海洋溫度達(dá)歷史新高，我們正在走向未知
責(zé)編丨馮灝 曹丹丹
熱量足以煮沸貝加爾湖
2024年3月，世界氣象組織（WMO）發(fā)布《2023年全球氣候狀況》報(bào)告指出，溫室氣體水平、地表溫度、海洋熱量和酸化、海平面上升、南極海洋冰蓋和冰川退縮等紀(jì)錄再次被打破，有些甚至是大幅度刷新。WMO秘書長席列斯特·紹羅提醒，氣候變化所涉及的遠(yuǎn)不止溫度，2023年前所未有的海洋變暖、冰川退縮和南極海冰損失，尤其令人擔(dān)憂[1]。
此前，同樣拉響警報(bào)的是由中國科學(xué)院大氣物理研究所牽頭發(fā)布的《2023年全球海洋環(huán)境變化研究報(bào)告》，2023年全球年平均海表溫度、2000米以上海洋熱含量、海洋層結(jié)、海洋溫度的空間不均勻性均為有現(xiàn)代儀器記錄以來最高的一年[2]。
基于該報(bào)告，2023年海表溫度和上層2000米海洋熱含量達(dá)歷史新高，相比2022年，海洋表層的平均溫度上升了大約0.23°C。
由于水的熱容量遠(yuǎn)高于空氣，同等質(zhì)量的水和空氣升高相同的溫度，水需要的能量大約是空氣的四倍，海洋要實(shí)現(xiàn)和大氣同等程度的溫度變化需要更多能量。過去兩千年，全球陸地表面平均溫度上升1.59°C，而海表溫度上升為0.88°C，陸地表面的升溫大約是海表的1.8倍[4]。
除了表層平均溫度的增加，2023年上層2000米海洋熱含量比2022年增加了15±10澤塔焦耳（1 澤塔焦耳= 10的21次方焦耳）。15澤塔焦耳的熱量大約可以使23億個(gè)奧林匹克標(biāo)準(zhǔn)游泳池從室溫（20°C）加熱到沸騰且完全蒸發(fā)，或者煮沸世界上最大的淡水湖泊——貝加爾湖。
海洋覆蓋了地球表面的71%，不斷吸收和儲(chǔ)存全球變暖導(dǎo)致的91%的能量，與之對(duì)比，平時(shí)更受關(guān)注的陸地增暖、冰川融化、大氣增暖僅占?xì)夂蛳到y(tǒng)熱量的5%、3%和1%。因此，海洋也被視作是氣候變化的“緩沖器”。但最近的數(shù)據(jù)似乎在暗示我們，這個(gè)巨大的冷卻系統(tǒng)開始“失靈”。
海溫飆升的背后
2024年3月，美國宇航局戈達(dá)德太空研究所所長加文·施密特在《自然》發(fā)表觀點(diǎn)文章[5]，表示沒有哪一年像2023年這樣讓科學(xué)家感到困惑。
因?yàn)?019-2022年，地球剛剛經(jīng)歷了持續(xù)三年的拉尼娜事件，拉尼娜表現(xiàn)為太平洋赤道東部海域海表溫度異常偏冷，因此一般會(huì)對(duì)全球變暖起到暫時(shí)性的抑制作用。基于歷史上相似氣候情況，包括施密特在內(nèi)的幾位氣候科學(xué)家此前預(yù)測，2023年不太可能出現(xiàn)創(chuàng)紀(jì)錄的溫暖時(shí)期，打破歷史溫度記錄的概率僅為五分之一。
而事實(shí)卻與科學(xué)家們的預(yù)期大相徑庭，基于現(xiàn)代溫度記錄與古氣候溫度代用指標(biāo)，2023年可能是近十萬年來最熱的一年。相比于2022年，0.23°C的海洋增暖在行星尺度上是一個(gè)巨大的差距。
那么，海溫飆升背后的原因究竟是什么呢？科學(xué)家們嘗試了多種不同的解釋。
人們第一個(gè)想到的當(dāng)然是全球變暖。此前提到，人為造成的全球變暖有關(guān)的熱量中，有超過 90% 都進(jìn)入了海洋。但海洋在持續(xù)吸收大氣中的熱量，僅僅由全球變暖無法解釋2023年海溫的跳躍式增長，自 2022 年以來的額外負(fù)荷只能解釋進(jìn)一步變暖約 0.02 °C[6]。
