中国沿海地区对全球变化的响应及风险研究

蔡榕硕，谭红建,郭海峡

(自然资源部第三海洋研究所,福建 厦门 361005)

近百年来，全球自然环境，特别是气候环境，正在经历以变暖为主要特征的变化，地球气候、环境和生态系统及生物多样性随之产生显著的变化[1]。全球变化正以各种形式不断出现，如气候变暖、海平面上升、旱涝灾害频繁、生物多样性减少以及近海富营养化加剧等现象。其中，全球变化的核心问题是气候变化。地球上的生态系统及生物多样性受到了气候变化的明显影响[2]，未来难以适应气候变化的生态系统将面临生物多样性减少，甚至物种消失的威胁[3]。人类社会作为地球系统的重要成员也因此面临前所未有的威胁。由于地球自然环境变化较大，不同区域对全球变化的响应也有较大的差别。因此，陆地和海洋、沿海和内陆、平原和高原对全球变化的响应均有较大差异。

在全球气候变化背景下，我国沿海地区面临日益严重的高温热浪、海平面上升、强台风-风暴潮和洪涝灾害等气候致灾事件的影响，气候灾害的形成机理、发生规律、时空特征和损失程度呈现出新的特点，尤其是灾害的突发性、异常性、难以预见性日益突出，灾害风险进一步加大[4]。我国沿海地区大约只占我国陆地总面积的14%，但居住了超过42%的人口，国内生产总值(GDP)占全国60%以上[5]。随着我国沿海地区经济快速发展，各类产业和人口还将向沿海地区加速聚集。与此同时，为弥补沿海地区土地资源短缺，实施了大规模的填海造地。仅2003—2011年期间，我国沿海围垦面积约为874.9 km2[6]。调查表明，在1950—2003年期间，3次大规模的填海工程，我国失去了面积约2.19×104km2的沿海湿地，约占我国滨海沿岸湿地总量的50%[7]。因此，我国沿海地区社会-生态系统(概念见“2.2”)面对气候变化的暴露度和脆弱性愈加突显，综合风险格局复杂多变且存在较大不确定性。

鉴于升温及海平面的上升是全球和我国沿海地区的两个主要气候特征，因此，本研究主要概述全球变化背景下我国沿海地区的陆域和相邻海域表面温度和海平面对气候变化的响应特征及机制，分析气候变化对我国沿海地区社会-生态系统的影响，从灾害风险理论的角度，总结分析未来气候情景下我国沿海地区的变化及未来的综合风险，提出需迫切开展的我国沿海地区全球变化综合风险研究的若干科学与评估技术问题。

1 我国东部地区对全球变化的响应特征、 机制及其影响

1.1 温度

我国东部地区(100°E以东的区域)位于欧亚大陆东边和北太平洋西部，在本研究中主要指我国沿海地区以及近海区域(渤海、黄海、东海和南海以及邻近海域，0°～45°N，100°～140°E，图1中蓝色方框所示)。我国沿海地区拥有约1.8万km的漫长海岸线，而近海区域为西北太平洋的边缘海，有丰富的生境和生物多样性，对我国沿海地区经济社会的可持续发展有重要的支撑作用，但该地区对全球变化高度敏感[8-11]。最近的研究表明，20世纪60年代以来中国沿海地区的陆域及相邻海域呈现显著的变暖趋势。从西北延伸至东部沿海地区的陆域有明显的升温趋势，从台湾海峡南部向北至琉球群岛以西的我国渤海、黄海和东海(本研究简称为东中国海)的升温尤其显著；并且，东中国海的变暖速度要快于相邻陆地[8,12-13]。其中，1958—2018年，中国近海区域平均海表面温度(SST)的线性增量为0.98±0.19℃(图2b)[12]。

图1 1960—2014年全球年平均地表温度的变化趋势Fig.1 Changing trend of annual average global surface temperature during 1960-2014数据来源为CRU和HadISST全球地表温度再分析资料[13]；蓝色方框为研究区域。

图2 1958—2018年全球及中国近海SST变化趋势的空间分布及时间序列[12]Fig.2 Spatial patterns of linear SST changes in the global ocean and the coastal China seas during 1958-2018 along with the time series of average SST anomalies in the global ocean and coastal China seas a.SST变化趋势的空间分布，b.时间序列；黑色方框为中国近海；采用HadISST数据更新至2018年，取1981—2010年为气候态时间。

