RCP4.5情景下預測21世紀南海海平面變化

張吉，左軍成*，李娟，陳美香

（1.河海大學海岸災害及防護教育部重點實驗室，江蘇南京 210098）

RCP4.5情景下預測21世紀南海海平面變化

張吉1，左軍成1*，李娟1，陳美香1

（1.河海大學海岸災害及防護教育部重點實驗室，江蘇南京 210098）

結合衛星高度計資料和SODA溫鹽數據，本文利用CCSM（Community Climate System Model version4）氣候系統模式在代表性濃度路徑RCP4.5情景下對全球海平面變化趨勢的預測模擬結果作為強迫場，用POP模式模擬預測21世紀南海海平面長期趨勢變化及空間分布。模擬結果顯示，在RCP4.5情景下，南海海域在21世紀末10年平均海平面相對于20世紀末10年上升了15～39 cm，明顯上升海域位于中南半島東部的南海中部、南部海域和呂宋海峽東西兩側海域，上升值最大可達39 cm。如果加上格陵蘭和南極等陸地冰川融化的影響，21世紀南?？偤Ｆ矫嫔仙祵⒖赡苓_到35～75 cm。南海比容海平面明顯上升區域位于呂宋島東面的深水海域，廣東沿岸流和呂宋冷渦之間海域，以及中南半島東南部海域?？偙热莺Ｆ矫娴淖兓饕獊碜詿岜热荩}比容貢獻比較小。南海南部和西部比容海平面上升速率較低，如加里曼丹島西北側、泰國灣和海南島西側有下降趨勢。

海平面變化；長期趨勢變化；比容海平面；動力海平面

1 引言

政府間氣候變化專業委員會（Intergovernmental Panel on Climate Change，IPCC）第5次評估報告預計21世紀末，全球海平面將上升26～82 cm［1］。中國沿海長期驗潮站的海平面資料的分析結果表明，到2000年，中國沿海海平面以2.5 mm／a的速率上升，略大于全球海平面上升速率［2］。用全球氣溫作預報因子，用半經驗預測方法預測到21世紀末，中國近海海平面將比2000年上升28～64 cm［3］。我國的四大海區中，南海的面積幾乎是渤海、黃海、東海面積總和的3倍，經濟、社會、軍事等意義都非常重大，因此對南海海平面變化的研究非常重要。1955—1994年數十年間，南海沿岸的相對海平面呈上升趨勢，其上升速率大多小于2.5 mm／a［4］。以香港為例，經地面沉降速率校正得到，1954—1998年間，絕對海平面上升速率為1.8～1.9 mm／a［4］。近50 a來珠江口海平面的上升趨勢與全球氣候變暖存在顯著的正相關關系，2030年前后珠江口平均相對海平面比1980—1999年高13 ～17 cm［5］。用統計分析方法預測，1990—2030年南海相對海平面上升幅度為20～25 cm［4］。中國沿海海平面上升除受全球海平面上升的影響外，還受到陸架淺海海灣海平面特殊變化規律制約，以及地殼升降和地面沉降相對變化的作用。迄今為止，有關南海海平面的預測方法都是資料統計分析；針對南海海平面長期趨勢變化的研究主要是利用驗潮站資料外推，得到沿岸部分地區如珠江三角洲等的相對海平面變化趨勢；對沿岸以外的廣闊海域海平面的預測，較少考慮氣候變化的因素［6］。

本文結合衛星高度計資料和SODA溫鹽數據，利用氣候耦合模式CCSM4對全球海平面變化趨勢預測的模擬結果作為強迫場，然后利用三維海洋環流模式POP模擬南海海平面變化，預測在RCP4.5情景下21世紀南海海平面的變化趨勢及空間分布。

2 模式和方法介紹

2.1 模式簡介

CCSM4是由美國NSF（National Science Foundation）和能源部支持開發的一個氣候系統模式。CCSM4由大氣（CAM4），海洋（POP2），陸地（CLM4）和海冰（CSIM5）4個子模式組成，中間通過一個耦合器（CPL7）連接，可用于模擬地球過去、現在及將來的氣候變化［7］。