“除了全球變暖的大背景，涉及到年和年之間的波動(dòng)，最大的原因還是厄爾尼諾-南方濤動(dòng)，這個(gè)是最重要也是目前比較公認(rèn)的影響因素”，中國科學(xué)院大氣物理研究所研究員、《2023年全球海洋環(huán)境變化研究報(bào)告》的主要作者成里京告訴《知識(shí)分子》，“厄爾尼諾-南方濤動(dòng)是赤道中東太平洋的海溫異常，它屬于自然界的振蕩，去年正好是較強(qiáng)的厄爾尼諾年，赤道中東太平洋的海溫相對(duì)普通年份高出近兩攝氏度，所以導(dǎo)致全球的海表溫度和地表溫度出現(xiàn)一個(gè)比較大的上升。”
厄爾尼諾事件通常會(huì)持續(xù)9到12個(gè)月，一般情況多從下半年開始發(fā)展，在冬季達(dá)到峰值。2023年的厄爾尼諾似乎成為這0.2°C偏差最重要的影響因素，但它并不能完成全部的解釋：這次厄爾尼諾從5月才開始發(fā)展，而 2023年的海溫異常在厄爾尼諾開始發(fā)生前就已經(jīng)出現(xiàn)。此外，這次厄爾尼諾相比于1997-1998年和2015-2016年強(qiáng)度更弱，影響范圍也更小。2023-2024年事件11月至1月峰值時(shí)期海洋尼諾指數(shù)為2 °C，而1997-1998和2015-2016年對(duì)應(yīng)時(shí)間峰值分別為2.4和2.6 °C。
一個(gè)值得注意的點(diǎn)是，厄爾尼諾是太平洋上的氣候變率信號(hào)，但在2023年，北大西洋海表溫度也出現(xiàn)激增，遠(yuǎn)超過去四十年的溫度水平。2023年8月，北大西洋溫度比1982-2011年平均高出1.4°C。2023年7月和9月的北大西洋海溫比1982-2011年的平均值高出4個(gè)標(biāo)準(zhǔn)差[8]。2024年3月發(fā)表在《美國氣象學(xué)會(huì)公報(bào)》上的一項(xiàng)新研究嘗試從長期、大尺度驅(qū)動(dòng)因素解釋，強(qiáng)調(diào)地球能量失衡很可能是出現(xiàn)極端海洋溫度的一個(gè)關(guān)鍵驅(qū)動(dòng)因素[8]。
除此之外是否還有其他氣候變率在起作用呢？
“從氣候變率的角度，北大西洋的海表溫度主要受大西洋年代際振蕩（AMO）的影響”，美國杜克大學(xué)氣候動(dòng)力學(xué)助理教授胡世能告訴《知識(shí)分子》，“大西洋年代際振蕩是基于北大西洋海表溫度計(jì)算區(qū)域平均定義的，去年的情況AMO處于偏正的狀態(tài)，這對(duì)去年大西洋海溫增加有不小的貢獻(xiàn)?！?/span>
事實(shí)上，放在更長的時(shí)間尺度，北大西洋經(jīng)歷的海溫變化遠(yuǎn)比此復(fù)雜。過去一百年，在全球海溫整體變暖的趨勢(shì)下，位于北大西洋北部（格陵蘭島以南）的一小片海域呈現(xiàn)“頑固”的降溫趨勢(shì)，這個(gè)“冷斑”的成因也是胡世能正在積極研究的課題。他們的一項(xiàng)工作發(fā)現(xiàn)，除了大西洋經(jīng)向翻轉(zhuǎn)環(huán)流可以直接影響這個(gè)區(qū)域的海溫，遠(yuǎn)在千里之外正經(jīng)歷快速增暖的印度洋也能“遠(yuǎn)程遙控”北大西洋的海表風(fēng)場，從而導(dǎo)致“冷斑”的生成。