上述分析表明，全球变暖背景下中国沿海地区陆域和海域表面温度均呈现快速的上升，其中，陆域以内蒙古、华北地区及东南沿海等地的上升较为明显，东部相邻海域东中国海的升温最为显著。内蒙古、华北地区的显著升温可能与欧亚大气环流的年代际异常有关[8]，还可能与土地开发利用引起的植被覆盖、地表蒸发、反照率的变化相关[14]。我国近海区域特别是东中国海快速升温的主要原因是由于全球变化背景下东亚季风的年代际减弱，以及北太平洋西边界流黑潮暖水入侵陆架的增强所致，而西北太平洋海气热通量的年代际变化则是次要原因。西北太平洋副热带高压的年代际增强和西伸既是我国沿海地区陆域和海域变暖，也是沿海和近海高温热浪频繁发生的重要原因[12,15-16]。

近几十年来，全球和我国沿海地区的气候除了呈现显著的变暖趋势之外，夏季还频繁出现极端高温事件[17-19]。1982—2010年期间，全球约38%的沿岸地区极端高温出现频率明显增加[20]，并对沿海经济社会造成严重影响。例如，2013 年夏季中国东部大范围高温酷暑天气对经济社会的严重影响[21]。21世纪以来，我国东南沿海城市福州市的高温指数甚至超过传统的几大“火炉”城市[22]。随着全球气候变暖的加剧，夏季我国沿海地区的极端高温天气有愈演愈烈之势。在1960—2017年间，我国沿海地区年平均气温和SST以每十年0.30℃和0.15℃的速率上升，且屡屡出现破纪录的极端高温天气和海洋热浪(极端高SST)[15,17,23-24]。2016年8月东中国海出现破纪录的极端高SST，该海域SST的28.5℃和30.0℃等值线甚至延伸到36°N 和 32°N，为1980年以来的最北纬度[15]，见图3。2017年和2018年继续出现海洋热浪，并造成重大经济损失[24-25]。

图3 1982—2016年中国近海极端高海温特征 Fig.3 Characteristic of extreme warming in the coastal China seas during 1982-2016a.2016年8月海表温度异常，b.2016年和气候态(1982—2016年平均)东中国海(27°～39°N，119°～129°E)海温年变化，c.东中国海海温年极值变化，d.28.5℃和30.0℃等温线所能到达的最北位置[15]。

在全球变暖背景下，我国东部地区出现了明显的气候变暖，物候受到显著影响；其中，春、秋季物候的变化颇为突出，且很可能随着气候变暖而加剧[13]。受此影响，我国东部地区陆域春季(以4月为代表)正在以1～3 d/(10 a)的速度普遍提前到来(图4a)，而秋季(以10月为代表)则以1 d/(10 a)的速度延后结束(图4b)。值得注意的是，海域春季提前到来的速度是沿海地区陆域的2～3倍以上，秋季延期结束的速率是沿海地区陆域的2～5倍。此外，东中国近海区域秋季延期结束的速度也比相邻区域明显，这可能是由于该区域气候变化速度更高的原因，见图4[13]。

图4 1960—2014年中国沿海地区陆域及相邻海域春、秋季代表月平均海表温度出现时间的变迁速度Fig.4 (Left)Zonal mean, (right)spatial pattern of seasonal shift of average surface temperature in spring and autumn in the coastal China areas during 1960-2014红(兰)色实线分别为陆地(海域)代表月(图a、b为4月，图c、d为10月)表面温度出现时间的变迁速度纬向平均，白色实线为代表月海表温度出现时间的变迁速度空间分布，正(负)值代表提前到来(延迟结束)[13]。

1970年以来，我国东部地区迅速升温，地理等温线北移，物候变化显著，气候带北移，这影响了生物的季节规律、优势种的演替。例如，植被带向高纬或向北迁移明显[26]，且有向高海拔迁移的现象[27]。我国近海特别是亚热带水域对海洋变暖的响应显著，暖水种数量增加，暖温种下降，物种的地理分布北移，春季物种演替提前，持续时间延长[11,28-31]。其中，海洋生物的季节规律、优势种的演替，以及浮游动植物之间摄食压力的变化与赤潮等藻华的发生有关[32-33]。20世纪70年代末以来，中国近岸赤潮的发生呈现年代际的气候变化特征[8,11]，见图5。这与中国近岸海域叶绿素a浓度的变化规律基本是吻合的[31,34]，见图6。

