引子 1    全球变暖    海平面   质量   比容  动力   辐射强迫   

        海平面研究是理解气候变化影响、评估沿海风险、推动科学进步的核心领域。海平面上升是全球变暖最确定的后果之一，主要通过热膨胀和陆地冰融化导致的质量增加驱动，且后者贡献正日益增大。然而，海平面的变化绝非均匀或简单的线性响应。全球变暖提供根本驱动力和背景趋势。多尺度海洋动力过程（从全球MOC到中尺度涡旋再到小尺度湍流混合）通过调控热量的吸收、储存、输运和再分布，以及质量的重新分配，塑造了海平面变化的复杂空间格局（区域差异可达全球平均值的数倍）和时间变率（从季节到年代际振荡）。这些动力过程本身也受到全球变暖的影响（如风场改变、冰融淡水输入影响MOC、层化增强抑制混合），形成复杂的反馈回路。因此，精确理解和预测海平面变化（尤其是对沿海防护至关重要的区域变化），必须将全球变暖的强迫与多尺度海洋动力过程及其相互作用纳入一个统一的地球系统框架中进行研究。这需要持续的高精度观测（卫星、现场）、先进的数值模拟和深入的过程理解。海平面不仅是一个环境指标，更是人类未来可持续性面临的严峻挑战的核心体现。

一、自由海面说多尺度热动力过程本质与关联核心

        海平面变化与海洋热动力过程存在密切关联，从宏观到微观的不同尺度上，海洋热动力过程（涉及热量传递、动力运动及二者耦合的过程）通过改变海水体积、质量分布或运动状态，直接或间接影响海平面变化。海洋热动力过程通过以下两种机制影响海平面。1）热效应。海水温度变化导致密度改变（热胀冷缩），引起体积变化（热膨胀效应）；2）动力效应：洋流、涡旋等运动通过辐合 / 辐散、垂直运动等，导致海水在局部或区域堆积 / 流失，改变质量分布。不同尺度的热动力过程通过上述机制，在空间和时间上共同塑造了海平面的变化特征。

       全球尺度的热动力过程主要通过长期热量累积和大规模质量再分配，影响全球平均海平面（GMSL），是海平面长期上升的核心驱动力。首先是热膨胀效应（Thermal Expansion）。温室效应导致全球海水升温（尤其是上层 1000 米）。海水热膨胀是最主要的全球平均海平面上升贡献者（约占总上升量的30-50%，近年占比更高）。其本质是，当海水吸收热量（主要来自温室气体增加导致的辐射强迫），温度升高，分子热运动加剧导致海水密度降低、体积增大，从而抬升海平面。属于典型的热动力过程（热量驱动的体积变化）。据 IPCC 报告，过去半个世纪全球海平面上升中，约 40% 由热膨胀贡献。热膨胀效应在海洋上层（约0-700米）最为显著，因为大部分额外热量被该层吸收。深海则增温较慢，贡献相对较小，但长期来看，其重要性不容忽视。其次，是全球水循环与质量输送。冰川、冰盖融化（受全球升温驱动）向海洋输入淡水，导致海水总质量增加，推高海平面。这一过程虽直接表现为质量变化，但其根源是热动力过程（气温升高打破冰 - 水平衡）。同时，全球尺度的洋流（如温盐环流）通过跨纬度输送海水，影响全球质量分布的长期平衡（如北大西洋海水下沉会间接影响低纬度海平面）。MOC 是全球尺度海洋热量（和盐分）输送的关键引擎（如大西洋经向翻转环流 AMOC）。它将赤道吸收的热量向高纬度输送。若 AMOC 减弱（如因高纬度增温、淡水输入增加），向北的热量输送减少，导致北大西洋区域变冷（相对），海平面上升速率可能低于全球平均（因热膨胀减弱甚至收缩）；而赤道和南大西洋可能因热量堆积导致海平面上升快于全球平均。这是一个典型的热动力过程（环流变化）导致热量再分布，进而引起非均匀的海平面变化。影响的时间尺度以年代际到世纪尺度为主。此外，大尺度海洋-大气耦合模态，涉及海洋热含量、环流（风生和温盐）和大气环流（风、热通量）的协同变化，是区域海平面年代际变率的主要来源之一，其叠加在长期上升趋势之上。Rossby长波是海洋调整行星尺度动力平衡的"慢调节器"，通过热量西传、边界反射和环流重组，主导了海平面变化的区域分异、滞后响应和年代际震荡。理解其动力学，是解码"为何某些海岸海平面上升更快"的关键钥匙。这些振荡反映了海洋内部热量在数十年尺度上的重新分配。如PDO 暖位相时，热带中东太平洋暖，阿留申低压强，北太平洋中部冷。导致热带中东太平洋海平面因热膨胀升高，北太平洋中部海平面相对较低。AMO 暖位相时，北大西洋大部异常暖，AMOC 往往偏强。导致北大西洋区域海平面因热膨胀显著升高。需指出的是，虽然热膨胀效应是全球平均海平面上升的主因，但其区域分布不均，主要受环流动力影响。

