新知丨海洋暖化:过去和未来

如果从太空中望向地球,你会发现,地球是一颗闪着淡蓝色光泽的小球:你能看到斑驳广袤的陆地、形态各异的白云、极地连绵的冰盖,更多的是广阔蔚蓝的海洋(图1)。

海洋,占了全球表面积的71%,平均深度达4000米,所以我们的地球更准确的说是一颗“水球”。正是因为海洋的存在,使得地球闪耀着蓝色的光泽,成为星空中独特的存在。

海洋更是孕育了地球中的第一个生命,是地球生命的起源。

海洋暖化:过去和未来

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图1. 美国航空航天局NASA卫星拍摄的地球。

海洋,也是全球气候的重要控制器和调节器。近百余年来,人类社会、工业活动不断燃烧积累在地球内部亿万年的煤炭、石油、天然气等化石燃料,释放出大量二氧化碳等温室气体。温室气体就像棉被一样盖住了地球,使得地球不断的被“捂热”,这就是全球变暖。同时,因为水相对于空气能够更多的储存能量(水的比热容比空气大),所以全球变暖增加的能量90%以上都存储在海洋中,使得海水变暖。因而,海洋的能量变化直接反应全球气候变化。要知道全球变暖了多少,就必须知道海洋变暖了多少!

海洋变暖速率到底有多快?

上世纪90年代起就有科学家发现一些区域海洋在变暖,直到2000年,美国科学家S. Levitus第一次正式给出了一个被广泛使用的海洋热含量时间序列,首次给出了海洋变暖的直接证据(热含量是反映海水整体温度变化情况的一个指标)。但海洋到底变暖速率有多快?2013年联合国发布的国际政府间气候变化评估报告第五次报告(IPCC-AR5)中的1950-2010年间海洋上层700米热含量变化估算(图2)显示,不同机构独立做出的估算差异很大:最小的估计是最大估计的仅一半!这说明海洋到底变暖了多少还有很大争议。

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图2. 2013年联合国发布的国际政府间气候变化评估报告第五次报告中的1950-2010年间海洋上层700米热含量变化估算。五个时间序列代表五个不同的国际机构的估算。

海洋变暖多少的争议来源于过去海洋观测数据质量和数量的不足。如图3,在上个世纪,海洋观测主要分布在人类活动较多的北半球或者主要国际航线上,很多海区都没有观测。直到本世纪,Argo观测网的构建,才使得海洋第一次有了接近全球海区的覆盖(图3)。一些海洋观测数据质量也存在问题,比如XBT数据和MBT数据(图3)均存在系统性偏差。

CTD:电导率温度深度记录仪

MBT:机械式深海温度计

XBT:抛弃式测温仪器

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图3. 从上到下依次为1934、1960、1985和2009年海洋次表层观测分布。绿色为Argo仪器观测,深蓝色为XBT、浅蓝色为MBT、红色为CTD。

科学家们的努力:准确估算海洋变暖速率

这些难题促使科学家不断进行深入研究、协同攻关,以更好的解决这些问题,进而更准确的估计海洋变暖状况。2005年之后,海洋科学家们在海洋中布放了一些新的仪器Argo(图3),得到了较好的全球海洋热含量估计。但是科学家们永远无法穿越到2005年之前,重新用高精度的仪器观测过去的海洋状况,因此海洋数据领域科研人员一直在持续不断的改进旧数据的质量、发展新的技术以更准确的重构过去海洋的状态。

近些年,包括大气所团队在内的几个国际团队提出了一批新的方法(例如Cheng& Zhu 2016; Cheng et al. 2017)。大气物理研究所最新的海洋上层2000米热含量数据,以及更新和改进了方法的日本气象厅、澳大利亚联邦科学与工业研究组织、美国普林斯顿大学等新数据表明,全球海洋从1958年以来显示出非常一致上升趋势,表明了全球海洋正处于无可争议的变暖过程中(图4)!在1971-2010期间,全球海洋上层2000米变暖速率为0.36~0.39 Wm-2。新的估算显示出比IPCC-AR5更强的海洋变暖速率:IPCC-AR5的同期估计仅为0.24~0.36 Wm -2(图4)。此外,海洋变暖在上世纪90年代后显著加速:1991年后海洋上2000米变暖速率为0.55~0.68 Wm-2。这直接反映了人类活动持续排放的温室气体对海洋的影响。

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图4. 1958年至今最近估算的全球海洋上层2000米海洋热含量变化,以及2018-2100年气候模型预测的未来变化。未来预测包括2个:红色为如果未来维持高温室气体排放的预测;紫色为未来进行一定程度的减排,使得地表气温有可能实现《巴黎协定》目标的预测。图自(Cheng et al. 2019a)。

