海洋加速變暖，碳排放“加熱”效應(yīng)將持續(xù)數(shù)百年

近期發(fā)布的國際首份2021年海洋變暖報(bào)告，再次揭示了一個(gè)驚人事實(shí)：全球海洋正在加速變暖。

 

數(shù)據(jù)顯示，2021年海洋升溫持續(xù)，這一年成為有現(xiàn)代海洋觀測記錄以來海洋最暖的一年。同時(shí)，地中海、北大西洋、南大洋、北太平洋海區(qū)溫度均創(chuàng)歷史新高。

 

這份報(bào)告由中國科學(xué)院大氣物理研究所牽頭，聯(lián)合全球14個(gè)研究單位的23位科學(xué)家組成的國際研究團(tuán)隊(duì)共同完成，發(fā)表于國際學(xué)術(shù)期刊《大氣科學(xué)進(jìn)展》（AAS）上。

 

全球變暖90%以上的熱量儲存在海洋中。最新數(shù)據(jù)表明，2021年，全球海洋上層2000米吸收的熱量與2020年相比增加了14×1021焦耳，這些熱量大致相當(dāng)于中國2020年全年發(fā)電量的500倍。

 

過去80年中，以十年為間隔，海洋在持續(xù)不斷地變暖。而海洋變暖會引發(fā)一系列影響人類活動和生態(tài)系統(tǒng)的嚴(yán)峻后果。

 

大自然再一次給人類敲響了警鐘。

 

過去80年，海洋每一個(gè)十年都比前十年更暖

 

如果讓外星人給地球起個(gè)名字，“水球”或者“藍(lán)球”應(yīng)該是不錯(cuò)的選擇。在宇宙中，地球看起來就是一顆藍(lán)色的水球，海洋覆蓋了地表面積的約71%，平均厚度達(dá)4千米，儲存著97%的水資源。

 

地球上，海洋總質(zhì)量達(dá)到1.4×1018噸，與之相比，大氣總質(zhì)量僅為5×1015噸，僅約為海洋總質(zhì)量的0.36%。由于海水的比熱容遠(yuǎn)大于大氣與陸地表面，因此海洋的熱儲存能力更強(qiáng)，是全球變化的主要調(diào)節(jié)器。

 

進(jìn)入地氣系統(tǒng)的太陽輻射，經(jīng)過大氣、云層和表面的反射，以及大氣層的吸收之后，只有約51%可以加熱地球表面，而這其中的70%被海洋吸收，然后再以長波輻射、潛熱感熱等多種能量形式釋放出去。

 

過去100多年里，全球溫室氣體逐漸增加，使地球系統(tǒng)“困住”了更多熱量，直接驅(qū)動了全球變暖，這些能量90%以上都存儲在海洋中，因此海洋熱含量變化是氣候變化的一個(gè)核心指針：海洋變暖實(shí)際上就等于全球變暖。

 

當(dāng)考慮全球能量或熱量變化時(shí)，甚至可以忽略大氣和陸地表面溫度的變化，只分析海洋熱容量的變化，就可較為準(zhǔn)確地了解地球氣候系統(tǒng)的變化狀況。

 

根據(jù)常年觀測數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，過去80年，海洋每一個(gè)十年都比前十年更暖。近年來，海洋變暖引發(fā)的一系列嚴(yán)峻后果逐個(gè)浮出水面，包括推升全球海平面，降低海洋二氧化碳吸收效率，增加海洋熱浪發(fā)生概率，造成更多強(qiáng)臺風(fēng)/颶風(fēng)和極端降雨等事件。

 

此次，研究團(tuán)隊(duì)同時(shí)發(fā)布了兩個(gè)國際機(jī)構(gòu)的2021年海洋熱含量數(shù)據(jù)，分別來自中國科學(xué)院大氣物理研究所的IAP/CAS海洋觀測格點(diǎn)數(shù)據(jù)，以及來自美國海洋和大氣管理局國家海洋信息中心（NOAA/NCEI）的NCEI格點(diǎn)數(shù)據(jù)。

 

2021年海洋變暖報(bào)告表明，海洋變暖在南大洋、中低緯度大西洋、北太平洋等區(qū)域更為劇烈。實(shí)驗(yàn)表明，溫室氣體增加是驅(qū)動海洋變暖空間結(jié)構(gòu)的主要原因。此外，工業(yè)和生物氣溶膠排放、土地利用變化等對海洋變暖也有一定影響。