成里京補(bǔ)充說，“研究指出：全球變暖、厄爾尼諾和北大西洋年代際振蕩是學(xué)界比較公認(rèn)的三個(gè)主要原因，另外一個(gè)目前還比較有爭議的影響因素是氣溶膠減排的副作用” [6]。
大氣中的氣溶膠通過自身直接對(duì)輻射的吸收和散射以及氣溶膠和云的相互作用，整體上能夠起到降低地球氣溫的效果。2020年，國際海事組織的新法規(guī)限制航運(yùn)業(yè)的硫排放，該法規(guī)的實(shí)施不僅會(huì)減少總體氣溶膠數(shù)量，還會(huì)將其轉(zhuǎn)化成更小的尺寸和更黑的顆粒。
而該減排措施似乎帶來了一定程度的副作用。有研究表示，在實(shí)施該燃料硫法規(guī)后，大規(guī)模云微物理特性發(fā)生了可檢測到的變化，并且有證據(jù)支持，東南大西洋主要航運(yùn)走廊內(nèi)云滴有效半徑減少，海洋上云層反射的太陽輻射隨之減少，氣候降溫效應(yīng)也對(duì)應(yīng)減弱[10]。然而，這種副作用對(duì)全球平均溫度的影響還有一定的爭議。
科學(xué)家們提出了許多造成海溫跳躍增長的解釋，但目前，似乎沒有一種理論組合能夠完全回答人們心中的困擾。
我們是否會(huì)突然來到無法逆轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)折點(diǎn)？
2022年高溫?zé)崂讼碚麄€(gè)北半球之后，人們對(duì)“熱浪”這個(gè)詞并不陌生。而事實(shí)上，熱浪不僅發(fā)生在陸地，也發(fā)生在海洋。平均海溫的劇烈增加并不代表全球海洋同等程度的升溫，事實(shí)上，海洋升溫也具有很大的空間和時(shí)間的不均勻性。
海洋熱浪就是發(fā)生在海洋中的極端高溫事件。2023年，全球海洋平均每天經(jīng)歷的海洋熱浪覆蓋率為32%，遠(yuǎn)高于2016年23%的歷史紀(jì)錄。2023年11月初至年底，南緯20度至北緯20度之間的大部分海洋一直處于熱浪條件下。全年來看，超過90%的海洋都經(jīng)歷過熱浪事件[11]。
北大西洋大范圍的海洋熱浪尤其顯著，熱浪從2023年北半球春季開始，在9月達(dá)到峰值，并持續(xù)到年底。2023年底，整個(gè)北大西洋出現(xiàn)了大范圍的嚴(yán)重和極端海洋熱浪，溫度比平均值高出3℃[11]。
科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，1861至2020年，海洋熱浪及其他生物地球化學(xué)極端事件的發(fā)生次數(shù)大幅度增加。工業(yè)革命前，極端事件發(fā)生時(shí)長年均3.65天，而工業(yè)革命后的增長高達(dá)十倍（超過40天）[12]。
海洋熱浪嚴(yán)重威脅海洋生態(tài)，其中人們談?wù)撟疃嗟囊豁?xiàng)就是世界各地珊瑚大范圍白化。2024年4月，美國國家海洋和大氣管理局（NOAA）和國際珊瑚礁倡議確認(rèn)了近期珊瑚礁受損的范圍，并宣布全球珊瑚礁正在經(jīng)歷有記錄以來第四次珊瑚礁白化事件[13]。
NOAA珊瑚礁觀察項(xiàng)目協(xié)調(diào)員德里克.曼澤洛說：“從2023年2月到2024年4月，每個(gè)主要海洋盆地、不論南北半球，都記錄到嚴(yán)重的珊瑚白化?！睆陌拇罄麃喌椒鹆_里達(dá)，珊瑚礁在經(jīng)歷長達(dá)數(shù)月的破紀(jì)錄海洋高溫后，正處于災(zāi)難的邊緣。澳大利亞大堡礁正遭遇八年來第五次大規(guī)模白化事件。
