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6.21
知识分子
The Intellectual
图源：pixabay
撰文丨姜中景
责编丨冯灏
热量足以煮沸贝加尔湖
2024年3月，世界气象组织（WMO）发布《2023年全球气候状况》报告指出，温室气体水平、地表温度、海洋热量和酸化、海平面上升、南极海洋冰盖和冰川退缩等纪录再次被打破，有些甚至是大幅度刷新。WMO秘书长席列斯特·绍罗提醒，气候变化所涉及的远不止温度，2023年前所未有的海洋变暖、冰川退缩和南极海冰损失，尤其令人担忧[1]。
此前，同样拉响警报的是由中国科学院大气物理研究所牵头发布的《2023年全球海洋环境变化研究报告》，2023年全球年平均海表温度、2000米以上海洋热含量、海洋层结、海洋温度的空间不均匀性均为有现代仪器记录以来最高的一年[2]。
基于该报告，2023年海表温度和上层2000米海洋热含量达历史新高，相比2022年，海洋表层的平均温度上升了大约0.23°C。
图1 1955-2023年全球平均海表温度变化。黑色线：年平均时间序列；红色线：月平均时间序列。图源：[3]
由于水的热容量远高于空气，同等质量的水和空气升高相同的温度，水需要的能量大约是空气的四倍，海洋要实现和大气同等程度的温度变化需要更多能量。过去两千年，全球陆地表面平均温度上升1.59°C，而海表温度上升为0.88°C，陆地表面的升温大约是海表的1.8倍[4]。
除了表层平均温度的增加，2023年上层2000米海洋热含量比2022年增加了15±10泽塔焦耳（1 泽塔焦耳= 10的21次方焦耳）。15泽塔焦耳的热量大约可以使23亿个奥林匹克标准游泳池从室温（20°C）加热到沸腾且完全蒸发，或者煮沸世界上最大的淡水湖泊——贝加尔湖。
海洋覆盖了地球表面的71%，不断吸收和储存全球变暖导致的91%的能量，与之对比，平时更受关注的陆地增暖、冰川融化、大气增暖仅占气候系统热量的5%、3%和1%。因此，海洋也被视作是气候变化的“缓冲器”。但最近的数据似乎在暗示我们，这个巨大的冷却系统开始“失灵”。
海温飙升的背后
2024年3月，美国宇航局戈达德太空研究所所长加文·施密特在《自然》发表观点文章[5]，表示没有哪一年像2023年这样让科学家感到困惑。
因为2019-2022年，地球刚刚经历了持续三年的拉尼娜事件，拉尼娜表现为太平洋赤道东部海域海表温度异常偏冷，因此一般会对全球变暖起到暂时性的抑制作用。基于历史上相似气候情况，包括施密特在内的几位气候科学家此前预测，2023年不太可能出现创纪录的温暖时期，打破历史温度记录的概率仅为五分之一。
而事实却与科学家们的预期大相径庭，基于现代温度记录与古气候温度代用指标，2023年可能是近十万年来最热的一年。相比于2022年，0.23°C的海洋增暖在行星尺度上是一个巨大的差距。
那么，海温飙升背后的原因究竟是什么呢？科学家们尝试了多种不同的解释。
人们第一个想到的当然是全球变暖。此前提到，人为造成的全球变暖有关的热量中，有超过 90% 都进入了海洋。但海洋在持续吸收大气中的热量，仅仅由全球变暖无法解释2023年海温的跳跃式增长，自 2022 年以来的额外负荷只能解释进一步变暖约 0.02 °C[6]。
“除了全球变暖的大背景，涉及到年和年之间的波动，最大的原因还是厄尔尼诺-南方涛动，这个是最重要也是目前比较公认的影响因素”，中国科学院大气物理研究所研究员、《2023年全球海洋环境变化研究报告》的主要作者成里京告诉《知识分子》，“厄尔尼诺-南方涛动是赤道中东太平洋的海温异常，它属于自然界的振荡，去年正好是较强的厄尔尼诺年，赤道中东太平洋的海温相对普通年份高出近两摄氏度，所以导致全球的海表温度和地表温度出现一个比较大的上升。”
厄尔尼诺事件通常会持续9到12个月，一般情况多从下半年开始发展，在冬季达到峰值。2023年的厄尔尼诺似乎成为这0.2°C偏差最重要的影响因素，但它并不能完成全部的解释：这次厄尔尼诺从5月才开始发展，而 2023年的海温异常在厄尔尼诺开始发生前就已经出现。此外，这次厄尔尼诺相比于1997-1998年和2015-2016年强度更弱，影响范围也更小。2023-2024年事件11月至1月峰值时期海洋尼诺指数为2 °C，而1997-1998和2015-2016年对应时间峰值分别为2.4和2.6 °C。
图2 三次厄尔尼诺事件对比。图源：NASA[7]