 

與陸地相比，海洋對大氣溫室氣體增加的響應(yīng)較為緩慢和滯后，過去的碳排放導(dǎo)致的海洋變暖等影響將持續(xù)至少數(shù)百年之久，這一現(xiàn)象凸顯了海洋在全球氣候變化中的重要作用。研究團(tuán)隊(duì)指出，需要充分將海洋變暖的影響納入氣候風(fēng)險(xiǎn)、氣候影響評估和應(yīng)對當(dāng)中。

 

重建長期資料，補(bǔ)足海洋觀測“缺失的拼圖”

 

隨著全球溫室氣體濃度不斷攀升，全球升溫已成既定事實(shí)，海洋變暖多少的問題一直是科學(xué)家致力解決的難題。而海洋觀測歷史數(shù)據(jù)不足，數(shù)量偏少且質(zhì)量不佳，是困擾研究的“硬傷”。

 

地球表面分布著數(shù)以萬計(jì)的氣象觀測站，其中最悠久的已有200多年的連續(xù)觀測歷史。這些觀測對于了解過去100多年、尤其是近50多年的陸地表面氣候變化，發(fā)揮了至關(guān)重要的作用。相比之下，氣候監(jiān)測的海洋資料極為匱乏。

 

自1998年起，國際上開始籌建Argo全球?qū)崟r(shí)海洋觀測網(wǎng)，以便長期、自動、實(shí)時(shí)和連續(xù)獲取大范圍、深層海洋資料。這一計(jì)劃被視為“海洋觀測手段的一場革命”。該計(jì)劃于2000年正式實(shí)施以來，包括美國、澳大利亞、法國、英國、德國、日本、韓國、印度和中國在內(nèi)的近40個(gè)國家和團(tuán)體在全球海洋共布放了超過1.4萬個(gè)Ar go浮標(biāo)，從而真正實(shí)現(xiàn)了對全球海洋中上層的實(shí)時(shí)觀測。

 

隨著相關(guān)技術(shù)的不斷創(chuàng)新發(fā)展，Argo計(jì)劃又提出繼續(xù)向有冰覆蓋的兩極海區(qū)、赤道、西邊界流區(qū)和重要邊緣海拓展，并派生出了“生物地球化學(xué)Argo”和“深海Argo”等兩個(gè)子計(jì)劃。如今，Argo數(shù)據(jù)已成為海洋和大氣研究中重要的數(shù)據(jù)來源和參考依據(jù)。

 

那么，如何了解50年乃至100年前海洋中上層熱含量的變化狀況呢？目前，國際海洋研究領(lǐng)域一般推薦用海洋次表層XBT（拋棄式測溫儀器）溫度觀測數(shù)據(jù)。XBT是1970年到2001年海洋次表層最主要的溫度觀測儀器，占1970-2001年所有次表層溫度數(shù)據(jù)的41%。盡管基于這個(gè)儀器的觀測數(shù)據(jù)存在各種問題，但這是目前僅有的歷史資料里的核心部分。

 

自2008年起，各國科學(xué)家都在致力于訂正歷史XBT數(shù)據(jù)的系統(tǒng)性偏差。2014年，中國科學(xué)院大氣物理研究所研究團(tuán)隊(duì)提出的海洋數(shù)據(jù)偏差訂正方案，成為目前國際上推薦的最佳訂正方案。

 

另外，海洋中存在大量缺測的區(qū)域，需要利用已有的觀測去“推算”無觀測區(qū)域的溫度變化。中科院大氣物理所研究團(tuán)隊(duì)利用海洋豐富的時(shí)空相關(guān)性，提出了一個(gè)新的空間插值方案，并重建了一個(gè)自1940年以來全球海洋上層2000米的溫度數(shù)據(jù)集，并不斷對數(shù)據(jù)進(jìn)行更新。

 

變暖從未停滯，海洋升溫“滯后效應(yīng)”正在顯現(xiàn)

 

根據(jù)大氣物理所重建的數(shù)據(jù)集進(jìn)行重新評估，科學(xué)家得出了一個(gè)驚人結(jié)果：以此估計(jì)出的海洋變暖速度，比政府間氣候變化專門委員會（IPCC）第五次評估報(bào)告中的估計(jì)快約13%——全球變暖速率比我們以為的更快。而且，該研究從能量角度表明，海洋和地球系統(tǒng)在加速吸收熱量，特別是深海變暖在加速。