自2023年初以來，大規(guī)模白化已經(jīng)影響至少53個(gè)國家、地區(qū)和地方經(jīng)濟(jì)體，包括澳大利亞的南太平洋鄰國斐濟(jì)、瓦努阿圖、圖瓦盧、基里巴斯和薩摩亞。
大范圍的珊瑚白化會(huì)給經(jīng)濟(jì)、生計(jì)、糧食安全帶來巨大影響，但白化并不意味著珊瑚一定會(huì)走向死亡。實(shí)際上，如果熱應(yīng)力減弱，珊瑚可以在較短的時(shí)間內(nèi)恢復(fù)健康，繼續(xù)為海洋生態(tài)系統(tǒng)提供服務(wù)。
大堡礁基金會(huì)的首席科研專家霍格·戈德伯格表示，人們擔(dān)心的問題是，我們是否會(huì)突然來到無法逆轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)折點(diǎn)。一般情況，珊瑚需要大約15年才能成長并繁殖；隨著溫度經(jīng)常上升至造成珊瑚白化的程度，它們可能趕不上在下次白化前完成成長和繁殖過程，這會(huì)使得珊瑚的損傷無法恢復(fù)[14]。
此外，更長時(shí)間尺度的大范圍海洋熱事件也在發(fā)生。近十年來，東北太平洋阿拉斯加灣附近發(fā)生了多次備受矚目的持續(xù)性暖斑事件，以2013-2016年和2019-2020年兩次持續(xù)性事件最為著名。
暖斑和熱浪的定義有著明顯的差異，“海洋熱浪主要是基于天氣-次季節(jié)尺度對(duì)單點(diǎn)的海表溫度進(jìn)行識(shí)別和篩選，而暖斑可以持續(xù)數(shù)月并且影響范圍達(dá)到千公里尺度”，中國海洋大學(xué)副教授石劍告訴《知識(shí)分子》，“暖斑之所以在最近十年頻繁發(fā)生，除了局地大氣環(huán)流和海洋動(dòng)力過程的影響外，還可能與全球變暖背景下自然變率或者人為因素導(dǎo)致的大氣羅斯貝波列和海洋環(huán)流等物理過程的變化有關(guān)。”
除了對(duì)局地海洋生態(tài)的影響，石劍通過數(shù)值試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，暖斑也會(huì)對(duì)北美、歐亞、以及大西洋的氣候產(chǎn)生重要影響。“全球氣候其實(shí)是一個(gè)聯(lián)動(dòng)起來的統(tǒng)一整體。海洋變暖是向我們發(fā)出了一個(gè)非常緊急的信號(hào)，并不能因?yàn)樗诘乩砩暇嚯x我們遙遠(yuǎn)，我們沒有生活在海洋上，就不去關(guān)注它。因?yàn)樗淖兣瘯?huì)通過一系列的大氣橋過程，也就是大氣的遙相關(guān)機(jī)制，影響到陸地氣候，從而對(duì)我們的生活造成影響?！笔瘎φf。
海洋危機(jī)全面爆發(fā)，
高強(qiáng)臺(tái)風(fēng)也是一例
除了溫度，海洋許多其他特征的變化也值得關(guān)注。
首先是鹽度。鹽度是影響海水密度的重要因素之一。高鹽度海水比低鹽度海水更重，因此鹽度的變化會(huì)影響海水的密度分布，進(jìn)而影響海洋的環(huán)流和混合過程。此外，不同海洋生物對(duì)鹽度變化的適應(yīng)能力不同，鹽度的變化也會(huì)影響海洋生物的分布和生長。在過去的半個(gè)多世紀(jì)，整個(gè)太平洋上層兩千米的平均鹽度不斷下降，而大西洋中低緯度的鹽度卻在不斷上升。
