RCP4.5情景下预测21世纪南海海平面变化

张吉，左军成*，李娟，陈美香

（1.河海大学海岸灾害及防护教育部重点实验室，江苏南京 210098）

RCP4.5情景下预测21世纪南海海平面变化

张吉1，左军成1*，李娟1，陈美香1

（1.河海大学海岸灾害及防护教育部重点实验室，江苏南京 210098）

结合卫星高度计资料和SODA温盐数据，本文利用CCSM（Community Climate System Model version4）气候系统模式在代表性浓度路径RCP4.5情景下对全球海平面变化趋势的预测模拟结果作为强迫场，用POP模式模拟预测21世纪南海海平面长期趋势变化及空间分布。模拟结果显示，在RCP4.5情景下，南海海域在21世纪末10年平均海平面相对于20世纪末10年上升了15～39 cm，明显上升海域位于中南半岛东部的南海中部、南部海域和吕宋海峡东西两侧海域，上升值最大可达39 cm。如果加上格陵兰和南极等陆地冰川融化的影响，21世纪南海总海平面上升值将可能达到35～75 cm。南海比容海平面明显上升区域位于吕宋岛东面的深水海域，广东沿岸流和吕宋冷涡之间海域，以及中南半岛东南部海域。总比容海平面的变化主要来自热比容，盐比容贡献比较小。南海南部和西部比容海平面上升速率较低，如加里曼丹岛西北侧、泰国湾和海南岛西侧有下降趋势。

海平面变化；长期趋势变化；比容海平面；动力海平面

1 引言

政府间气候变化专业委员会（Intergovernmental Panel on Climate Change，IPCC）第5次评估报告预计21世纪末，全球海平面将上升26～82 cm［1］。中国沿海长期验潮站的海平面资料的分析结果表明，到2000年，中国沿海海平面以2.5 mm／a的速率上升，略大于全球海平面上升速率［2］。用全球气温作预报因子，用半经验预测方法预测到21世纪末，中国近海海平面将比2000年上升28～64 cm［3］。我国的四大海区中，南海的面积几乎是渤海、黄海、东海面积总和的3倍，经济、社会、军事等意义都非常重大，因此对南海海平面变化的研究非常重要。1955—1994年数十年间，南海沿岸的相对海平面呈上升趋势，其上升速率大多小于2.5 mm／a［4］。以香港为例，经地面沉降速率校正得到，1954—1998年间，绝对海平面上升速率为1.8～1.9 mm／a［4］。近50 a来珠江口海平面的上升趋势与全球气候变暖存在显著的正相关关系，2030年前后珠江口平均相对海平面比1980—1999年高13 ～17 cm［5］。用统计分析方法预测，1990—2030年南海相对海平面上升幅度为20～25 cm［4］。中国沿海海平面上升除受全球海平面上升的影响外，还受到陆架浅海海湾海平面特殊变化规律制约，以及地壳升降和地面沉降相对变化的作用。迄今为止，有关南海海平面的预测方法都是资料统计分析；针对南海海平面长期趋势变化的研究主要是利用验潮站资料外推，得到沿岸部分地区如珠江三角洲等的相对海平面变化趋势；对沿岸以外的广阔海域海平面的预测，较少考虑气候变化的因素［6］。

本文结合卫星高度计资料和SODA温盐数据，利用气候耦合模式CCSM4对全球海平面变化趋势预测的模拟结果作为强迫场，然后利用三维海洋环流模式POP模拟南海海平面变化，预测在RCP4.5情景下21世纪南海海平面的变化趋势及空间分布。

2 模式和方法介绍

2.1 模式简介

CCSM4是由美国NSF（National Science Foundation）和能源部支持开发的一个气候系统模式。CCSM4由大气（CAM4），海洋（POP2），陆地（CLM4）和海冰（CSIM5）4个子模式组成，中间通过一个耦合器（CPL7）连接，可用于模拟地球过去、现在及将来的气候变化［7］。