图5 1960—2014年期间东海赤潮发生频次变化[8]Fig.5 HAB frequency in the East China Sea during the period of 1970-2014细线表示东海海域的赤潮发生频次，粗线为9 a滑动平均值。

图6 1998—2014年东、南中国海叶绿素a平均浓度的变化特征[31] Fig.6 Annual average and linear trends of chlorophyll-a concentration in the East China sea and the South China Sea from 1998 to 2014

此外，2007年以来，东海北部及黄海经常爆发浒苔绿潮，其发生也与气候变化密切相关，并影响海洋生态系统[35]。研究还表明，海水水温、溶解氧、CO2浓度等水环境要素的变化异常严重影响了海洋生态平衡，也是近些年大型藻类爆发的主要原因，但海洋酸化或富营养化可能也是导致藻华的重要原因[8-9,31,36]。

1.2 海平面

IPCC AR5指出，20世纪以来全球海平面不断上升，且有加速上升的现象[37-38]，见图7。其中，2005—2015年全球海平面上升的加速度为(0.27 ± 0.17 mm/a2)[38]，上升速率约3.5 mm/a, 高于1971—2010年、1993—2010年期间的上升速率(2.0±0.3 mm/a和3.0±0.4 mm/a)[37,39]。分析结果还表明，2006年以来，随着气候的加速变暖，冰川和冰盖融化对海平面上升的贡献已超过海洋热膨胀的影响[40-43]。

图7 1900—2010年全球观测和模拟的海平面变化[37]Fig.7 Observed and simulated global sea level changes from 1900 to 2010

1980年迄今，我国沿海海平面呈现明显的上升趋势，上升速率为3.3 mm/a，高于同期全球平均值(图8)；并且，自2012年以来，海平面的上升屡创新高[44]。其中，1993—2017年，沿海海平面上升速率和幅度分别为3.9 mm/a和100 mm[44]，高于同期全球平均的3.0～3.1 mm/a和80 mm[45-46]。此外，沿海海平面变化的区域特征显著，局部海平面的上升速率远高于同期全国平均值，且不同时段不同区域的差异较大。例如，1980—2017年，浙江省杭州湾和海南省海口市沿海海平面上升显著，上升速率均达到4.6 mm/a，高于同时段全国平均水平[47-48]。又如，1993—2012年，福建和广东沿海海平面上升速率分别为3～4 、3.6±0.7 mm/a[49-50]。

图8 1980—2018年中国沿海海平面变化[44]Fig.8 Sea level changes along the coastal China areas from 1980 to 2018

沿海海平面的上升抬高了风暴潮增水的基础水位。在热带气旋影响下我国沿海极值水位有显著的增高趋势[51]。特别是2000年以来，影响我国的超强台风(风速≥51.0 m/s)和风暴潮的发生频次显著增加[25](图9)。这导致沿海高潮位升高、极值水位重现期缩短、潮流与波浪作用增强，引起沿海港口工程和水利防洪排涝设施标准降低，加剧了洪涝灾害的威胁程度[52]。因此，在海平面持续上升的背景下，强台风-风暴增水极易形成灾害性水位，特别是叠加高海平面和天文大潮时，更易形成严重致灾的高潮位。例如，2013年10月，强台风“菲特”在7日影响浙江沿海，由于沿海海平面较常年异常偏高，海平面、天文大潮和风暴增水三者的叠加造成浙江沿海发生严重的洪涝灾害，经济损失约449亿元，受灾人口近666万人[53]，“菲特”影响期间，浙江余姚市全城70%地区被淹，内涝达数天之久[54-55]。2018年8月，台风“摩羯”于12日登陆浙江温岭沿海，期间恰逢天文大潮，高海平面和天文大潮加剧了灾害的影响[44]。

图9 近30 a来影响我国沿海的热带风暴(或台风)、风暴潮和赤潮致灾事件频次 [25]Fig.9 Frequency of tropical storms (or typhoons), storm surges and red tides affecting the coastal China areas during the past 30 years