一个值得注意的点是，厄尔尼诺是太平洋上的气候变率信号，但在2023年，北大西洋海表温度也出现激增，远超过去四十年的温度水平。2023年8月，北大西洋温度比1982-2011年平均高出1.4°C。2023年7月和9月的北大西洋海温比1982-2011年的平均值高出4个标准差[8]。2024年3月发表在《美国气象学会公报》上的一项新研究尝试从长期、大尺度驱动因素解释，强调地球能量失衡很可能是出现极端海洋温度的一个关键驱动因素[8]。
除此之外是否还有其他气候变率在起作用呢？
“从气候变率的角度，北大西洋的海表温度主要受大西洋年代际振荡（AMO）的影响”，美国杜克大学气候动力学助理教授胡世能告诉《知识分子》，“大西洋年代际振荡是基于北大西洋海表温度计算区域平均定义的，去年的情况AMO处于偏正的状态，这对去年大西洋海温增加有不小的贡献。”
图3 AMO正相位的空间形态。图源：[9]
事实上，放在更长的时间尺度，北大西洋经历的海温变化远比此复杂。过去一百年，在全球海温整体变暖的趋势下，位于北大西洋北部（格陵兰岛以南）的一小片海域呈现“顽固”的降温趋势，这个“冷斑”的成因也是胡世能正在积极研究的课题。他们的一项工作发现，除了大西洋经向翻转环流可以直接影响这个区域的海温，远在千里之外正经历快速增暖的印度洋也能“远程遥控”北大西洋的海表风场，从而导致“冷斑”的生成。
成里京补充说，“研究指出：全球变暖、厄尔尼诺和北大西洋年代际振荡是学界比较公认的三个主要原因，另外一个目前还比较有争议的影响因素是气溶胶减排的副作用”[6]。
大气中的气溶胶通过自身直接对辐射的吸收和散射以及气溶胶和云的相互作用，整体上能够起到降低地球气温的效果。2020年，国际海事组织的新法规限制航运业的硫排放，该法规的实施不仅会减少总体气溶胶数量，还会将其转化成更小的尺寸和更黑的颗粒。
而该减排措施似乎带来了一定程度的副作用。有研究表示，在实施该燃料硫法规后，大规模云微物理特性发生了可检测到的变化，并且有证据支持，东南大西洋主要航运走廊内云滴有效半径减少，海洋上云层反射的太阳辐射随之减少，气候降温效应也对应减弱[10]。然而，这种副作用对全球平均温度的影响还有一定的争议。
科学家们提出了许多造成海温跳跃增长的解释，但目前，似乎没有一种理论组合能够完全回答人们心中的困扰。
我们是否会突然来到无法逆转的转折点？
2022年高温热浪席卷整个北半球之后，人们对“热浪”这个词并不陌生。而事实上，热浪不仅发生在陆地，也发生在海洋。平均海温的剧烈增加并不代表全球海洋同等程度的升温，事实上，海洋升温也具有很大的空间和时间的不均匀性。
海洋热浪就是发生在海洋中的极端高温事件。2023年，全球海洋平均每天经历的海洋热浪覆盖率为32%，远高于2016年23%的历史纪录。2023年11月初至年底，南纬20度至北纬20度之间的大部分海洋一直处于热浪条件下。全年来看，超过90%的海洋都经历过热浪事件[11]。
图4 2023年（基准期为1982-2011年）全球最高海洋热浪类别。图源：WMO[11]
北大西洋大范围的海洋热浪尤其显著，热浪从2023年北半球春季开始，在9月达到峰值，并持续到年底。2023年底，整个北大西洋出现了大范围的严重和极端海洋热浪，温度比平均值高出3℃[11]。
科学家发现，1861至2020年，海洋热浪及其他生物地球化学极端事件的发生次数大幅度增加。工业革命前，极端事件发生时长年均3.65天，而工业革命后的增长高达十倍（超过40天）[12]。
海洋热浪严重威胁海洋生态，其中人们谈论最多的一项就是世界各地珊瑚大范围白化。2024年4月，美国国家海洋和大气管理局（NOAA）和国际珊瑚礁倡议确认了近期珊瑚礁受损的范围，并宣布全球珊瑚礁正在经历有记录以来第四次珊瑚礁白化事件[13]。
NOAA珊瑚礁观察项目协调员德里克.曼泽洛说：“从2023年2月到2024年4月，每个主要海洋盆地、不论南北半球，都记录到严重的珊瑚白化。”从澳大利亚到佛罗里达，珊瑚礁在经历长达数月的破纪录海洋高温后，正处于灾难的边缘。澳大利亚大堡礁正遭遇八年来第五次大规模白化事件。
图5 NOAA 珊瑚礁观察项目的全球 5 公里分辨率卫星珊瑚白化警报2-5级区域（2023 年 1 月 1 日至 2024 年 4 月 10 日）。NOAA 珊瑚礁观察项目的热应力监测基于1985年至今的卫星测量的海表温度数据，全球大规模珊瑚礁白化曾在1998年、2010年和2014-2017年发生，而此次是有记录以来的第4次。图源：NOAA[13]
自2023年初以来，大规模白化已经影响至少53个国家、地区和地方经济体，包括澳大利亚的南太平洋邻国斐济、瓦努阿图、图瓦卢、基里巴斯和萨摩亚。
大范围的珊瑚白化会给经济、生计、粮食安全带来巨大影响，但白化并不意味着珊瑚一定会走向死亡。实际上，如果热应力减弱，珊瑚可以在较短的时间内恢复健康，继续为海洋生态系统提供服务。