 

2019年，中外科學(xué)家在美國《科學(xué)》雜志上撰文，他們利用當(dāng)時(shí)最新改進(jìn)的數(shù)據(jù)，重新估算了海洋上層熱含量的變化。結(jié)果表明，各個(gè)數(shù)據(jù)使用新的方法之后，顯示出高度一致性——自1955年以來，全球海洋熱含量上升趨勢明顯。而且，全球海洋上層2000米變暖速率在上世紀(jì)90年代后顯著加速，這直接反映了人類活動持續(xù)排放的溫室氣體對海洋的影響。

 

這項(xiàng)研究還利用可信度較高的模型，預(yù)估假設(shè)未來不采取任何減排的氣候政策可能帶來的后果：2081-2100年間，整個(gè)海洋上層2000米將平均變暖0.78℃（相對于1991-2005的氣候狀態(tài)），這是過去60年海洋變暖總量的6倍！倘若未來氣候政策可以接近或達(dá)到《巴黎協(xié)定》目標(biāo)，到2081-2100年，海洋上層2000米將平均變暖0.4℃。

 

這一研究表明，人類活動已經(jīng)深刻改變了海洋環(huán)境，海洋增溫已經(jīng)造成了海平面上升、溶解氧下降、極端事件加劇、珊瑚白化等后果。然而，由于海洋對溫室氣體響應(yīng)的“滯后效應(yīng)”，海洋正在加速變暖，更強(qiáng)的海洋增暖將發(fā)生在本世紀(jì)。即使全球升溫幅度接近或者達(dá)到《巴黎協(xié)定》目標(biāo)，海洋升溫及其帶來的影響也將持續(xù)。若不積極應(yīng)對，未來人類和地球生態(tài)系統(tǒng)都將面臨嚴(yán)重的氣候風(fēng)險(xiǎn)。

 

溫度影響氧在水中的溶解度，海水溫度越高，能夠容納的氧氣就越少。全球變暖在海水表層增溫更高，而深水的增溫更慢，這會使得海水上下的層結(jié)（穩(wěn)定性）更強(qiáng)，不利于表層和深水區(qū)的物質(zhì)交換，氧氣向下的輸送會更加困難，這會讓海洋缺氧更加“雪上加霜”。二氧化碳增多引起海洋酸化和全球變暖引起海洋缺氧正同步發(fā)生，其對海洋生物和生態(tài)系統(tǒng)的影響還在持續(xù)，需要高度警惕。

 

過往十年，“全球變暖停滯”曾一度成為氣候變化領(lǐng)域的熱門話題。因?yàn)樵?998的超強(qiáng)厄爾尼諾現(xiàn)象之后，全球地表氣溫的增溫幅度有限。然而，隨著2013年之后溫度重新飆升，全球變暖停滯的概念似乎又成了“明日黃花”。不過，全球地表氣溫資料中顯示出的“停滯”是如何形成的，確實(shí)還需要更合理的科學(xué)解釋。

 

如果利用全球海洋熱含量的數(shù)據(jù)來回看過去50年的氣候變化，可以發(fā)現(xiàn)，海洋熱含量序列里根本就沒有變暖停滯期，其變化表現(xiàn)出穩(wěn)定的增長趨勢。這說明，如果要考察地球的氣候變化，需要將大氣與海洋一起綜合考慮。

 

由于海洋面積巨大、熱容量龐大，海洋熱容量比地表溫度序列更能準(zhǔn)確反映過去幾十年里所發(fā)生的氣候變化。溫室氣體排放增加引起的全球增暖，其熱量分配與流動在整個(gè)氣候系統(tǒng)里進(jìn)行，所以短期地表/海表溫度變化的“停滯”，僅僅是海氣相互作用的自然變率的產(chǎn)物，是由于海洋能量在不同深度間的輸送導(dǎo)致的，全球變暖其實(shí)并未停滯。所以，當(dāng)綜合考察海-氣系統(tǒng)的變化之后，“全球變暖停滯”基本上就成了偽命題。

 

（魏科系中國科學(xué)院大氣物理研究所副研究員）