本文利用三維海洋海流模式POP（Parallel Ocean Program）2.0.1版本對海平面進行數值模擬。POP模式是美國Los Alamos國家實驗室受能源部CHAMMP計劃資助開發的由早期的Bryan，Cox，Semtner和Chervin模型發展而來的一個三維海洋環流模式，2001年POP被NCAR（The National Center for Atmospheric Research）的共同氣候系統模式CCSM（Community Climate System Model）采用，作為其中的海洋模式。POP模式采用的坐標系為球坐標系，垂直方向采用z坐標，模型控制方程采用了靜壓近似和Boussinesq近似。早期版本中海表面采用的是剛蓋邊界條件，POP2.0版本中剛蓋邊界條件已由自由表面邊界條件代替，該條件認為海氣交界面可以自由發展，這就使得海表面高度成為可以預測的變量［8］。

CCSM4耦合模式沒有運用任何通量調整，因此可能不能充分有效地分辨出一些物理過程。但本文使用的模式結果都是通過驗證的，在沒有強制性的通量限制的情況下，仍然能得到一些非常有意義的結果。海平面（Sea Surface Hight，SSH）變化直觀反應出大尺度三維海洋環流的變化［9］。海平面可以反應海水的熱鹽結構和渦旋強度，可以從以下兩個方面來研究海平面：一方面是動力海平面高度（以下稱為“動力SSH”），另一方面是比容海平面高度（以下稱為“比容SSH”）。動力SSH是Boussinesq近似下海洋模式輸出的海面高度，反映的是水平流速和海平面梯度（或水平壓力梯度）之間的地轉平衡關系，流動沿海平面等值線方向。比容SSH并非模式直接輸出，而是通過模式輸出的溫鹽數據，利用比容SSH高度計算方法計算得到的，以下介紹本文采用的比容SSH高度計算方法。

2.2 比容海面高度計算方法

本文對比容SSH高度的計算采用Thomson等［10］給出的計算比容SSH的模型。熱比容SSH變化（TC）、鹽比容SSH變化（SC）、二者之和比容SSH變化（TSSL）的計算公式為：

式中，T是溫度，S是鹽度，α是指比容，Z是深度，z1 和z2分別是深度積分的上下限。ΔT是各層相對氣候態年均海溫的異常值，ΔS是各層相對氣候態年均鹽度的異常值。對各層的比容變化進行疊加可以得到總的比容SSH變化。

海水的比容計算利用1980年國際海水狀態方程（EOS80）。海水比容α（S，t，p）與實用鹽度S，溫度t（℃）和海壓P（Pa）的關系式為：

式中，壓力匹配因數n＝10－5，α（S，t，0）為一個“標準大氣壓下”（海壓為0）的海水比容，K（s，t，p）為割線體積模量。

3 模式設置及驗證

3.1 情景選擇

為了全面系統的總結穩定濃度情景，產生新的氣候變化情景，用于未來氣候變化影響和對策研究，IPCC專家組建議21世紀新情景用代表性濃度路徑（Representative Concentration Pathways，RCPs）來表示［11—13］。IPCC為第五次評估報告［1］分析了RCPs情景的內在優勢，并描述了4類代表性濃度RCPs （RCP8.5、RCP6、RCP4.5、RCP3－PD）的特征（表1和圖1），其中，RCP4.5是中短期（2030年）適應氣候變化的新情景［11—13］。相對于其他3個代表性濃度路徑來說，RCP4.5是中間穩定路徑，且較為符合當今的減排措施及效果。

本文選擇RCP4.5代表性濃度路徑的情景進行模擬，在該情景下，2100年全球CO2的排放空間為4.3×109t，對應的CO2濃度為5.26×10－6，是一個比較穩定的情景（詳見參考文獻［12］）。IPCC第5次評估報告［1］指出，在RCP4.5代表性濃度路徑下，到2081—2100年全球平均SSH相對于1986—2005年將上升32～63 cm。