本文利用三维海洋海流模式POP（Parallel Ocean Program）2.0.1版本对海平面进行数值模拟。POP模式是美国Los Alamos国家实验室受能源部CHAMMP计划资助开发的由早期的Bryan，Cox，Semtner和Chervin模型发展而来的一个三维海洋环流模式，2001年POP被NCAR（The National Center for Atmospheric Research）的共同气候系统模式CCSM（Community Climate System Model）采用，作为其中的海洋模式。POP模式采用的坐标系为球坐标系，垂直方向采用z坐标，模型控制方程采用了静压近似和Boussinesq近似。早期版本中海表面采用的是刚盖边界条件，POP2.0版本中刚盖边界条件已由自由表面边界条件代替，该条件认为海气交界面可以自由发展，这就使得海表面高度成为可以预测的变量［8］。

CCSM4耦合模式没有运用任何通量调整，因此可能不能充分有效地分辨出一些物理过程。但本文使用的模式结果都是通过验证的，在没有强制性的通量限制的情况下，仍然能得到一些非常有意义的结果。海平面（Sea Surface Hight，SSH）变化直观反应出大尺度三维海洋环流的变化［9］。海平面可以反应海水的热盐结构和涡旋强度，可以从以下两个方面来研究海平面：一方面是动力海平面高度（以下称为“动力SSH”），另一方面是比容海平面高度（以下称为“比容SSH”）。动力SSH是Boussinesq近似下海洋模式输出的海面高度，反映的是水平流速和海平面梯度（或水平压力梯度）之间的地转平衡关系，流动沿海平面等值线方向。比容SSH并非模式直接输出，而是通过模式输出的温盐数据，利用比容SSH高度计算方法计算得到的，以下介绍本文采用的比容SSH高度计算方法。

2.2 比容海面高度计算方法

本文对比容SSH高度的计算采用Thomson等［10］给出的计算比容SSH的模型。热比容SSH变化（TC）、盐比容SSH变化（SC）、二者之和比容SSH变化（TSSL）的计算公式为：

式中，T是温度，S是盐度，α是指比容，Z是深度，z1 和z2分别是深度积分的上下限。ΔT是各层相对气候态年均海温的异常值，ΔS是各层相对气候态年均盐度的异常值。对各层的比容变化进行叠加可以得到总的比容SSH变化。

海水的比容计算利用1980年国际海水状态方程（EOS80）。海水比容α（S，t，p）与实用盐度S，温度t（℃）和海压P（Pa）的关系式为：

式中，压力匹配因数n＝10－5，α（S，t，0）为一个“标准大气压下”（海压为0）的海水比容，K（s，t，p）为割线体积模量。

3 模式设置及验证

3.1 情景选择

为了全面系统的总结稳定浓度情景，产生新的气候变化情景，用于未来气候变化影响和对策研究，IPCC专家组建议21世纪新情景用代表性浓度路径（Representative Concentration Pathways，RCPs）来表示［11—13］。IPCC为第五次评估报告［1］分析了RCPs情景的内在优势，并描述了4类代表性浓度RCPs （RCP8.5、RCP6、RCP4.5、RCP3－PD）的特征（表1和图1），其中，RCP4.5是中短期（2030年）适应气候变化的新情景［11—13］。相对于其他3个代表性浓度路径来说，RCP4.5是中间稳定路径，且较为符合当今的减排措施及效果。

本文选择RCP4.5代表性浓度路径的情景进行模拟，在该情景下，2100年全球CO2的排放空间为4.3×109t，对应的CO2浓度为5.26×10－6，是一个比较稳定的情景（详见参考文献［12］）。IPCC第5次评估报告［1］指出，在RCP4.5代表性浓度路径下，到2081—2100年全球平均SSH相对于1986—2005年将上升32～63 cm。

表1 代表性浓度路径RCPs的类型和预计升温Tab.1 Types of RCPs and predicted temperature increases

图1 不同情景下温室气体浓度和辐射强迫［12］Fig.1 Global concentrations of greenhouse gases and radiation forcing under different RCP scenarios

