一個(gè)非Boussinesq近似下的全球海洋模式，模擬了近156 a來全球海平面的變化情況。并且根據(jù)對未來氣候變化趨勢的預(yù)測，對未來80 a內(nèi)全球海平面變化進(jìn)行了模擬。

1 模式各項(xiàng)參數(shù)設(shè)置和優(yōu)化

MITgcm模式是由麻省理工學(xué)院開發(fā)的大氣-海洋通用環(huán)流模式。它的全稱為MIT General Circulation Model，是一個(gè)被設(shè)計(jì)用來研究大氣、海洋和氣候的數(shù)值模式［12］，并且得到了廣泛的應(yīng)用。在垂向坐標(biāo)的選擇上MITgcm提供Z坐標(biāo)與壓力坐標(biāo)兩種格式，其中應(yīng)用壓力坐標(biāo)可以實(shí)現(xiàn)對非Boussinesq近似流體的模擬［13］。

模式水平分辨率：1°×1°，水平覆蓋范圍：-80°S～80°N，-180°W～180°E（圖1）。

圖1 模式水平網(wǎng)格分布Fig.1 The horizontal grids of the model

垂向分為15層，每層厚度見表1。

表1 模式垂向分層Table 1 The vertically layering of water column for the model

模式地形數(shù)據(jù)選用的是ETOPO5數(shù)據(jù)集，溫鹽初始條件選用WOA（World Ocean Atlas）2005氣候態(tài)年平均數(shù)據(jù)，風(fēng)場數(shù)據(jù)選用ECWMF（European Centre for Medium-Range Weather Forecasts）氣候態(tài)年平均數(shù)據(jù)，SSS數(shù)據(jù)采用WOA2005氣候態(tài)年平均表層數(shù)據(jù)。SST數(shù)據(jù)的來源有兩種，分別為：1）ERSST（ex-tended reconstructed sea surface temperature data set）1855—2010年平均數(shù)據(jù)；2）IPCC第四次綜合報(bào)告給出的2010—2090年年平均數(shù)據(jù)。

通過與各類實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，開展了模式對于各類參數(shù)的敏感性研究，對關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行了重點(diǎn)優(yōu)化，最終確定溫鹽垂向擴(kuò)散系數(shù)相同且同為9.552 58×103Pa／s2≈9.0×10-5m／s2，模式海面溫鹽松弛系數(shù)和時(shí)間步長分別選為2 592 000 s和600 s。

2 模式的模擬流程

本研究建立的全球海平面變化數(shù)值模式共包含了3個(gè)主要事件過程，模擬流程見圖2，過程分別為：

過程1：模式由靜止啟動(dòng)，SST強(qiáng)迫采用ERSST1855年年平均數(shù)據(jù)。為保證結(jié)果穩(wěn)定，模式共運(yùn)行3 000 a。

過程2：以過程1為初始條件，以ERSST1855—2010年平均數(shù)據(jù)作為海表面強(qiáng)迫，對此段時(shí)期內(nèi)全球海平面高度進(jìn)行模擬。

過程3：以過程2為初始條件，以IPCC第四次報(bào)告中2010—2090年年間年平均數(shù)據(jù)作為海表面強(qiáng)迫，對此段時(shí)期內(nèi)全球海平面高度進(jìn)行模擬。

圖2 模擬時(shí)間流程圖Fig.2 Flow chart of simulation time

3 模擬結(jié)果驗(yàn)證

圖3為模式過程一的結(jié)果中表層流場，從圖中我們可以看出黑潮、灣流和赤道流系等主要環(huán)流結(jié)構(gòu)在模擬結(jié)果中均已得到了較好的再現(xiàn)，可見本模式對于全球海洋環(huán)流結(jié)果具有一定的再現(xiàn)能力。

為了驗(yàn)證模式對于全球海平面變化過程的模擬精度，我們將驗(yàn)潮站水位觀測數(shù)據(jù)與模式過程二得到的水位數(shù)據(jù)進(jìn)行了對比，驗(yàn)潮站數(shù)據(jù)來源為PSMSL（Permanent Service for Mean Sea Level？）數(shù)據(jù)集。我們從中選取了觀測有效數(shù)據(jù)較多的且分別位于開闊海區(qū)（A 站點(diǎn)：22°8′W，21°19′N）和近岸海區(qū)（B站點(diǎn)：121°17′E，28°5′N）的兩個(gè)站點(diǎn)為代表站點(diǎn)（圖4）。圖5為二站點(diǎn)觀測數(shù)據(jù)與模擬結(jié)果的對比，可以看出本模式對于過程二期間的海平面變化情況具有一定的模擬能力。