表1 代表性濃度路徑RCPs的類型和預計升溫Tab.1 Types of RCPs and predicted temperature increases

圖1 不同情景下溫室氣體濃度和輻射強迫［12］Fig.1 Global concentrations of greenhouse gases and radiation forcing under different RCP scenarios

3.2 模式設置

本數值試驗中水平方向采用非均勻Mercator網格，緯度范圍為0°～25°N，經度范圍為100°～125°E，網格大小為（1／4）°×（1／4）°，垂直方向共有40層。初始條件為海水靜止，海面無擾動。以1850－1870年的平均場為初始場，運行200 a穩定后，模式加入月均熱通量、淡水通量和風應力等強迫場和溫鹽側邊界條件，強迫場和側邊界來自CCSM4模式1850—2005年的模擬結果，從1850年積分到2005年，21世紀南海SSH預測的初始場為2005年12月份的狀態。

預測階段表面強迫場和側邊界條件是CCSM4.0 在RCP4.5情景下21世紀的模式結果。表面強迫包括熱通量、淡水通量和風應力，強迫場均來自CMIP5 中CCSM4在RCP4.5情景下的模式結果。熱通量、淡水通量和風應力等強迫場是逐時的月均場，其中表面熱通量和表面鹽通量分別以海表面溫度和海表面鹽度的形式給出。

側邊界條件是在模式的東西南北四個側邊界設置緩沖區，緩沖區范圍為邊界以內3°。在緩沖區內各層水點采用溫鹽恢復邊界條件，恢復系數均取為30 d。模式時間從2006年開始，運行到2100年，共積分95 a。

3.3 模型驗證

本文在討論南海SSH長期趨勢變化之前，通過海表面溫度、海表面高度及上層季節性氣候態流場等物理量的對比分析，初步驗證模式的準確性。

圖2是模擬和觀測的20世紀南海平均表面溫度變化曲線。觀測海表溫度數據來源于英國Hadley Centre提供的全球月均海表水溫資料HadISST （Hadley Centre Sea Ice and Sea Surface Temperaturedata set），空間分辨率為1°×1°，所用時段為1900年1月至2005年12月。CCSM模式模擬的結果顯示，整個20世紀南海海域平均海表面溫度上升了約0.68℃，觀測結果為0.7℃。雖然模擬的時間序列波動比較大，但二者線性上升趨勢一致。從20世紀初開始，模擬曲線從20世紀初一直波動上升，到50年代和60年代，溫度呈現平穩波動。1980年前后十年期間南海空間平均海表溫度，明顯受大氣和海洋變化的影響，出現了一次顯著的躍變。之前海表溫度基本呈平緩趨勢；躍變之后，平均溫度一直保持在相對較高的數值，并且有顯著的持續升高趨勢［14—15］，導致到2005年上升量值跟觀測結果相差無幾。

圖2 20世紀南海年平均海表面溫度變化及趨勢Fig.2 The changes and trends of the average sea surface temperature in the South China Sea during the 20th century

圖3是模擬的南海海域春、夏、秋、冬四季多年（1981—2000年）平均氣候態流場。由于南海海區水深43.5 m以上的表層流主要受Ekman流的影響［16］，本文選擇50 m深處的海流進行分析。

由該氣候態流場可以看出，南海環流在冬季（12－翌年2月）為氣旋式環流，西邊界流強化現象比較明顯，加里曼丹北側存在著向南的補償流，南海南部也能夠看到一個較為明顯的逆時針渦旋。夏季（6－8月）則與冬季大致相反，為反氣旋式環流，越南沿岸有一較強氣旋式環流。南海南部存在以高值中心為主的南沙上層反氣旋環流，在南海的北部，以低值中心為主的氣旋式環流，其影響范圍和強度弱于冬季氣旋式環流，且影響區域要略偏東北。春季（3－5月）氣旋式環流在逐漸衰減，雖然在北部海區的氣旋式環流幾乎沒有變化，但在南海中部出現了反氣旋式環流異常。秋季（9－11月）在南海中部出現氣旋式環流異常，越南沿岸的氣旋式環流范圍擴大［17－18］。這充分說明南海上層水平環流受季風影響很大，存在明顯的季節變化，夏季受西南季風控制，冬季受東北季風控制，而春、秋季節是季風的轉換時期［16－18］。