3.2 模式设置

本数值试验中水平方向采用非均匀Mercator网格，纬度范围为0°～25°N，经度范围为100°～125°E，网格大小为（1／4）°×（1／4）°，垂直方向共有40层。初始条件为海水静止，海面无扰动。以1850－1870年的平均场为初始场，运行200 a稳定后，模式加入月均热通量、淡水通量和风应力等强迫场和温盐侧边界条件，强迫场和侧边界来自CCSM4模式1850—2005年的模拟结果，从1850年积分到2005年，21世纪南海SSH预测的初始场为2005年12月份的状态。

预测阶段表面强迫场和侧边界条件是CCSM4.0 在RCP4.5情景下21世纪的模式结果。表面强迫包括热通量、淡水通量和风应力，强迫场均来自CMIP5 中CCSM4在RCP4.5情景下的模式结果。热通量、淡水通量和风应力等强迫场是逐时的月均场，其中表面热通量和表面盐通量分别以海表面温度和海表面盐度的形式给出。

侧边界条件是在模式的东西南北四个侧边界设置缓冲区，缓冲区范围为边界以内3°。在缓冲区内各层水点采用温盐恢复边界条件，恢复系数均取为30 d。模式时间从2006年开始，运行到2100年，共积分95 a。

3.3 模型验证

本文在讨论南海SSH长期趋势变化之前，通过海表面温度、海表面高度及上层季节性气候态流场等物理量的对比分析，初步验证模式的准确性。

图2是模拟和观测的20世纪南海平均表面温度变化曲线。观测海表温度数据来源于英国Hadley Centre提供的全球月均海表水温资料HadISST （Hadley Centre Sea Ice and Sea Surface Temperaturedata set），空间分辨率为1°×1°，所用时段为1900年1月至2005年12月。CCSM模式模拟的结果显示，整个20世纪南海海域平均海表面温度上升了约0.68℃，观测结果为0.7℃。虽然模拟的时间序列波动比较大，但二者线性上升趋势一致。从20世纪初开始，模拟曲线从20世纪初一直波动上升，到50年代和60年代，温度呈现平稳波动。1980年前后十年期间南海空间平均海表温度，明显受大气和海洋变化的影响，出现了一次显著的跃变。之前海表温度基本呈平缓趋势；跃变之后，平均温度一直保持在相对较高的数值，并且有显著的持续升高趋势［14—15］，导致到2005年上升量值跟观测结果相差无几。

图2 20世纪南海年平均海表面温度变化及趋势Fig.2 The changes and trends of the average sea surface temperature in the South China Sea during the 20th century

图3是模拟的南海海域春、夏、秋、冬四季多年（1981—2000年）平均气候态流场。由于南海海区水深43.5 m以上的表层流主要受Ekman流的影响［16］，本文选择50 m深处的海流进行分析。

由该气候态流场可以看出，南海环流在冬季（12－翌年2月）为气旋式环流，西边界流强化现象比较明显，加里曼丹北侧存在着向南的补偿流，南海南部也能够看到一个较为明显的逆时针涡旋。夏季（6－8月）则与冬季大致相反，为反气旋式环流，越南沿岸有一较强气旋式环流。南海南部存在以高值中心为主的南沙上层反气旋环流，在南海的北部，以低值中心为主的气旋式环流，其影响范围和强度弱于冬季气旋式环流，且影响区域要略偏东北。春季（3－5月）气旋式环流在逐渐衰减，虽然在北部海区的气旋式环流几乎没有变化，但在南海中部出现了反气旋式环流异常。秋季（9－11月）在南海中部出现气旋式环流异常，越南沿岸的气旋式环流范围扩大［17－18］。这充分说明南海上层水平环流受季风影响很大，存在明显的季节变化，夏季受西南季风控制，冬季受东北季风控制，而春、秋季节是季风的转换时期［16－18］。

模拟和观测的南海月均SSH变化曲线也基本一致（见图4）。观测数据来自于法国空间局的AVISO （Archiving，Validation and Int-erpretation of Satellite Oceanographic data）多卫星融合高度计资料，时序为2006年1月至2013年7月。为去除高频的影响，对时间序列做了3个月的滑动平均。2006—2013年间，模拟的SSH上升速率为7.4 mm／a，观测的上升速率为9.0 mm／a，二者大致相当。从图中可以看出，模拟SSH略小于观测值，一方面，可能是由模式的误差造成的；另一方面，由于区域SSH变化的影响因素包括海水比容、环流和风应力等动力因素、降水（蒸发）和径流等质量项、大气压强迫和地壳升降等，而模拟SSH只包括比容和动力因素，短期内大气压和地壳升降可以不考虑，因此，这里的差异也可能是因为包含降水（蒸发）和径流等引起的质量项变化［19］。总之，两个时间序列曲线的变化特征、位相，以及上升趋势都基本一致，模拟结果较为可信。

