科研進展 | 減排使北大西洋在全球變暖背景下成為海洋吸熱的中心

工業(yè)革命以來，人類活動產(chǎn)生大量溫室氣體和氣溶膠，造成地球系統(tǒng)能量收支不平衡，全球正在加速變暖。地貌由綠變黃，森林大火蔓延，冰雪融化導致海平面高度升高……進入地球系統(tǒng)總能量的93%通過海氣界面熱通量形式被海洋表層吸收，進而被海洋環(huán)流運輸、遷移并存儲在海洋內(nèi)部。海表吸熱是影響區(qū)域和全球氣候的關鍵因子，其變化對地球各圈層均有影響，能夠調(diào)節(jié)全球變暖速率，可謂牽一發(fā)而動全身。東亞作為全球人口密度最大的地區(qū)之一，由于全球變暖導致的風暴、洪水、高溫、干旱等災害發(fā)生頻率和嚴重性增加，該地區(qū)面臨的社會、經(jīng)濟、健康、安全等方面威脅日益加劇。 本*文`內(nèi)/容/來/自:中-國-碳^排-放“交|易^網(wǎng)-tan pai fang . c o m

圖 近一萬年的大氣CO2濃度曲線（左）以及全球平均溫度曲線（右）。人類活動使得CO2濃度和全球溫度在近一百年內(nèi)迅速攀升，遠超自然條件下的速率。無論是近一萬年還是近幾百年時間尺度上，人類活動過度排放到大氣中的CO2都是全球變暖最重要的驅動力。（左圖來自美國SCRIPPS海洋研究所， 鏈接https：//sioweb.ucsd.edu/programs/keelingcurve/；右圖摘自《WMO Statement on the State of the Global Climate in 2019》）

自19世紀中期以來，隨著全球加速增暖，海洋從大氣中吸收并存儲的熱量也在迅速增加，其中以南大洋（30°S以南，圍繞南極大陸的海域）和北大西洋的表層熱吸收為主，而南大洋的貢獻又遠遠大于北大西洋。這種海洋吸熱的南北不對稱性很大程度上源于大氣中溫室氣體和人為氣溶膠的同時增加，并且與海洋環(huán)流的變化有關。 內(nèi).容.來.自：中`國*碳-排*放*交*易^網(wǎng) t a npai fa ng.com

大西洋的一支強勁熱鹽環(huán)流--大西洋經(jīng)圈翻轉流（AMOC）在其中發(fā)揮了重要作用。大西洋上層一支由南向北的流動可以將熱帶地區(qū)暖海水輸送至北大西洋中高緯度地區(qū)，為北美和歐洲大陸帶來溫暖空氣和豐沛降水。前人通過分析冰芯等記錄發(fā)現(xiàn)，在地質(zhì)歷史時期，AMOC的減弱（如新仙女木事件，距今約1.28萬年前）會導致全球變冷、東亞夏季風減弱、冬季風增強。由此可見AMOC在調(diào)節(jié)全球氣候中有著十分重要的地位。

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圖 災難電影《后天》海報，美國自由女神像被冰封，海水被凍結，遠處是進入極寒的紐約市。全球變暖引起北極冰川加速融化，大量淡水匯入北大西洋，導致大西洋經(jīng)圈翻轉流（AMOC）停滯，全球陷入冰河紀大劫難。颶風、海嘯、地震、洪水、極度嚴寒在全球肆虐，一系列的巨變引發(fā)了一場不可挽救的災難。（圖片來自豆瓣）

自工業(yè)革命以來，溫室氣體濃度升高，人為氣溶膠排放也增多。在北大西洋地區(qū)，溫室氣體的增暖效應導致AMOC減弱、海洋吸熱增加，而人為氣溶膠卻有相反的影響，其冷卻效應使AMOC加強、海洋吸熱減少。這兩種效應相互抵消使得北大西洋熱吸收增加較少。而對于南大洋來說，由于人為氣溶膠主要集中在北半球，在南大洋地區(qū)，溫室氣體的增暖效應主要驅動海洋熱吸收的大幅增長。但當我們著眼整個21世紀海洋熱吸收的可能變化時，會發(fā)現(xiàn)在未來預估氣候變暖情景下，大氣中人為氣溶膠減少，而溫室氣體濃度隨排放情景不同或減少或增加。這與19世紀中期以來二者同時增加的狀況區(qū)別很大。因此，21世紀海洋熱吸收的區(qū)域特征和機制很可能因不同排放情景而改變。

2020年11月6日，中國科學院大氣物理研究所黃剛研究團隊聯(lián)合美國加州大學河濱分校研究人員在《Science Advances》上發(fā)表題為“Dependence of regional ocean heat uptake on anthropogenic warming scenarios”的研究論文。該研究揭示了全球變暖不同情景下氣溶膠和溫室氣體對海洋吸熱的區(qū)域影響?；凇栋屠鑵f(xié)定》確立的1.5°C和2.0°C低溫升閾值，該文在前人研究基礎上著重探討了未來低排放情景下海洋熱吸收的南北不對稱性及原因，并仔細分析了大氣氣溶膠對海洋，尤其是北大西洋熱吸收、傳輸和存儲的重要調(diào)控作用。