近几十年来，海平面上升和大规模围垦活动导致我国滨海湿地面积锐减、生境退化和生物多样性下降。海平面上升叠加台风风暴潮除了加剧沿海地区洪涝灾害、海岸侵蚀和咸潮入侵外，还不断损害滨海湿地、红树林和珊瑚礁等典型生境、生物多样性及生态系统的结构和服务功能。例如，自20世纪80年代以来，我国红树林面积从5.5万hm2减少到不足1.5万hm2[56]。其中，海南省海口市东寨港红树林生态系统的脆弱性受到海平面上升速率和热带气旋或台风出现的频率、强度的显著影响。随着强台风的趋多，红树林的脆弱性将增加，发生红树林结构损毁和服务功能损失的灾害风险也随之增大[48]。在过去10～15 a里，除了受到海洋变暖和海洋热浪的影响外，在海平面上升和人类活动特别是后者的影响下，我国南海离岸造礁石珊瑚覆盖率从大于60%降低到约20%。在过去30 a，近岸造礁石珊瑚分布面积和覆盖率退化了80%，珊瑚礁生态系统稳定性及服务功能减弱[57]。

2 未来变化及综合风险

2.1 未来预估

人类活动排放的CO2等温室气体引起的气候变化对地球系统产生了显著的影响，并将继续下去。IPCC AR5考虑了受社会经济条件影响的4种典型温室气候浓度路径(RCP2.6、RCP4.5、RCP6.0和RCP8.5，RCPs)情景及其在2100年相应的辐射强迫值，分别为2.6、4.5、6.0、8.5 W/m2[58]。未来气候情景下中国近海很可能将继续显著升温，东中国海(渤、黄和东海)的升温幅度仍然最为突出[59-61]。随着全球气候与海洋的持续变暖，我国沿海海平面还将进一步升高。研究表明，21世纪末东海海平面上升幅度将高于南海[62]。基于CMIP5模式输出的动力海平面和比容海平面的分析表明，在RCP4.5情景下，到2100年东海和南海海平面将分别上升33～84 cm和34～79 cm(相对于1986—2005年平均)；在RCP8.5情景下，东海和南海海平面分别上升47～122 cm、49～109 cm[63]。并且，相对于1986—2005年平均而言，21世纪的中国沿海的海平面将继续上升，至2050年将上升13～30 cm[63]；相对于20世纪末而言，到2100年，我国沿海海平面将上升28～64 cm[64]，东海海平面上升幅度将高于南海[62-63]。

基于IPCC模式耦合比较计划第五阶段(CMPI5)的结果分析表明，在RCP4.5情景下我国近海区域普遍将继续升温并超过1℃。其中，东中国海的升温幅度最为明显，在2030—2039年、2060—2069年和2090—2099年间升温将会分别超过1、2、3℃左右，高于南海。到21世纪末，东中国海的升温将会接近5℃[61]。这与IPCC AR5预估的全球最大升温幅度(4.8℃)接近[65]。因此，未来东中国海有可能是全球升温和海平面上升幅度最大的海区之一[61-64](图10)；并且，在21世纪的近期(2020—2030年)、中期(2050—2060年)和远期(2090-2100年)等3个时期，东中国海的升温幅度都大于南海，且RCP8.5比RCP4.5情景的升温更显著[66]，见图10、表1。

表1 未来RCP4.5和8.5情景下不同时期东中国海和南海海表温度的变化[66]
Tab.1 Changes ofSSTin the East China Sea and South China Sea under RCP4.5 and 8.5 scenarios

海区RCP4.5RCP8.52020—2030年2050—2060年2090—2100年2020—2030年2050—2060年2090—2100年东中国海0.821.472.100.842.104.25南海0.581.141.690.611.743.63

注：表中数据相对于1980—2005年, 单位: ℃。

全球变暖可能导致西北太平洋(超)强台风的数量增加，强度增强，达到最大强度的位置或登陆地点北移[67-69]。登陆中国大陆的(超)强台风数量将会增加，强度将进一步加强，并且，中高纬度的沿海地区将暴露在强台风的影响之下[70-71]。此外，海洋变暖还将导致沿海地区极端高温、海洋热浪的出现更频繁、范围更广、强度更大、持续时间更久。Frölicher等(2018)指出，1980年至2016年间，全球海洋热浪已经增加了1倍，其最大强度增加了0.15℃，空间范围则增加了66%[72]；基于多模式的预估结果，未来当全球平均温度上升1.5℃时，海洋热浪发生的频率将是当前(1982—2016年)的16倍，如果温度升高3.5℃，这一频率将提高至41倍[72-73]。