成里京告訴《知識(shí)分子》，不同洋盆鹽度的變化主要是來源于大氣水汽輸送以及海洋鹽度輸送的差異。在平均氣候狀態(tài)下，大西洋水汽輸送為凈輸出，太平洋為凈輸入；在全球變暖背景下，水循環(huán)增強(qiáng)，從而大西洋鹽度上升，太平洋鹽度下降。此外，增暖可能導(dǎo)致大西洋經(jīng)向翻轉(zhuǎn)環(huán)流減弱，進(jìn)而減弱海洋鹽度輸送，導(dǎo)致在大西洋副熱帶地區(qū)出現(xiàn)鹽度的異常輻合（太平洋沒有翻轉(zhuǎn)環(huán)流存在，故無此效應(yīng)）[15]。這些效應(yīng)使得海盆間的鹽度差異越來越大。
另一個(gè)值得關(guān)注的點(diǎn)是海洋中的溶解氧在顯著下降，過去半個(gè)世紀(jì)大約下降了1-3%，嚴(yán)重威脅海洋中各種魚類和其他生物的生存。
溶解氧下降的一個(gè)原因是隨著海洋溫度的升高，水的溶解度降低；另一個(gè)原因則是海洋特殊的層化結(jié)構(gòu)發(fā)生了變化。“海洋是一個(gè)層化流體，上面密度低，下面密度高，這是一個(gè)比較穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)；而由于海表相對(duì)于深層增暖更快，溫度越高密度越低，這就使得海洋的層結(jié)越來越穩(wěn)定，這意味著上下層的交換越來越難，就好比把油和水放在一起，它就很容易分層，分層后上下的交換就會(huì)很弱。”成里京解釋道。
此外還有海洋環(huán)流的變化。中國科學(xué)院大氣物理研究所副研究員朱晨玉告訴《知識(shí)分子》，“人類活動(dòng)引起的增暖會(huì)使北大西洋浮力通量增加，進(jìn)而導(dǎo)致大西洋經(jīng)向翻轉(zhuǎn)環(huán)流（AMOC）減弱。代用指標(biāo)顯示，從上世紀(jì)后半葉以來，AMOC或已出現(xiàn)減弱甚至加速減弱。但目前直接觀測資料時(shí)間較短，AMOC是否已經(jīng)出現(xiàn)長期趨勢(shì)變化還存在較大的爭議?！?/span>
“目前AMOC的直接觀測差不多只有20年的時(shí)間，這對(duì)于長期趨勢(shì)的分析來說是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的。在較短的時(shí)間尺度內(nèi)，AMOC的變化可能來自于內(nèi)部變率的影響。”胡世能補(bǔ)充。
海表增暖也會(huì)對(duì)其他海洋環(huán)流造成影響，“目前的一些研究顯示，海表增暖會(huì)加大海洋層結(jié)，進(jìn)而可能導(dǎo)致海洋上層環(huán)流，如副熱帶環(huán)流、赤道流、南大洋表層緯向流等的增強(qiáng)。溫室氣體的持續(xù)排放也可能會(huì)增強(qiáng)全球的平均風(fēng)場，造成全球平均海洋環(huán)流的加速?！敝斐坑裾f。
另一個(gè)問題是海洋酸化，海洋儲(chǔ)存了地球上93%的二氧化碳，每年可清除全球30%排放到大氣中的二氧化碳。而二氧化碳在海水中發(fā)生一系列化學(xué)反應(yīng)導(dǎo)致氫離子濃度增加，使得海水酸性增強(qiáng)并減少碳酸根離子的含量，這會(huì)使牡蠣、蛤蜊、海膽、珊瑚和鈣質(zhì)浮游生物等鈣化生物難以建立和維持外殼和一些其他身體結(jié)構(gòu)，進(jìn)而影響和威脅整個(gè)海洋生態(tài)網(wǎng)。
海洋溫度、鹽度、酸度的變化，溶解氧的下降，以及環(huán)流的變化，這些不僅嚴(yán)重威脅了海洋生態(tài)系統(tǒng)，也會(huì)影響整個(gè)大氣和陸地的氣候以及人類生活。臺(tái)風(fēng)是其中一個(gè)典型的例子。