海洋变暖:已产生严重的影响

百余年来人类的工业社会活动已经深刻的改变了海洋环境,海洋增温已经造成了海平面上升、溶解氧下降、极端事件加剧、珊瑚白化、海洋渔业生产力下降等后果。

科学家发现,截至2010年,我国广东、广西、海南沿岸的珊瑚礁在过去的30年中由于人类活动破坏和污染导致失去了80%的造礁石珊瑚数量;而南海的珊瑚岛礁由于渔业的过度捕捞和长棘海星的暴发,在近10-15年珊瑚平均覆盖率从60%下滑至20%左右。2018年发生在我国东北的海参死亡事件就是因为辽宁沿海区域发生了海洋热浪,近表层的水温持续超过30摄氏度。在未来海洋和大气变暖的背景下,海洋热浪会越来越多,会对我国沿海的养殖业造成极大的风险。最新发表在《Science》的系统性研究表明:自1930年以来,由于海洋暖化,全球海洋渔业生产力已经下降了4%,在一些区域已经下降达到了35%(Free et al. 2019)(图5)。海洋暖化对海洋生态系统以及人类利用渔业资源已经产生了严重的影响。

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图5. 海洋渔业生产力的变化幅度:圈内数字代表净生产力变化大小。圈内颜色代表上升或者下降的百分比。图自(Free et al. 2019)。

海洋是台风、飓风等极端天气的能量来源,更暖的海洋将导致未来台风更强、降水更多。2018年发生的台风“山竹”、飓风“莱恩”等是近些年最强或降水最多的台风之一,如果海洋加速变暖,类似的极端天气频度、程度都可能加强。

由于“热胀冷缩”效应,不断变暖的海洋已经造成了海平面的持续上升:海洋变暖贡献了过去百年海平面上升的30%。未来将持续推升全球海平面,给沿海、低洼和小岛屿地区带来越来越多的气候风险。

未来变暖是否将持续?

未来海洋将如何变化呢?地球系统是一个包括多种复杂过程和反馈的复杂系统。通俗的说,给一个“外源刺激”,地球系统会通过各种过程去“平息”或者“减弱”这个刺激,使得整个系统依然处于一个较为稳定的状态。对气候变化来说,温室气体就是一个持续的“刺激”,海洋的调整过程比较缓慢,一般认为需要百年甚至千年的时间对温室气体升高完成调整。目前观测到的海洋升温过程就是地球系统对温室气体这个刺激的调整过程。

气候模型是理解过去气候变化原因、并对未来全球气候状况进行预测的主要工具!耦合模式比较计划5(CMIP5)的模型是目前使用最广泛的气候模型集。1970-2010年间,CMIP5模拟的海洋上层2000米变暖速率为0.39 Wm-2,与最新的观测几乎一致(图4)。模型对过去情况的优秀的模拟效果极大提升了其对未来预估的可信程度。但未来预估依赖于未来社会经济发展情况,即未来温室气体排放情况。如果根据未来维持高温室气体排放(RCP8.5情景下),2081-2100年间,整个上层2000米海洋将相对于1991-2005年的状况变暖0.78摄氏度,这是过去60年海洋变暖总量的6倍!但是,如果未来全球施行较为积极的气候政策,可以接近或达到《巴黎协定》目标(即RCP2.6情景下),2081-2100年间海洋上层2000米将平均变暖0.4摄氏度,是过去60年海洋变暖总量的3倍!可以看到,虽然人类已经无法避免的造成了海洋暖化,但不同的社会经济发展形态将会对未来海洋变暖情况产生极大的影响!可以说,人类的未来取决于人类自己的选择!

如何应对?

积极的监测、深入理解全球变化事实和机制、改进气候模型的效果是应对全球变化风险的第一步。对于全球海洋观测来说,目前海洋观测在近海、边缘海、极地、2000米以下深海等区域依然缺乏,亟需建立完整的海洋观测网。目前国际Argo计划启动新一轮设计,将计划在2020-2030间建成2500个核心Argo(探测海洋上层2000米海洋温盐)、1200个深海Argo(能探测6000米深温盐),1000个生物地球化学Argo的(包括溶解氧等6个变量)观测网,届时将实现更好的全球观测。但Argo网并不是一个国家或者机构能建立起来的,需要各个国家齐力贡献、通力合作!我国也已启动多个新的观测计划,例如热带太平洋观测网等(Song et al. 2018)。

科学家向同行和社会公众提供信息服务是一项天职。自2018年起,中科院大气所每年1月份于大气科学进展《AAS》发布上一年度的海洋热含量监测结果,对上一年的海洋状况进行盘点。2018年1月,大气所联合国内外十家单位共同发布2018年度海洋暖化状况报告(Cheng et al. 2019b),表明2018年是有现代观测记录以来海洋最暖的一年!过去五年是海洋最暖的五年!不断创纪录的海洋变暖表明:减缓全球变暖和减弱变暖影响、风险的道路依然长远。

减少二氧化碳等温室气体排放是解决全球变暖的最终方法。所以,人类的未来掌握在自己手中!选择什么样的未来需要每一个个体、社会、政府等共同努力(图6)。2015年12月,各国政府在巴黎气候变化大会上通过《巴黎协定》,主要目标是将本世纪全球平均气温上升幅度控制在2℃以内,并将全球气温上升控制在前工业化时期水平之上1.5℃以内。2018年10月8日,IPCC在韩国仁川发布《全球升温1.5℃ 特别报告》,评估表明将全球温升控制在1.5℃内将极大地降低气候风险,升温幅度越小,对人类和生态系统冲击越小!

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图6. 未来的全球变暖状况取决于人类的选择(是否排放温室气体、以及排放多少)!

来源:中国科学院大气物理研究所

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