模擬和觀測的南海月均SSH變化曲線也基本一致（見圖4）。觀測數據來自于法國空間局的AVISO （Archiving，Validation and Int-erpretation of Satellite Oceanographic data）多衛星融合高度計資料，時序為2006年1月至2013年7月。為去除高頻的影響，對時間序列做了3個月的滑動平均。2006—2013年間，模擬的SSH上升速率為7.4 mm／a，觀測的上升速率為9.0 mm／a，二者大致相當。從圖中可以看出，模擬SSH略小于觀測值，一方面，可能是由模式的誤差造成的；另一方面，由于區域SSH變化的影響因素包括海水比容、環流和風應力等動力因素、降水（蒸發）和徑流等質量項、大氣壓強迫和地殼升降等，而模擬SSH只包括比容和動力因素，短期內大氣壓和地殼升降可以不考慮，因此，這里的差異也可能是因為包含降水（蒸發）和徑流等引起的質量項變化［19］?？傊?，兩個時間序列曲線的變化特征、位相，以及上升趨勢都基本一致，模擬結果較為可信。

4 21世紀南海海平面變化預測

本文根據CCSM4模式在RCP4.5情景假設下的模擬結果，利用海洋環流三維模式POP，模擬21世紀南海SSH長期趨勢變化特征。按照海平面變化原因可將南海SSH分為動力SSH和比容SSH兩種。POP模式模擬出來的SSH是在Boussinesq近似下的海平面高度，稱為動力SSH。動力SSH實際上是動力作用下導致的水體輸送和堆積產生的海水質量再分布，需要進行一項隨時間變化但空間均勻的訂正，即疊加上南海海域平均比容SSH的時間序列，就可以與實際的總SSH進行比較［20］。

圖3 南海四季平均流場圖Fig.3 Mean flow fields of four seasons in the South China Sea

圖4 2006—2013年南海平均SSH變化及線性趨勢Fig.4 The variations and linear trend of mean SSH in the South China Sea during 2006 to 2013

21世紀南海海域平均總比容SSH、熱比容SSH和鹽比容SSH的時間序列曲線均呈上升趨勢（見圖5）。到2100年，總比容SSH上升18.7 cm，其中熱比容SSH上升14.5 cm，鹽比容SSH上升4.2 cm。從線性趨勢來看，21世紀總比容SSH線性上升趨勢為1.97 mm／a，熱比容SSH線性上升趨勢為1.53 mm／a，鹽比容SSH的線性上升速率則為0.44 mm／a。丁榮榮等［21］由Ishii和Levitus海溫數據（0～700 m以上）得到，1955—2003年間，南海平均比容SSH異常具有明顯的上升趨勢，南海平均比容SSH線性上升速率分別為0.4 mm／a和0.3 mm／a，榮增瑞［22］利用歷史海水溫度客觀分析資料估算出1945— 2004年間，南海熱比容SSH的上升速率為0.14 mm／a。顯然，21世紀的南海比容SSH上升速率1.97 mm／a遠大于20世紀的線性上升速率。

圖5 RCP4.5情景下21世紀南海平均比容SSH預測Fig.5 The mean steric SSH prediction of the South China Sea in the 21st century under RCP4.5

圖6 南海2091—2100年平均總SSH和1991—2000年平均總SSH的差Fig.6 The difference between the averaged total SSH of the South China Sea in 2091 to 2100 and that in 1991 to 2000