        区域尺度（如大洋盆、海盆）的热动力过程通过热量分布不均和动力输送，导致区域海平面异常（RSLA），其变化幅度常偏离全球平均。影响的时间尺度以季节、年际、年代际为主。一方面是洋流输送与热量再分配。大洋环流（如西边界流、赤道流系）通过水平输送改变区域海水温度和质量。强大的暖流（如湾流、黑潮）因其较高的温度和较低的密度，其核心区域海平面相对较高（动力地形）。环流路径、强度的变化会改变这种动力地形，导致区域海平面显著变化（可达几十厘米）。西太平洋暖池因洋流汇聚大量高温海水，热膨胀显著，导致该区域海平面比东太平洋高约 0.5-1 米；北大西洋暖流将低纬度热量输送至高纬度，使北欧海域海水温度高于同纬度其他海域，热膨胀差异导致区域海平面偏高；另一方面是大气环流与动力堆积，区域大气环流（如季风、副热带高压）通过风应力驱动海水动力运动。其中风生环流（如西边界流、赤道上升流）是次表层热量水平输送的重要途径。环流的变化会改变热量的水平和垂直分布。风应力旋度驱动埃克曼泵吸，导致大尺度上升流（如赤道、东边界）和下降流（如副热带海盆中心）。上升流将深层冷水带到表层，降低表层温度，抑制局部热膨胀，甚至导致海平面相对下降；下降流则使表层暖水下沉，影响次表层热储。风场变化会改变这些过程，影响区域热含量和海平面。风场变化直接改变大洋环流结构，从而调整由环流维持的大尺度动力地形（海面高度异常），导致区域海平面变化。例如，信风增强可将更多暖水堆积在西太平洋，抬升该区域海平面（如ENSO暖位相时的西太）。又如北印度洋受季风影响，夏季西南风推动海水向孟加拉湾堆积，导致该区域海平面季节性上升（幅度可达 0.3 米）；副热带高压控制的大洋东部（如加利福尼亚沿岸），风场导致海水离岸辐散，深层冷水上翻，温度降低（热收缩）且质量减少，海平面偏低。

       中尺度过程（水平尺度 10-1000 公里，时间尺度数天至数月）主要通过海洋涡旋、海洋锋面等运动，形成海平面的局部起伏，是区域海平面 “精细化” 特征的关键成因，影响时间尺度以周、月尺度，但对维持平均状态和长期变化有累积效应。海洋中尺度涡旋（如反气旋涡旋、气旋涡旋）本身通过其热结构（暖涡热膨胀强，冷涡弱/收缩）产生局地海面高度异常（可达几十厘米）。其中反气旋涡旋（顺时针旋转）中心海水辐合下沉，导致海水堆积，海平面比周围高 5-20 厘米；气旋涡旋（逆时针旋转）中心海水辐散上升，海水流失，海平面比周围低 5-20 厘米。因此，它们是海洋中进行侧向热量混合和输运的关键角色，也是热动力耦合的典型产物。它们将热量从平均流的强流区（如西边界流）向弱流区（海盆内部）输送，影响区域热含量的分布和背景海平面场的结构。涡旋与大尺度环流相互作用（如通过雷诺应力），可以反馈调节平均流的强度和位置，进而间接影响大尺度的动力地形和海平面。同时，涡旋的形成与洋流剪切、热对流密切相关（如暖流与寒流交汇区易生成涡旋），其携带的热量（如暖涡 / 冷涡）还会通过热膨胀进一步放大海平面差异。海洋锋面（Fronts）由冷暖水团交汇形成，是温度（密度）水平梯度很强的狭窄区域（如湾流锋、黑潮锋），两侧海水温度差异可达 5-10℃，热膨胀差异直接导致锋面两侧海平面出现 0.1-0.5 米的台阶式变化。尤其边界流（如西边界流）是热量的高速输送带。锋面和强流区域存在显著的地转平衡关系，海面高度随横跨流的方向急剧变化（跨湾流方向海面高度差可达1米）。而且这些高梯度区的南北摆动或强弱改变，会直接导致其邻近广阔区域（如美国东海岸、日本沿岸）海平面发生显著变化（年代际变化可达十厘米量级）。这种变化部分源于流本身携带的热量（温度）变化引起的热膨胀调整，部分源于流动力高度的变化。同时，锋面处的水平密度梯度会驱动次级环流，加剧海水辐合 / 辐散，强化海平面起伏。

       小尺度过程（水平尺度 < 10 公里，时间尺度秒至天）主要影响近岸或局地海平面，表现为短期、高频波动。波浪是风应力驱动的小尺度动力过程，其周期性起伏不改变平均海平面，但风暴潮（极端风力 + 低气压）可通过动力堆积（向岸风推高海水）和热效应（风暴期间海水混合导致的温度变化），使近岸海平面短期上升数米（如台风引发的风暴潮）。潮汐本质是天体引力驱动的动力过程，但其幅度受海水温度影响。升温导致海水密度降低，潮汐波传播速度加快，可能使近岸潮汐幅度增加 5%-10%；同时，潮混合会改变局部海水温度（如浅海潮汐混合使底层冷水上翻），通过热膨胀反向影响潮汐引起的海平面波动。河口或浅海区域，太阳辐射导致局部海水升温，密度降低的海水上浮，形成垂直环流，即近岸热对流，可能使近岸海平面短期上升数厘米（尤其夏季午后）。

（待续...）

再说温柔面论自由海平面与全球气候变化及多尺度海洋热动力过程之二浮沉：

自由海面之绝对性、相对性和多尺度叠加的复合性与极端性