圖3 模式表層流場Fig.3 The simulated surface current field

圖4 A和B站點(diǎn)站位圖Fig.4 The location of stations A and B

圖5 驗(yàn)潮站觀測海平面變化與模擬結(jié)果對比Fig.5 Comparison of the sea-level changes observed at tidal station with those simulated

Church等在2011年應(yīng)用統(tǒng)計(jì)分析的方法，綜合采用驗(yàn)潮站數(shù)據(jù)和衛(wèi)星高度計(jì)資料數(shù)據(jù)，對1880—2010年全球海平面變化情況進(jìn)行了分析［14］，圖6為該統(tǒng)計(jì)結(jié)果與本模式模擬結(jié)果的對比。圖6中虛線為實(shí)測數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果，實(shí)線為數(shù)值模擬結(jié)果，二者絕均差為19.724 6 mm，相關(guān)系數(shù)為0.992 8。

圖6 1880—2010年間全球海平面變化觀測結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果對比Fig.6 Comparison of the global sea-level changes observed during 1880—2010 with those simulated

表2為模擬結(jié)果與我國國家海洋局發(fā)布的《2010年中國海平面公報(bào)》結(jié)果對比，可見本模式在中國近海海區(qū)具有較高的可信度。

表2 中國近海模擬結(jié)果與《2010年中國海平面公報(bào)》結(jié)果對比Table 2 Comparison of the simulated sea-level changes in the coastal waters of China with those published in“2010 Chinese Sea Level Bulletin”

4 模擬結(jié)果分析

通過對模擬結(jié)果的分析，得到2010年全球平均海平面相對于常年（即1975—1993年）上升43.8 mm，中國近海平均海平面相對于常年上升54.8 mm?？梢娔M時(shí)間段內(nèi)全球和中國近海均存在海平面上升的現(xiàn)象，且中國近海海平面上升速度略高于全球平均速度。

圖7為模擬得到的2010年全球海平面變化情況（相對于1975—1993即常年情況），全球海平面上升幅度較大的區(qū)域主要為：西北太平洋、北太平洋中部、南太平洋中部和北大西洋；東北太平洋和南極周邊海域海平面上升幅度較小，甚至存在海平面高度下降的區(qū)域。中國近海鄰近的西北太平洋地區(qū)存在海平面上升到情況，且上升速度由西向東逐漸增大。全球海平面變化幅度最大的地方位于格陵蘭島附近，可能與此地區(qū)劇烈的溫度變化有關(guān)［8］。圖8為中國近海和鄰近海域2010年海平面相對于常年上升幅度，從圖中可見渤海、黃海、東海和南海四個(gè)海區(qū)均存在海平面上升的趨勢，上升幅度略有差別。四個(gè)海區(qū)中海平面上升幅度最慢的為南海，黃海和東海則上升較快。中國近海海平面上升速度慢于鄰近的西北太平洋海區(qū)。海平面上升的幅度存在由西太平洋海平面上升高值區(qū)向中國近海逐漸減小的趨勢。在中國近海又存在由北至南逐漸減小的趨勢。

圖7 模擬得到的2010年全球海平面變化情況Fig.7 The simulated global sea-level changes in 2010

圖8 中國近海和鄰近海域2010年海平面相對于常年上升幅度（單位：m）Fig.8 The simulated range of the sea-level rising relatively to the perennial in the coastal waters of China in 2010（isoline unit：m）

5 未來海平面變化預(yù)測

為了對未來不同情境下全球和中國近海平均海平面高度變化情況進(jìn)行可靠的預(yù)測，我們收集了IPCC綜合提供的全球各大主要?dú)夂蚰Ｊ綄ξ磥淼念A(yù)測結(jié)果。所有模式均按照《IPCC排放情景特別報(bào)告》（SRES，2000）中所描述的情景。SRES情景分為探索可替代發(fā)展路徑的四個(gè)情景族（A1，A2，B1和B2），涉及一系列人口、經(jīng)濟(jì)和技術(shù)驅(qū)動(dòng)力以及由此產(chǎn)生的溫室氣體排放。A1情景假定這樣一個(gè)世界：經(jīng)濟(jì)增長非?？欤蛉丝跀?shù)量峰值出現(xiàn)在本世紀(jì)中葉，新的和更高效的技術(shù)被迅速引進(jìn)。A2情景描述了一個(gè)很不均衡的世界：人口快速增長、經(jīng)濟(jì)發(fā)展、技術(shù)進(jìn)步緩慢。