將模式輸出的動力SSH高度疊加上整個南海海域平均比容SSH，忽略誤差項，得到南?？係SH，計算21世紀末后10年與20世紀末后10年SSH的差，得21世紀南海SSH上升值分布圖（圖6）。21世紀末10年南海海域年平均SSH相對于20世紀末10年上升了15～39 cm。中南半島東部（也就是呂宋島西部海域）以及呂宋海峽東西兩側的海域有明顯的上升趨勢，上升最大值可達39 cm。在蘇拉威西海和巴士海峽以東海域，SSH變化幅度為20～25 cm。在泰國灣海域SSH上升幅度較小，僅為8～12 cm左右。本文模擬的SSH上升值分布與現在的SSH上升趨勢分布基本一致，周劍［23］利用1993—2009年衛星高度計資料計算了南海和印度洋SSH上升趨勢，得1993—2009年南海SSH上升較快的海域位于呂宋島西部海域，上升較慢的海域位于西南部海域和南海北部沿岸陸架流海域。丁榮榮［21］利用1993—2002年的T／P衛星測高數據計算南海SSH趨勢，得到1993—2002年南海SSH上升趨勢存在明顯的區域特征，呂宋島西側的深水海盆上升率較大，在西南部海域海平面上升率則較小。

21世紀末后10年平均比容SSH與20世紀末后10年平均比容SSH的差具有明顯的空間分布（見圖7）。該空間分布特征表示比容SSH升高降低的相對值，不包括區域平均值。到21世紀末，南海的比容SSH的變化基本都是正的，總比容SSH升高約20～28 cm，主要是熱比容的貢獻。熱比容SSH升高約15 ～22 cm，鹽比容SSH變化較小，約為5～7 cm，呂宋島東側的深水海盆總比容SSH上升高達25～28 cm，由熱比容主導產生。在南海中部有兩個明顯的上升區域，一個位于廣東沿岸流和呂宋冷渦之間（16°N，113°E）附近，最大值約為27 cm，與該海區熱比容SSH上升有直接的關系。另一個位于中南半島東南部（10°N，112°E）附近，最大值可達26 cm，在這個區域鹽比容SSH也達到了最大值，約為7.5 cm。在南海南部和西部比容SSH上升速率較低，甚至在某些邊界區域有下降趨勢，如加里曼丹島西北側、泰國灣和海南島西側。這與丁榮榮等［21］利用Ishii和Levitus資料得到比容SSH的趨勢分布一致：在呂宋島西側比容SSH上升趨勢較明顯，有個高值中心位于中南半島和巴拉望島之間（10°N，110°E）附近；而在西南部海域，如加里曼丹島北側和中南半島西南側等海域呈下降趨勢。

總的來說，總比容SSH變化主要來自熱比容SSH，表明通過海面輸入海洋的熱通量增加，鹽比容SSH貢獻比較小，這與Antonov等［24］、Ishii等［25］和Cheng等［26］的研究結論相符。John指出全球平均比容SSH變化中鹽比容的貢獻占了10%，并且只有在一些海域，如北大西洋靠近北極海域，鹽度對于總比容SSH的影響是主要的，而熱比容異常僅僅是鹽比容異常的補償。另外，21世紀南海海域的鹽比容與熱比容對海平面的作用都是正的，這與Levitus等［27］研究結果相符。Levitus等發現，與大西洋和印度洋不同，在太平洋中，除了34°N～45°N和22°S～38°S之外，熱比容SSH和鹽比容SSH是以同樣的方式改變著海平面。

本文探討的RCP4.5情景下的南海SSH變化，沒有考慮陸地冰（包括陸地高山冰川，格陵蘭島和南極冰蓋等）融化的影響。綜合多位學者的研究［28—30］，預計在21世紀高山冰原和格陵蘭冰川等陸地冰川融化導致全球平均SSH上升20～36 cm。根據Mitrovica等［31］的研究，陸地冰川融化導致的西北太平洋SSH變化與全球平均值相當，因此，本文假設南海也因此上升同樣的量值，再疊加上本文模擬的總SSH上升15～39 cm，得到21世紀南海SSH將上升35～75 cm。

圖7 南海2091—2100年與1991—2000年平均比容SSH的差Fig.7 The difference between the averaged steric SSH of the South China Sea in 2091 to 2100 and that in 1991 to 2000