2.2 综合风险

沿海地区全球变化综合风险的发生，一方面取决于海平面上升、海洋变暖等渐变性的气候致灾因子与强台风、强降水和极端高温热浪等突发性气候致灾因子的叠加影响；另一方面又与沿海地区社会生态系统暴露于气候致灾因子和人类活动扰动下的不利程度以及系统对气候变化的敏感性和适应性等脆弱性特征紧密相关。研究表明，气候致灾因子与承灾体系统的暴露度和脆弱性相互作用决定着灾害风险的发生及程度[65,74-75]。上述分析表明，未来在不同气候情景下，我国东部地区将继续显著变暖，海平面将持续上升，强台风、极端高温和海洋热浪等极端事件趋强趋繁，因此，这些气候致灾因子与承灾体系统暴露度和脆弱性的相互作用不但有叠加耦合放大效应，还将使得我国沿海地区的全球变化风险格局趋于复杂多变，且存在极大不确定性[4]。

由于沿海地区经济社会的可持续发展受到不同地区和行业、社区应对气候变化的能力以及自然生态系统服务功能的制约，因此，沿海地区生态系统的敏感性和适应性等脆弱性状况反过来又影响到社会系统的脆弱性与风险。20世纪80年代我国改革开放以来，我国沿海经历了快速城镇化和经济迅猛发展，大规模围填海活动极大地改变了沿海地区的环境，我国大陆海岸线明显向海扩张，约68%～80%岸线向海前进，约22%向陆后退，人工化是其主要特征[76-78]。除了大规模围填海活动的影响之外，人类陆源污染物排放及破坏性捕捞对海岸和海洋生态系统也产生了严重的影响，增加了海岸带和海洋生态系统的脆弱性，沿海地区经济社会的可持续发展也受到相应的制约。近年来，国际社会将沿海地区社会和生态系统视为一体，即社会-生态系统，并开展了不少的实践[79-81]。随着我国沿海地区经济社会和人口的快速发展，未来沿海地区经济社会暴露于气候变化不利影响的程度将更大，同时，由于社会系统不同区域、产业和行业应对气候变化能力的差异，生态系统也由于受到人类活动的干扰呈现出脆弱性加剧的特点，因此，社会-生态系统对气候变化的暴露度和脆弱性也趋于复杂多变。基于此，本研究归纳分析了我国沿海地区社会-生态系统的若干综合风险：

首先，未来沿海地区洪涝灾害有加剧的风险。在海平面上升和台风、极端降水和径流的多重叠加影响下，我国滨海城市洪涝灾害事件的危险性将显著增加，很可能对我国滨海重要城市港口工程、防洪排涝等设施造成更严重的影响。例如，上海现有堤防防护标准大多为100～200年一遇。在RCP4.5情景下，2100年海平面预计上升0.56 m，上海堤防防护标准将降为不足20年一遇[82]。在RCP8.5气候情景下，受海平面上升叠加台风风暴潮的影响，上海吴淞站百年一遇的极值水位发生频率将显著增加，至2050年将会提高40%，最大淹没深度和淹没面积也将会提高17%和40%[83]。2050年，杭州湾沿海低海拔地区导致的风险区面积将达到14 300 km2[47]。珠江三角洲沿海现有堤围的防御标准将明显降低。相对于1999年，2030年在影响较大区的堤围防御标准将降低半个等级，在影响最大区将降低一个半等级，受影响的堤围长度为2 608 km，维护工作量为1 752×104m3[84]。