图6 美属维尔京群岛圣克罗伊岛的一颗巨石星珊瑚，在整个加勒比海盆地在2023年遭受极端海洋热应力后，它从健康（2023 年 5 月）到白化（2023 年 10 月）再到恢复（2024 年 3 月）的状态。图源：NOAA[13]
大堡礁基金会的首席科研专家霍格·戈德伯格表示，人们担心的问题是，我们是否会突然来到无法逆转的转折点。一般情况，珊瑚需要大约15年才能成长并繁殖；随着温度经常上升至造成珊瑚白化的程度，它们可能赶不上在下次白化前完成成长和繁殖过程，这会使得珊瑚的损伤无法恢复[14]。
此外，更长时间尺度的大范围海洋热事件也在发生。近十年来，东北太平洋阿拉斯加湾附近发生了多次备受瞩目的持续性暖斑事件，以2013-2016年和2019-2020年两次持续性事件最为著名。
暖斑和热浪的定义有着明显的差异，“海洋热浪主要是基于天气-次季节尺度对单点的海表温度进行识别和筛选，而暖斑可以持续数月并且影响范围达到千公里尺度”，中国海洋大学副教授石剑告诉《知识分子》，“暖斑之所以在最近十年频繁发生，除了局地大气环流和海洋动力过程的影响外，还可能与全球变暖背景下自然变率或者人为因素导致的大气罗斯贝波列和海洋环流等物理过程的变化有关。”
除了对局地海洋生态的影响，石剑通过数值试验发现，暖斑也会对北美、欧亚、以及大西洋的气候产生重要影响。“全球气候其实是一个联动起来的统一整体。海洋变暖是向我们发出了一个非常紧急的信号，并不能因为它在地理上距离我们遥远，我们没有生活在海洋上，就不去关注它。因为它的变暖会通过一系列的大气桥过程，也就是大气的遥相关机制，影响到陆地气候，从而对我们的生活造成影响。”石剑说。
海洋危机全面爆发，
高强台风也是一例
除了温度，海洋许多其他特征的变化也值得关注。
首先是盐度。盐度是影响海水密度的重要因素之一。高盐度海水比低盐度海水更重，因此盐度的变化会影响海水的密度分布，进而影响海洋的环流和混合过程。此外，不同海洋生物对盐度变化的适应能力不同，盐度的变化也会影响海洋生物的分布和生长。在过去的半个多世纪，整个太平洋上层两千米的平均盐度不断下降，而大西洋中低纬度的盐度却在不断上升。
成里京告诉《知识分子》，不同洋盆盐度的变化主要是来源于大气水汽输送以及海洋盐度输送的差异。在平均气候状态下，大西洋水汽输送为净输出，太平洋为净输入；在全球变暖背景下，水循环增强，从而大西洋盐度上升，太平洋盐度下降。此外，增暖可能导致大西洋经向翻转环流减弱，进而减弱海洋盐度输送，导致在大西洋副热带地区出现盐度的异常辐合（太平洋没有翻转环流存在，故无此效应）[15]。这些效应使得海盆间的盐度差异越来越大。
另一个值得关注的点是海洋中的溶解氧在显著下降，过去半个世纪大约下降了1-3%，严重威胁海洋中各种鱼类和其他生物的生存。
溶解氧下降的一个原因是随着海洋温度的升高，水的溶解度降低；另一个原因则是海洋特殊的层化结构发生了变化。“海洋是一个层化流体，上面密度低，下面密度高，这是一个比较稳定的结构；而由于海表相对于深层增暖更快，温度越高密度越低，这就使得海洋的层结越来越稳定，这意味着上下层的交换越来越难，就好比把油和水放在一起，它就很容易分层，分层后上下的交换就会很弱。”成里京解释道。
此外还有海洋环流的变化。中国科学院大气物理研究所副研究员朱晨玉告诉《知识分子》，“人类活动引起的增暖会使北大西洋浮力通量增加，进而导致大西洋经向翻转环流（AMOC）减弱。代用指标显示，从上世纪后半叶以来，AMOC或已出现减弱甚至加速减弱。但目前直接观测资料时间较短，AMOC是否已经出现长期趋势变化还存在较大的争议。”
图7 大西洋经向翻转环流和副极地环流。图源：[16]
“目前AMOC的直接观测差不多只有20年的时间，这对于长期趋势的分析来说是远远不够的。在较短的时间尺度内，AMOC的变化可能来自于内部变率的影响。”胡世能补充。
海表增暖也会对其他海洋环流造成影响，“目前的一些研究显示，海表增暖会加大海洋层结，进而可能导致海洋上层环流，如副热带环流、赤道流、南大洋表层纬向流等的增强。温室气体的持续排放也可能会增强全球的平均风场，造成全球平均海洋环流的加速。”朱晨玉说。
另一个问题是海洋酸化，海洋储存了地球上93%的二氧化碳，每年可清除全球30%排放到大气中的二氧化碳。而二氧化碳在海水中发生一系列化学反应导致氢离子浓度增加，使得海水酸性增强并减少碳酸根离子的含量，这会使牡蛎、蛤蜊、海胆、珊瑚和钙质浮游生物等钙化生物难以建立和维持外壳和一些其他身体结构，进而影响和威胁整个海洋生态网。
