JAMES: 基于双层气候系统响应的动力海平面模拟和预估
发布时间: 2021-05-18

       海平面上升会给沿海地区的社会、经济和环境造成巨大的危害。受到全球变暖的影响,全球平均海平面正在加速上升。这主要是受到海水的热力膨胀,以及冰川冰盖受热消融而注入到海洋中的淡水造成。而直接威胁沿海地区的区域海平面的变化与全球海平面变化并不相同,因为它除了受到海水热力膨胀和冰川冰盖消融影响之外,还受到很多复杂的局地因素影响。预估未来区域海平面变化对沿海地区防范海平面上升带来的风险十分重要,但由于其复杂性仍然存在很多难点。

       动力海平面变化是区域海平面变化的一个重要组成要素。它主要是由海表面的风和海洋内部的环流而引起的。作为预估动力海平面变化的重要工具之一,气候耦合模式可以模拟出全球各区域动力海平面的自然变率以及外强迫引起的变化。然而运行气候耦合模式需要高性能计算机和较长的计算机时,因此如果要产生上百年的大样本预估则会非常昂贵。另外,耦合模式比较计划(CMIP)的多模式集合由于模式之间存在千丝万缕的联系从而无法完全表征未来预估的概率密度分布,往往会低估未来变化的不确定性和极端事件的概率。海平面影响评估和决策规划需要上百年的未来海平面变化预估,以及对其概率密度分布的完全覆盖。为了满足这些需求,基于简单气候模式的动力海平面模拟器被开发出来,并广泛应用于科学研究和决策规划中。然而传统的模拟器只考虑了全球大气和海洋表层的温度变化,忽视了深层海洋在吸收热量之后的滞后变暖。这种深层海洋的滞后响应在较短时间内影响并不明显,但对上百年尺度上的变化影响很大。因此传统动力海平面模拟在2100年之后的误差显著增加。复旦大学大气与海洋科学系/大气科学研究院袁嘉灿青年研究员联合美国罗格斯大学的Robert E. Kopp教授(Yuan and Kopp, 2021)引入双层能量平衡模式,同时考虑大气-海洋表层的响应和深层海洋的响应,发展了基于双层气候系统响应的动力海平面模拟器。和传统模拟器相比,新发展的模拟器模拟的动力海平面误差在2271-2290年三种未来气候预估场景RCP2.6RCP4.5,和RCP8.5中分别下降了36%, 24%,和34%(图1)。 运用基于双层气候系统的模拟器,Yuan and Kopp (2021)对四种不同的未来气候变化场景(RCP2.6 RCP4.5SSP3-7.0RCP8.5)下2005-2300期间动力海平面的未来变化和不确定性进行了预估(图2)。该预估结果有望被添加到区域海平面预估中,为评估沿海海平面变化影响提供依据。

论文信息J. Yuan*, and R. E. Kopp (2021). Emulating ocean dynamic sea level by two-layer pattern scaling. Journal of Advances in Modeling Earth Systems. 133.

论文链接https://doi.org/10.1029/2020MS002323


图1. 在三种未来气候变化预估情景下(RCP2.6, RCP4.5, RCP8.5)动力海平面模拟与气候耦合模式模拟的动力海平面相比的误差。其中,univariate代表只考虑大气和海洋表层响应的动力海平面模拟结果,bivariate代表同时考虑大气-海洋表层和深层海洋响应的动力海平面模拟结果。


图2. 运用基于双层气候系统响应的动力海平面模拟器,对不同未来气候变化情景下(RCP2.6, RCP4.5, SSP3-7.0, RCP8.5)动力海平面分别在(a)2081-2100年 和(b)2271-2290年相较于1986-2005年的变化预估。其中第1和第3列为中位数预估,第2和第4列为预估的66% (17th-83th)区间宽度。(单位:米)