近期發(fā)布的國際首份2021年海洋變暖報告,再次揭示了一個驚人事實:全球海洋正在加速變暖。
數(shù)據顯示,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,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。
這份報告由中國科學院大氣物理研究所牽頭,聯(lián)合全球14個研究單位的23位科學家組成的國際研究團隊共同完成,發(fā)表于國際學術期刊《大氣科學進展》(AAS)上。
全球變暖90%以上的熱量儲存在海洋中。最新數(shù)據表明,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,海洋每一個十年都比前十年更暖
如果讓外星人給地球起個名字,“水球”或者“藍球”應該是不錯的選擇。在宇宙中,地球看起來就是一顆藍色的水球,海洋覆蓋了地表面積的約71%,平均厚度達4千米,儲存著97%的水資源。
地球上,海洋總質量達到1.4×1018噸,與之相比,大氣總質量僅為5×1015噸,僅約為海洋總質量的0.36%。由于海水的比熱容遠大于大氣與陸地表面,因此海洋的熱儲存能力更強,是全球變化的主要調節(jié)器。
進入地氣系統(tǒng)的太陽輻射,經過大氣、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核心指針:海洋變暖實際上就等于全球變暖。
當考慮全球能量或熱量變化時,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,就可較為準確地了解地球氣候系統(tǒng)的變化狀況。
根據常年觀測數(shù)據統(tǒng)計,過去80年,海洋每一個十年都比前十年更暖。近年來,海洋變暖引發(fā)的一系列嚴峻后果逐個浮出水面,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,造成更多強臺風/颶風和極端降雨等事件。
此次,研究團隊同時發(fā)布了兩個國際機構的2021年海洋熱含量數(shù)據,分別來自中國科學院大氣物理研究所的IAP/CAS海洋觀測格點數(shù)據,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格點數(shù)據。
2021年海洋變暖報告表明,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。實驗表明,溫室氣體增加是驅動海洋變暖空間結構的主要原因。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較為緩慢和滯后,過去的
碳排放導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。研究團隊指出,需要充分將海洋變暖的影響納入氣候風險、氣候影響評估和應對當中。
重建長期資料,補足海洋觀測“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,海洋變暖多少的問題一直是科學家致力解決的難題。而海洋觀測歷史數(shù)據不足,數(shù)量偏少且質量不佳,是困擾研究的“硬傷”。
地球表面分布著數(shù)以萬計的氣象觀測站,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全球實時海洋觀測網,以便長期、自動、實時和連續(xù)獲取大范圍、深層海洋資料。這一計劃被視為“海洋觀測手段的一場革命”。該計劃于2000年正式實施以來,包括美國、澳大利亞、法國、英國、德國、日本、韓國、印度和中國在內的近40個國家和團體在全球海洋共布放了超過1.4萬個Ar go浮標,從而真正實現(xiàn)了對全球海洋中上層的實時觀測。
隨著相關技術的不斷創(chuàng)新發(fā)展,Argo計劃又提出繼續(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Argo”和“深海Argo”等兩個子計劃。如今,Argo數(shù)據已成為海洋和大氣研究中重要的數(shù)據來源和參考依據。
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。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)據的41%。盡管基于這個儀器的觀測數(shù)據存在各種問題,但這是目前僅有的歷史資料里的核心部分。
自2008年起,各國科學家都在致力于訂正歷史XBT數(shù)據的系統(tǒng)性偏差。2014年,中國科學院大氣物理研究所研究團隊提出的海洋數(shù)據偏差訂正方案,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隊利用海洋豐富的時空相關性,提出了一個新的空間插值方案,并重建了一個自1940年以來全球海洋上層2000米的溫度數(shù)據集,并不斷對數(shù)據進行更新。
變暖從未停滯,海洋升溫“滯后效應”正在顯現(xiàn)
根據大氣物理所重建的數(shù)據集進行重新評估,科學家得出了一個驚人結果:以此估計出的海洋變暖速度,比政府間氣候變化專門委員會(IPCC)第五次評估報告中的估計快約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,中外科學家在美國《科學》雜志上撰文,他們利用當時最新改進的數(shù)據,重新估算了海洋上層熱含量的變化。結果表明,各個數(shù)據使用新的方法之后,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。
這項研究還利用可信度較高的模型,預估假設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到《巴黎協(xié)定》目標,到2081-2100年,海洋上層2000米將平均變暖0.4℃。
這一研究表明,人類活動已經深刻改變了海洋環(huán)境,海洋增溫已經造成了海平面上升、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的“滯后效應”,海洋正在加速變暖,更強的海洋增暖將發(fā)生在本世紀。即使全球升溫幅度接近或者達到《巴黎協(xié)定》目標,海洋升溫及其帶來的影響也將持續(xù)。若不積極應對,未來人類和地球生態(tài)系統(tǒng)都將面臨嚴重的氣候風險。
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(穩(wěn)定性)更強,不利于表層和深水區(qū)的物質交換,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域的熱門話題。因為在1998的超強厄爾尼諾現(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,確實還需要更合理的科學解釋。
如果利用全球海洋熱含量的數(shù)據來回看過去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氣候系統(tǒng)里進行,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物,是由于海洋能量在不同深度間的輸送導致的,全球變暖其實并未停滯。所以,當綜合考察海-氣系統(tǒng)的變化之后,“全球變暖停滯”基本上就成了偽命題。
(魏科系中國科學院大氣物理研究所副研究員)
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