隨著海溫越來越高，臺(tái)風(fēng)的強(qiáng)度也越來越高。成里京解釋，“臺(tái)風(fēng)其實(shí)是在溫暖濕潤的洋面上形成的，一般是在赤道外五到十度的范圍內(nèi)，而它的形成條件之一就是海洋必須是一個(gè)比較溫暖的狀態(tài)，比如表面溫度在26.5°C以上。海洋相當(dāng)于是它的能量來源，臺(tái)風(fēng)生成過程中不斷抽走水汽中的能量，才能維持它的發(fā)展，而一旦到了陸地上，它很快就會(huì)衰減。所以如果海洋中的能量越來越多，那它們可以抽走的能量也更多，所以強(qiáng)度就會(huì)越來越大?！?/span>
駛?cè)胛粗?/span>
近五年，海洋連續(xù)打破“最熱”紀(jì)錄，成為全球海洋最熱的五年。從當(dāng)前的數(shù)據(jù)來看，2024年的全球平均海溫還在持續(xù)升高。
2024年的下半場，情況是否會(huì)有所好轉(zhuǎn)呢？根據(jù)預(yù)測，今年赤道東太平洋海溫模態(tài)即將從厄爾尼諾轉(zhuǎn)向拉尼娜，拉尼娜是厄爾尼諾的反相位，即赤道東太平洋海溫異常變冷?！敖衲暧捎诶崮鹊挠绊?，海表平均溫度應(yīng)該會(huì)稍低一些，但具體的情況取決于今年后續(xù)拉尼娜的幅度有多強(qiáng)，以及其他一些自然變率的變化。但海洋熱含量會(huì)一直保持上升的趨勢(shì)，這個(gè)短期內(nèi)不會(huì)改變?！背衫锞┱f。
從更長時(shí)間尺度來看，海洋整層的變暖存在不可逆性，就算停止排放溫室氣體，海洋整層變暖也將在21世紀(jì)持續(xù)。成里京解釋說，“地表平均溫度的變化和溫室氣體排放是一個(gè)近似線性的關(guān)系，一旦停止排放，地表平均溫度的上升趨勢(shì)就會(huì)停止；而海洋熱含量更多是和大氣中的二氧化碳濃度相關(guān)，工業(yè)革命前二氧化碳濃度大概在280ppm左右，而目前二氧化碳濃度已經(jīng)超過了420ppm。停止排放，二氧化碳的濃度并不會(huì)突然下降，只有大氣二氧化碳被清除掉一部分，海洋才不會(huì)吸收更多能量?！?/span>
“因此，海洋需要等待漫長的時(shí)間，等陸地生態(tài)系統(tǒng)和海洋等碳匯把二氧化碳吸收到一定的水平，整個(gè)地球系統(tǒng)重新達(dá)到能量收支平衡，海洋增暖才會(huì)停下來。” 成里京說。
海洋熱浪不僅存在于海表，也發(fā)生在更深的海域[17]。《自然·地球科學(xué)》2023年11月發(fā)表的一項(xiàng)研究發(fā)現(xiàn)，只有大約一半的海洋熱浪事件在其生命周期中具有連續(xù)的表面信號(hào)，大約三分之一的海洋熱浪隱藏在海洋表面以下，在其整個(gè)生命周期中都沒有明顯的海表面溫度異常信號(hào)。而隨著全球變暖，次表層海洋溫度升高，次表層海洋熱浪的發(fā)生頻率也在不斷上升。
加文·施密特表示，如果到2024年8月，增溫異常的情況還沒有穩(wěn)定下來，那么世界可能將進(jìn)入一個(gè)未知的領(lǐng)域。這可能意味著增暖的地球已經(jīng)從根本上改變了氣候系統(tǒng)的運(yùn)作方式，地球變暖比科學(xué)家們所預(yù)期的要快得多。基于過去事件的統(tǒng)計(jì)推斷和基于模式的未來預(yù)估也許并不如我們想象的那么可靠，這給干旱和降雨模態(tài)的季節(jié)性預(yù)測增加了更多不確定性。
參考文獻(xiàn)：（上下滑動(dòng)可瀏覽）
