引子 3 

       海平面上升作为全球变暖最显著的后果之一，正以加速态势重塑海岸带生态与人类社会安全。理解其变化机制的核心钥匙，在于通过解剖海水热膨胀的物理膨胀力、冰盖消融的淡水注入量及海洋环流的三维重组效应，揭示隐藏于海面高度波动背后的多尺度能量-物质循环。然而，海平面收支的闭合远非简单的算术叠加：从深海热储藏的观测盲区、冰盖-海洋耦合的强非线性反馈，到区域动力地形对风场与盐度扰动的敏感响应，诸多未解环节导致全球平均海平面上升的残差仍挑战着当代地球系统科学的认知边界。为赋能高置信度的海岸韧性战略，在气候临界点逼近的今天，解码海平面收支不仅是地球流体力学的前沿探索，更是人类命运共同体应对淹没危机的科学基石。

        海平面收支平衡的演化方程构建需综合质量守恒、体积变化和动力调整过程，其推导途径可分为运动学（基于连续性）和动力学（基于受力平衡）两类。

一、运动学途径：基于质量/体积守恒的全局平衡

   海平面变化（η）源于海洋总质量增加（ΔM）与总体积膨胀（ΔV）之和：

分解为贡献项：

   其优势是直接关联可观测物理量（卫星重力测质量 + Argo浮标测温盐）。用于量化贡献源（如IPCC评估中冰川/冰盖/陆地水对质量项的贡献）。局限是忽略区域动力过程（如环流调整引起的海面倾斜）。无法解释空间非均匀性。

二、动力学途径：基于原始方程组的局部平衡

   从海洋原始方程组出发，导出海面高度η(x,y,t) 的演化方程。基本控制方程包括：

海面高度方程的推导（Boussinesq近似下），

三、简化实用模型：基于位涡动力学的途径

   针对大尺度调整（如Rossby波），从位涡守恒导出海平面演化。准地转位涡方程（QGPV）：

物理意义表达Rossby波传播导致η 异常西传。用于解析海平面年代际变率（如PDO相位转换）。

四、数据同化途径：观测约束下的闭合方程

   融合观测数据（卫星测高、Argo、GRACE）构建经验-动力混合方程：

同化过程：

   其优势是量化未闭合项（如深海增温未被Argo覆盖的误差）。可生成再分析产品（如CMEMS SEALEVEL_GLO_PHY_L4_REP）。

途径对比与适用性

   目前存在关键科学挑战，首先是深海贡献闭合问题，深海热膨胀（3000 m以下）占GMSL上升的~15%，但Argo观测仅覆盖2000 m以浅。在冰盖-海洋耦合方面存在偏差，原因在于冰架融化的淡水输入（质量源）与环流反馈（如AMOC减弱）存在非线性相互作用。另外，区域高精度预测能力待提升，特别是沿岸地形、波浪-潮汐非线性作用需千米级分辨率模型，远超当前地球系统模型能力。

 海平面收支方程的构建需从运动学守恒律出发明确源汇项，再通过动力学方程解析空间格局演化，最终借助数据同化实现观测与理论的统一。未来突破依赖高分辨率耦合模式、深海观测及冰盖动力学的进步。

 海平面收支分析的核心目标是通过量化质量变化（Barystatic）和体积变化（Steric）的贡献，闭合海平面变化的物理机制。其基本假设是构建可观测、可计算框架的基础，但也引入特定不确定性。

1）质量-体积分解的独立性假设

  这里存在局限性，由于两者非完全独立，考虑淡水输入（质量项）同时改变局地盐度

 ，影响比容项（如极地冰融导致表层淡水层化，抑制热膨胀）。 

2）Boussinesq近似假设

   在海洋动力学方程中，海水密度变化仅影响浮力项（动量方程），而忽略其在连续性方程中的压缩效应，即

   其物理意义可简化计算，允许使用体积守恒代替质量守恒。但仅对上层海洋（<2000 m）动力过程有效。因此，局限性是低估全球海平面上升，忽略海水可压缩性（绝热压缩率约4×10⁻¹¹Pa⁻¹），导致热膨胀贡献低估约0.1 mm/年。且不适用深海过程。深海压强变化引起的密度改变不可忽略（如深海增温时压缩效应抵消部分热膨胀）。

3）稳态参考框架假设

   海平面变化参考于一个固定地球参考框架（如地心参考系ITRF），忽略固体地球形变，包括冰川均衡调整（GIA）、地震、地幔对流引起的陆架垂直运动，以及地球自转变化，如冰后回弹导致的地球惯性矩变化及极移。GIA模型不确定性（如地幔黏度参数）会导致高纬度（如波罗的海）海平面趋势误差达±0.4 mm/年。而大地震（如2011日本东北地震）引发厘米级瞬时陆架形变，将干扰短期海平面信号。因此，卫星测高（Jason系列）和重力卫星（GRACE）数据需校正GIA效应（典型值：±0.3 mm/年）。相对海平面（验潮站数据）需扣除陆地垂直运动分量。

4）线性叠加性假设

   一般采用小扰动近似，各过程独立且振幅较小（除冰盖崩溃等极端情形）。不同过程（如热膨胀、冰融、环流调整）对海平面变化的贡献可线性叠加。无法考察非线性相互作用过程，如冰盖-海洋反馈过程，南极冰架融化的淡水输入抑制深水形成，削弱AMOC，改变热输送格局。另外是盐度-环流耦合过程，淡水输入强化层化，减少垂向混合，使热量更集中于上层。

5）封闭系统假设（质量守恒）

   海洋总质量变化仅由外部输入（冰川融水、陆地水通量）驱动，忽略地幔-海洋交换，如海底火山活动、蛇纹石化作用导致的水合/脱水反应。以及海底沉积层排水（如三角洲地区）的沉积物压实。其优势在于主导项明确，冰盖/冰川融化和陆地水储量变化占总质量项的>95%（IPCC AR6）。但存在海底水通量不确定性，估算值约0.01 mm/年量级，但空间异质性强（俯冲带可达局部1 mm/年）。另外是沉积物排水，在大型三角洲（如恒河-布拉马普特拉河）贡献达0.3–0.8 mm/年（未被GRACE观测）。

6）静水平衡假设（动力地形计算）

   海面高度（SSH）与海洋内部压力场满足静力平衡：

其适用于如地转流主导（如湾流海面坡度）的大尺度环流（>100 km）。

但以下情形非静力过程失效：

   前沿方向应发展非Boussinesq框架，改进深海热膨胀计算（如OMCT模型）。并通过耦合冰盖-海洋模型，解析冰融淡水与环流的双向反馈（MITgcm-ISSM耦合）。构建高分辨率数据同化，融合卫星与现场观测，约束非线性相互作用（CMEMS产品）。

 此外，还有静态平衡海平面（即大地水准面和海底）在时间上保持恒定，水平海洋面积在时间上是恒定的，在空间和时间中，重力加速度是恒定的等假设。

 海平面收支的假设体系是平衡物理严谨性与计算可行性的产物。理解其边界条件，方能客观评估当前闭合水平（全球约0.3 mm/年残差）并指引观测设计（如向深海、极区扩展）。