該團隊利用第五次國際耦合模式比較計劃的多模式模擬數(shù)據(jù)，并運用通用地球系統(tǒng)模式進行氣候模擬實驗，研究發(fā)現(xiàn)，21世紀北大西洋和南大洋海表吸熱在高排放情景下具有一致增加的長期趨勢。但值得注意的是，在低排放情景下，對比于南大洋吸熱減少的長期趨勢，北大西洋吸熱具有增加的長期趨勢，這使得北大西洋在未來會成為全球海洋吸熱的中心。其中，南大洋吸熱在高低排放情景下的相反趨勢主要是因為溫室氣體的不同走向，而北大西洋吸熱在高低排放情景下均為增加趨勢則主要受人為氣溶膠和溫室氣體共同調(diào)控。該研究進一步指出，在高、低排放情景下，未來人為氣溶膠減少會造成大西洋經(jīng)圈翻轉流（AMOC）減弱、海洋向北熱輸送減弱、北大西洋副極地地區(qū)熱輻散，進而引起北大西洋副極地地區(qū)海表熱吸收增加、整層海洋熱存儲減少。

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“前人在研究海洋吸熱在全球變暖情景下的變化時，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)相對于歷史時期，自中排放至高排放情景下，北大西洋在全球海洋吸熱中占據(jù)越來越多的比例，而南大洋對全球海洋吸熱的貢獻雖然仍為主導、但卻越來越少。然而，人們對未來低排放情景下海洋吸熱區(qū)域特征和機制的認識卻很少。”該文第一作者、中科院大氣物理研究所博士生馬曉帆說。“我們首次發(fā)現(xiàn)低排放情景下海洋吸熱具有明顯的南北不對稱形態(tài)，長遠來看，北大西洋吸熱持續(xù)增加，將成為全球海洋吸熱的主要區(qū)域。這一現(xiàn)象反映出氣溶膠的重要調(diào)控作用以及大西洋經(jīng)圈翻轉流的影響。因此，重視人為排放氣溶膠的氣候效應，考慮海洋環(huán)流的長期影響，將有助于氣候事件的檢測歸因，也有助于提升對人類活動影響氣候變化的預估水平”。 本+文+內(nèi)/容/來/自:中-國-碳-排-放（交—易^網(wǎng)-tan pai fang . com

“為了避免地球生態(tài)失衡，國際社會共同協(xié)商，各國為減緩全球變暖正在做出許多實際舉措，人類正在朝著實現(xiàn)低排放目標而努力。這一工作體現(xiàn)出低排放能夠調(diào)節(jié)海洋吸熱的重要科學意義，同時也具有推動我們認識、理解和預估低排放情景下氣候變化的重要現(xiàn)實意義”，該文通訊作者、中科院大氣物理研究所黃剛研究員特別強調(diào)。該文合作者還包括美國加州大學河濱分校Wei Liu和Robert J。 Allen，以及中科院大氣物理研究所李熙晨研究員。

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由于目前海洋觀測的時空局限性，該研究依賴于氣候模式的模擬結果。未來觀測體系的健全、觀測數(shù)據(jù)的改進有利于在此基礎上進行補充研究。加強氣候模式的研發(fā)，提升氣候模式對海洋環(huán)流的模擬能力，有助于提高我們對海洋吸熱的認識，進而進行合理有效預估，為決策者作出減緩氣候變化有關決斷提供堅實科學基礎。 本/文-內(nèi)/容/來/自:中-國-碳-排-放-網(wǎng)-tan pai fang . com

圖1 低排放（RCP2.6）和高排放（RCP8.5）情景下CMIP5多模式模擬的海洋熱吸收變化。CMIP5多模式平均的2006-2100海洋熱吸收趨勢（A， B），圖A為RCP2.6情景，圖B為RCP8.5情景，打點區(qū)域通過95%顯著性檢驗，正值表示海洋獲得熱量。CMIP5模式模擬的北大西洋（35oN-70oN， 80oW-10oW，藍色）和南大洋（35oS-70oS， 0o-360o，粉色）海表熱吸收異常值2006-2100年平均序列（C， D），圖C為RCP2.6情景，圖D為RCP8.5情景，粗線表示多模式平均結果，彩色陰影表示一個標準差的模式間不確定性，計算異常值參考時段為2006-2025年，為方便作圖南大洋熱吸收時間序列的數(shù)值被擴大了三倍。（圖片來自本篇所述科研論文）

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X。 Ma， W。 Liu， R。 J。 Allen， G。 Huang*， X。 Li， Dependence of regional ocean heat uptake on anthropogenic warming scenarios。 Sci。 Adv。 6， eabc0303 （2020）。 DOI：10.1126/sciadv.abc0303

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