4 21世纪南海海平面变化预测

本文根据CCSM4模式在RCP4.5情景假设下的模拟结果，利用海洋环流三维模式POP，模拟21世纪南海SSH长期趋势变化特征。按照海平面变化原因可将南海SSH分为动力SSH和比容SSH两种。POP模式模拟出来的SSH是在Boussinesq近似下的海平面高度，称为动力SSH。动力SSH实际上是动力作用下导致的水体输送和堆积产生的海水质量再分布，需要进行一项随时间变化但空间均匀的订正，即叠加上南海海域平均比容SSH的时间序列，就可以与实际的总SSH进行比较［20］。

图3 南海四季平均流场图Fig.3 Mean flow fields of four seasons in the South China Sea

图4 2006—2013年南海平均SSH变化及线性趋势Fig.4 The variations and linear trend of mean SSH in the South China Sea during 2006 to 2013

21世纪南海海域平均总比容SSH、热比容SSH和盐比容SSH的时间序列曲线均呈上升趋势（见图5）。到2100年，总比容SSH上升18.7 cm，其中热比容SSH上升14.5 cm，盐比容SSH上升4.2 cm。从线性趋势来看，21世纪总比容SSH线性上升趋势为1.97 mm／a，热比容SSH线性上升趋势为1.53 mm／a，盐比容SSH的线性上升速率则为0.44 mm／a。丁荣荣等［21］由Ishii和Levitus海温数据（0～700 m以上）得到，1955—2003年间，南海平均比容SSH异常具有明显的上升趋势，南海平均比容SSH线性上升速率分别为0.4 mm／a和0.3 mm／a，荣增瑞［22］利用历史海水温度客观分析资料估算出1945— 2004年间，南海热比容SSH的上升速率为0.14 mm／a。显然，21世纪的南海比容SSH上升速率1.97 mm／a远大于20世纪的线性上升速率。

图5 RCP4.5情景下21世纪南海平均比容SSH预测Fig.5 The mean steric SSH prediction of the South China Sea in the 21st century under RCP4.5

图6 南海2091—2100年平均总SSH和1991—2000年平均总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

将模式输出的动力SSH高度叠加上整个南海海域平均比容SSH，忽略误差项，得到南海总SSH，计算21世纪末后10年与20世纪末后10年SSH的差，得21世纪南海SSH上升值分布图（图6）。21世纪末10年南海海域年平均SSH相对于20世纪末10年上升了15～39 cm。中南半岛东部（也就是吕宋岛西部海域）以及吕宋海峡东西两侧的海域有明显的上升趋势，上升最大值可达39 cm。在苏拉威西海和巴士海峡以东海域，SSH变化幅度为20～25 cm。在泰国湾海域SSH上升幅度较小，仅为8～12 cm左右。本文模拟的SSH上升值分布与现在的SSH上升趋势分布基本一致，周剑［23］利用1993—2009年卫星高度计资料计算了南海和印度洋SSH上升趋势，得1993—2009年南海SSH上升较快的海域位于吕宋岛西部海域，上升较慢的海域位于西南部海域和南海北部沿岸陆架流海域。丁荣荣［21］利用1993—2002年的T／P卫星测高数据计算南海SSH趋势，得到1993—2002年南海SSH上升趋势存在明显的区域特征，吕宋岛西侧的深水海盆上升率较大，在西南部海域海平面上升率则较小。