其次，海岸带生境面临进一步退化的风险。海平面上升和人类围垦活动导致我国滨海湿地面积锐减、生境退化和生物多样性下降。在RCP8.5情景下，东海和南海海平面分别上升47～122、49～109 cm[63]，届时红树林将面临群落衰退、分布面积减小，并被淹没的风险。分析表明，海南省东寨港地区沿海海平面的上升速率已达到4.56 mm/a，远高于全国平均水平，这使得我国成片面积最大、种类最全的红树林生态系统，现状面积约1 578 hm2的东寨港红树林保护区处于海平面快速上升的威胁之中[48]。随着海洋变暖的加剧、海洋热浪的频发，南海珊瑚将面临白化和死亡率加重的威胁。需要指出的是，气候变化与围填海、海洋工程等人类活动的叠加影响对海岸带生态系统的影响有放大效应，直接加剧其面对气候变化的脆弱性和风险，包括沿岸海域富营养化，沿海湿地和生物多样性快速减少，鸟类和鱼类的栖息地受到损害，湿地生态系统的食品供应和服务功能下降。南海快速退化的珊瑚礁和红树林也与人类活动密切相关。因此，人类活动极大地增加了气候变化对我国沿海地区社会-生态系统的脆弱性和风险。

再者，海洋生态系统的结构和服务功能将呈现更加明显的风险。前述分析表明，随着我国近海的持续变暖，海洋地理等温线不断北移，生物和非生物物候、生态系统与生物多样性均发生了明显改变。未来为了适应海洋变暖，暖水种的分布范围将继续向北扩张，冷水种的分布范围缩小，包括鱼类物种分布北扩，鱼类资源重心将有显著变化。未来30 a(2013—2043年)鳀鱼资源重心年际之间的北移趋势明显，移动范围达到2.5°～2.7°，平均向北移动速度为每年0.09°[85]。这表明，随着冷水性物种的栖息地的缩小或北退，本地物种外移后的缺位，将导致外来物种入侵的加剧等风险出现[13]。因此，在未来气候持续变暖的情景下，我国近海区域海洋物种组成和分布将有更大的变化，包括海洋生物的群落结构、物种丰富度和多样性等将发生进一步的显著变化，导致海洋生态系统的结构和功能发生变异，从而很可能对沿海地区经济社会的可持续发展造成更严重的影响和风险。

3 结语

综上所述，全球变化背景下我国沿海地区的气候与环境发生了显著变化，沿海地区的社会-生态系统对全球变化产生了明显的响应。在海平面不断上升和强台风、强降水、极端径流等极端事件趋强趋繁的影响下，沿海地区百年一遇洪涝灾害重现期缩短，海岸面临海水入侵、海岸侵蚀和湿地生境丧失等影响。在海洋持续变暖、海平面上升和人类活动的干扰影响下，我国海岸带和海洋生态系统的结构和服务功能存在进一步变异的较高风险，包括滨海湿地进一步减少，珊瑚礁和红树林生态系统结构受损与功能退化，海洋生物资源分布格局的剧烈变化，近海渔业资源的严重衰退。这对依赖海洋生态系统提供支撑服务的沿海地区经济社会很可能产生更严重的负面影响。换言之，沿海地区经济社会的可持续发展将受到生态系统结构和服务功能变化的制约。未来在不同RCPs气候情景下，我国沿海地区将继续变暖，海平面持续上升、强台风、极端高温和海洋热浪等极端事件将很可能进一步加剧，并且，随着沿海地区经济社会的发展和人口聚集，社会-生态承灾体系统的暴露度和脆弱性呈现更为显著的动态变化。因此，多气候致灾因子与承灾体暴露度和脆弱性的相互作用将趋于复杂多变，既使得沿海地区全球变化风险格局存在极大不确定性，也使得对沿海地区全球变化风险的研究与评估存在极大困难。为深入认识未来不同气候情景下我国海岸带和沿海地区全球变化综合风险格局，急需开展以下若干科学问题的研究及关键技术的研发。一方面，需要加强开展未来不同RCPs气候情景下多气候致灾因子的演变、发生和发展规律及其致灾叠加影响研究，如未来气候情景下区域相对海平面的变化叠加超强台风、强降水和极端径流等气候致灾因子的危险性，以及我国沿海地区多承灾体系统，如社会经济、港口工程、海岸带和海洋生态系统对海平面变化、超强台风、极端径流、极端高温和海洋热浪的响应特征、机制及暴露度与脆弱性；另一方面，还需要加强多气候致灾因子与多承灾体系统暴露度和脆弱性相互作用机理的研究以及脆弱性与综合风险评估关键技术的研发，定量研究与评估未来气候变化对沿海地区经济社会可持续发展的影响及综合风险，从而为我国沿海地区应对气候变化，开展全球变化综合风险防范以及经济社会的可持续发展提供科学支撑。