海洋温度、盐度、酸度的变化，溶解氧的下降，以及环流的变化，这些不仅严重威胁了海洋生态系统，也会影响整个大气和陆地的气候以及人类生活。台风是其中一个典型的例子。
随着海温越来越高，台风的强度也越来越高。成里京解释，“台风其实是在温暖湿润的洋面上形成的，一般是在赤道外五到十度的范围内，而它的形成条件之一就是海洋必须是一个比较温暖的状态，比如表面温度在26.5°C以上。海洋相当于是它的能量来源，台风生成过程中不断抽走水汽中的能量，才能维持它的发展，而一旦到了陆地上，它很快就会衰减。所以如果海洋中的能量越来越多，那它们可以抽走的能量也更多，所以强度就会越来越大。”
驶入未知
近五年，海洋连续打破“最热”纪录，成为全球海洋最热的五年。从当前的数据来看，2024年的全球平均海温还在持续升高。
2024年的下半场，情况是否会有所好转呢？根据预测，今年赤道东太平洋海温模态即将从厄尔尼诺转向拉尼娜，拉尼娜是厄尔尼诺的反相位，即赤道东太平洋海温异常变冷。“今年由于拉尼娜的影响，海表平均温度应该会稍低一些，但具体的情况取决于今年后续拉尼娜的幅度有多强，以及其他一些自然变率的变化。但海洋热含量会一直保持上升的趋势，这个短期内不会改变。”成里京说。
图8 日海表温度数据。图源：ClimateReanalyzer
从更长时间尺度来看，海洋整层的变暖存在不可逆性，就算停止排放温室气体，海洋整层变暖也将在21世纪持续。成里京解释说，“地表平均温度的变化和温室气体排放是一个近似线性的关系，一旦停止排放，地表平均温度的上升趋势就会停止；而海洋热含量更多是和大气中的二氧化碳浓度相关，工业革命前二氧化碳浓度大概在280ppm左右，而目前二氧化碳浓度已经超过了420ppm。停止排放，二氧化碳的浓度并不会突然下降，只有大气二氧化碳被清除掉一部分，海洋才不会吸收更多能量。”
“因此，海洋需要等待漫长的时间，等陆地生态系统和海洋等碳汇把二氧化碳吸收到一定的水平，整个地球系统重新达到能量收支平衡，海洋增暖才会停下来。” 成里京说。
海洋热浪不仅存在于海表，也发生在更深的海域[17]。《自然·地球科学》2023年11月发表的一项研究发现，只有大约一半的海洋热浪事件在其生命周期中具有连续的表面信号，大约三分之一的海洋热浪隐藏在海洋表面以下，在其整个生命周期中都没有明显的海表面温度异常信号。而随着全球变暖，次表层海洋温度升高，次表层海洋热浪的发生频率也在不断上升。
加文·施密特表示，如果到2024年8月，增温异常的情况还没有稳定下来，那么世界可能将进入一个未知的领域。这可能意味着增暖的地球已经从根本上改变了气候系统的运作方式，地球变暖比科学家们所预期的要快得多。基于过去事件的统计推断和基于模式的未来预估也许并不如我们想象的那么可靠，这给干旱和降雨模态的季节性预测增加了更多不确定性。
[1]2023年气候变化指标达创纪录水平：WMO，https://wmo.int/zh-hans/news/media-centre/2023nianqihoubianhuazhibiaodachuangjilushuipingwmo
[2] AAS: 2023年海洋主要气候变化指标均创新高，https://iap.cas.cn/gb/xwdt/kyjz/202401/t20240111_6953597.html
[3] Cheng, L. J., J. Abraham, K. E. Trenberth, T. Boyer, M. E. Mann, J. Zhu, F. Wang, F. J. Yu, R. Locarnini, J. Fasullo, F. Zheng, Y. L. Li, B. Zhang, L. Y. Wan, X. R. Chen, D. K. Wang, L. C. Feng, X. Z. Song, Y. L. Liu, F. Reseghetti, S. Simoncelli, V. Gouretski, G. Chen, A. Mishonov, J. Reagan, K. Von Schuckmann, Y. Y. Pan, Z. T. Tan, Y. J. Zhu, W. X. Wei, G. C. Li, Q. P. Ren, L. J. Cao, and Y. Y. Lu, 2024: New record ocean temperatures and related climate indicators in 2023, Adv. Atmos. Sci.,https://doi.org/10.1007/s00376-024-3378-5