21世纪末后10年平均比容SSH与20世纪末后10年平均比容SSH的差具有明显的空间分布（见图7）。该空间分布特征表示比容SSH升高降低的相对值，不包括区域平均值。到21世纪末，南海的比容SSH的变化基本都是正的，总比容SSH升高约20～28 cm，主要是热比容的贡献。热比容SSH升高约15 ～22 cm，盐比容SSH变化较小，约为5～7 cm，吕宋岛东侧的深水海盆总比容SSH上升高达25～28 cm，由热比容主导产生。在南海中部有两个明显的上升区域，一个位于广东沿岸流和吕宋冷涡之间（16°N，113°E）附近，最大值约为27 cm，与该海区热比容SSH上升有直接的关系。另一个位于中南半岛东南部（10°N，112°E）附近，最大值可达26 cm，在这个区域盐比容SSH也达到了最大值，约为7.5 cm。在南海南部和西部比容SSH上升速率较低，甚至在某些边界区域有下降趋势，如加里曼丹岛西北侧、泰国湾和海南岛西侧。这与丁荣荣等［21］利用Ishii和Levitus资料得到比容SSH的趋势分布一致：在吕宋岛西侧比容SSH上升趋势较明显，有个高值中心位于中南半岛和巴拉望岛之间（10°N，110°E）附近；而在西南部海域，如加里曼丹岛北侧和中南半岛西南侧等海域呈下降趋势。

总的来说，总比容SSH变化主要来自热比容SSH，表明通过海面输入海洋的热通量增加，盐比容SSH贡献比较小，这与Antonov等［24］、Ishii等［25］和Cheng等［26］的研究结论相符。John指出全球平均比容SSH变化中盐比容的贡献占了10%，并且只有在一些海域，如北大西洋靠近北极海域，盐度对于总比容SSH的影响是主要的，而热比容异常仅仅是盐比容异常的补偿。另外，21世纪南海海域的盐比容与热比容对海平面的作用都是正的，这与Levitus等［27］研究结果相符。Levitus等发现，与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，热比容SSH和盐比容SSH是以同样的方式改变着海平面。

本文探讨的RCP4.5情景下的南海SSH变化，没有考虑陆地冰（包括陆地高山冰川，格陵兰岛和南极冰盖等）融化的影响。综合多位学者的研究［28—30］，预计在21世纪高山冰原和格陵兰冰川等陆地冰川融化导致全球平均SSH上升20～36 cm。根据Mitrovica等［31］的研究，陆地冰川融化导致的西北太平洋SSH变化与全球平均值相当，因此，本文假设南海也因此上升同样的量值，再叠加上本文模拟的总SSH上升15～39 cm，得到21世纪南海SSH将上升35～75 cm。

图7 南海2091—2100年与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 结论

本文结合卫星高度计资料和SODA温盐数据，利用气候耦合模式CCSM4对全球SSH变化趋势预测的模拟结果及三维海洋环流模式POP，模拟了RCP4.5情景下21世纪南海SSH的变化趋势及空间分布。主要结论如下：

南海海域21世纪末平均总SSH相对于20世纪末上升15～39 cm，明显上升海域位于中南半岛东部的南海中部、南部海域，上升幅度最大可达39 cm。另外，在吕宋海峡东西两侧海域的上升幅度也比较大，最大可达37 cm。如果加上格陵兰和南极等陆地冰川融化的影响，21世纪南海总SSH上升值将可能达到35～75 cm。

从空间分布上来说，南海的比容SSH的变化基本都是正的，总比容SSH升高约20～28 cm，明显上升区域位于吕宋岛东面的深水海域，广东沿岸流和吕宋冷涡之间海域，以及中南半岛东南部海域。总比容SSH的变化主要来自热比容，盐比容SSH贡献比较小。南海南部和西部比容SSH上升速率较低，如加里曼丹岛西北侧、泰国湾和海南岛西侧有下降趋势。

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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。

国家自然科学基金（41276018）；海洋公益性行业科研专项（201005019－05）；国家重点基础研究发展计划（973计划）（2013CB430302）。

张吉（1988—），女，河南省南阳市人，主要从事气候与海平面变化研究。E-mail：jyuyi＠sina.com

*通信作者：左军成，教授，主要从事潮波动力学、气候与海平面变化研究。E-mail：zuo＠ouc.edu.cn

张吉，左军成，李娟，等.RCP4.5情景下预测21世纪南海海平面变化［J］.海洋学报，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