綜合了各類模式對于未來不同情境的預(yù)測模擬之后，從中選取了對于2090年全球平均表面溫度升高最快預(yù)測結(jié)果（A2，最快情景）和最慢預(yù)測結(jié)果（A1，最慢情景），并且進(jìn)而評估得到一般情況下全球平均表面溫度變化趨勢。圖9和圖10分別為最樂觀和最悲觀情境下2090年全球海平面相對于常年變化幅度，從圖中可以發(fā)現(xiàn)在最樂觀情境中，南大洋海區(qū)為海平面上升最強(qiáng)的區(qū)域，北大西洋海平面變化幅度也較劇烈，北太平洋東側(cè)相對于西側(cè)海平面上升幅度較大。在最悲觀情境中，北太平洋海平面上升較大區(qū)域位于海區(qū)中心偏西側(cè)。在最悲觀和最樂觀情境下，全球海平面平均上升幅度分別為和0.48和0.27 m，中國近海海平面平均上升幅度分別為0.42和0.18 m。綜合全球情況，北大西洋和南大洋仍為海平面變化劇烈海區(qū)，澳大利亞以南海區(qū)存在海平面下降的趨勢。

圖9 全球平均表面溫度升高最慢情境下2090年全球海平面高度相對于常年變化幅度Fig.9 The changing range of the global sea-level height relatively to the perennial in 2090 simulated under the condition of the slowest rising of global surface temperature

圖10 全球平均表面溫度升高最快情境下2090年全球海平面高度相對于常年變化幅度Fig.10 The changing range of the global sea-level height relatively to the perennial in 2090 simulated under the condition of the fastest rising of global surface temperature

表3為模擬得到的不同情境下2090年中國近海相對于常年海平面變化情況，可見至2090年渤海、黃海、東海和南海海平面變化趨勢各有不同，在上升最快情境下南海海區(qū)海平面上升幅度明顯小于其它海區(qū)，可能與此情景設(shè)計(jì)的氣溫變化情況有關(guān)。

6 結(jié) 論

通過對數(shù)值模擬結(jié)果的分析，我們可以得到如下結(jié)論：

1）全球海平面高度存在上升的現(xiàn)象。2010年全球平均海平面相對于常年（即1975—1993年）上升43.8 mm，中國近海平均海平面相對于常年上升54.8 mm。

2）2010年全球海平面變化情況，全球海平面上升幅度較大的區(qū)域主要為：西北太平洋、北太平洋中部、南太平洋中部和北大西洋。

3）渤海、黃海、東海和南海四個(gè)海區(qū)海平面上升幅度各不相同，黃東海海平面上升幅度略高，南海海平面上升幅度最小。中國近海海平面上升速度慢于鄰近的西北太平洋海區(qū)。

4）若全球溫度變化情況與預(yù)測相同，那么未來80 a后，全球平均海平面上升速度將遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過現(xiàn)今水平。最極端情況下中國近海海平面上升幅度明顯大于全球平均水平。

在模式的建立和調(diào)整過程中，我們進(jìn)行了多種敏感性實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示模擬結(jié)果對于溫鹽垂向擴(kuò)散系數(shù)有著較高的敏感性（圖在本文中未畫出），這顯示在考慮溫度長期變化趨勢的海面數(shù)值模式中，如何選取合理有效的溫鹽垂向擴(kuò)散系數(shù)對于模式結(jié)果的可靠性至關(guān)重要。受計(jì)算時(shí)間的限制，本工作中選取的溫鹽垂向擴(kuò)散系數(shù)為常數(shù)，下一步工作計(jì)劃采用更有實(shí)際代表性的參數(shù)化方案代替。同時(shí)，本研究的結(jié)果顯示，即使忽略海水質(zhì)量的變化，考慮海水熱脹冷縮的數(shù)值模式仍然可以較好地再現(xiàn)過去一段時(shí)期內(nèi)海平面的變化過程，并為未來變化趨勢提出有意義的預(yù)測。

另一方面，我們發(fā)現(xiàn)根據(jù)不同氣候變化情景預(yù)測得到的未來全球海平面變化的幅度均遠(yuǎn)大于近期。根據(jù)黃瑞新［15］的研究結(jié)果，若采用Boussinesq近似對海洋進(jìn)行模擬將會(huì)導(dǎo)致虛假的重力位能。在對未來海洋進(jìn)行預(yù)測模擬中，這部分重力位能的差異將被進(jìn)一步放大，這提示我們?nèi)舨捎肂oussinesq近似進(jìn)行較長時(shí)間尺度的海洋數(shù)值模式對未來情景進(jìn)行預(yù)測，Boussinesq近似造成的系統(tǒng)誤差將被越來越突出的表現(xiàn)出來，相對于低緯度地區(qū)，這部分誤差在北太平洋、北大西洋和南大洋海區(qū)格外顯著。

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