5 結論

本文結合衛星高度計資料和SODA溫鹽數據，利用氣候耦合模式CCSM4對全球SSH變化趨勢預測的模擬結果及三維海洋環流模式POP，模擬了RCP4.5情景下21世紀南海SSH的變化趨勢及空間分布。主要結論如下：

南海海域21世紀末平均總SSH相對于20世紀末上升15～39 cm，明顯上升海域位于中南半島東部的南海中部、南部海域，上升幅度最大可達39 cm。另外，在呂宋海峽東西兩側海域的上升幅度也比較大，最大可達37 cm。如果加上格陵蘭和南極等陸地冰川融化的影響，21世紀南?？係SH上升值將可能達到35～75 cm。

從空間分布上來說，南海的比容SSH的變化基本都是正的，總比容SSH升高約20～28 cm，明顯上升區域位于呂宋島東面的深水海域，廣東沿岸流和呂宋冷渦之間海域，以及中南半島東南部海域?？偙热軸SH的變化主要來自熱比容，鹽比容SSH貢獻比較小。南海南部和西部比容SSH上升速率較低，如加里曼丹島西北側、泰國灣和海南島西側有下降趨勢。

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Sea level variations in the South China Sea during the 21st century under RCP4.5

Zhang Ji1，Zuo Juncheng1，Li Juan1，Chen Meixiang1
（1.Key Laboratory of Ministry of Education for Coastal Disaster and Defence，Hohai University，Nanjing 210098，China）

Combining the Satellite altimeter data and SODA temperature-salinity data，in this paper we have simulated the long-term trends and the spatial distribution of the sea level of South China Sea（SCS）during the 21st century with the POP model.The forcing field of the POP model is the predicted global simulation results of CCSM4 （Community Climate System Model version4）model under the Representative Concentration Pathways Scenarios （RCP4.5）.The simulated results show that the average sea level in the last ten years of 21st century of the South China Sea would rise by 15 to 39 cm compared to that in the last ten years of 20th century.The significant sea level increase would locate in areas such as the eastern and southeastern of Indo-China Peninsula，and the east and west sides of Luzon Strait.The maximum rise could reach up to 39 cm.If the influence of the melting glaciers such as Greenland sheet and Antarctica sheet was considered，the total rise of the south China sea level during the 21st century could reach 35 to 75 cm.The significant increase of the steric sea level would locate in areas such as the deepwater basin in the east of Luson Island，the waters between the Guangdong Coastal Current and Luzon Cold Eddy and the southeastern of Indo-China Peninsula.The total steric sea level change mainly came from thermal steric sea level，while the contribution of halo steric was small.The steric sea level rise rate was relatively low in the southern and western of South China Sea，e.g.a downward trend was shown on the northwest of Kalimantan Island，in the gulf of Thailand and on the west of Hainan Island.

sea level change；long-term trend；steric sea level；dynamic sea level

P722.7；P731.34

A

0253-4193（2014）11-0021-09

2012-08-28；

2013-08-06。

國家自然科學基金（41276018）；海洋公益性行業科研專項（201005019－05）；國家重點基礎研究發展計劃（973計劃）（2013CB430302）。

張吉（1988—），女，河南省南陽市人，主要從事氣候與海平面變化研究。E-mail：jyuyi＠sina.com

*通信作者：左軍成，教授，主要從事潮波動力學、氣候與海平面變化研究。E-mail：zuo＠ouc.edu.cn

張吉，左軍成，李娟，等.RCP4.5情景下預測21世紀南海海平面變化［J］.海洋學報，2014，36（11）：21—29，doi.10.3969／j.issn.0253-4193.2014.11.003

Zhang Ji，Zuo Juncheng，Li Juan，et al.Sea level viarations in the South China Sea during the 21st century under RCP4.5［J］.Acta Oceanologica Sinica（in Chinese），2014，36（11）：21—29，doi.10.3969／j.issn.0235-4193.2014.11.003