[4] IPCC, 2021:Climate Change 2021: The Physical Science Basis. Contribution of Working Group I to the Sixth Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change[Masson-Delmotte, V., P. Zhai, A. Pirani, S.L. Connors, C. Péan, S. Berger, N. Caud, Y. Chen, L. Goldfarb, M.I. Gomis, M. Huang, K. Leitzell, E. Lonnoy, J.B.R. Matthews, T.K. Maycock, T. Waterfield, O. Yelekçi, R. Yu, and B. Zhou (eds.)]. Cambridge University Press, Cambridge, United Kingdom and New York, NY, USA, In press, doi:10.1017/9781009157896.
[5] Gavin Schmidt, Why 2023’s heat anomaly isworrying scientists, Nature627, 467 (2024),https://doi.org/10.1038/d41586-024-00816-z
[6] Li, K., Zheng, F., Zhu, J. et al. El Niño and the AMO Sparked the Astonishingly Large Margin of Warming in the Global Mean Surface Temperature in 2023. Adv. Atmos. Sci. (2024).https://doi.org/10.1007/s00376-023-3371-4
[7] El Niño 2023,https://sealevel.jpl.nasa.gov/data/el-nino-la-nina-watch-and-pdo/el-nino-2023/
[8] Kuhlbrodt, T., R. Swaminathan, P. Ceppi, and T. Wilder, 2024: A Glimpse into the Future: The 2023 Ocean Temperature and Sea Ice Extremes in the Context of Longer-Term Climate Change. Bull. Amer. Meteor. Soc., 105, E474–E485,https://doi.org/10.1175/BAMS-D-23-0209.1
[9] Atlantic Multidecadal Oscillation,https://en.wikipedia.org/wiki/Atlantic_multidecadal_oscillation
[10] Diamond, M. S.: Detection of large-scale cloud microphysical changes within a major shipping corridor after implementation of the International Maritime Organization 2020 fuel sulfur regulations, Atmos. Chem. Phys., 23, 8259–8269, https://doi.org/10.5194/acp-23-8259-2023, 2023.
[11]2023年气候变化指标达创纪录水平：WMO;https://wmo.int/zh-hans/news/media-centre/2023nianqihoubianhuazhibiaodachuangjilushuiping
[12] Gruber, N., Boyd, P.W., Frölicher, T.L. et al. Biogeochemical extremes and compound events in the ocean. Nature 600, 395–407 (2021).https://doi.org/10.1038/s41586-021-03981-7
[13] NOAA confirms 4th global coral bleaching event,https://www.noaa.gov/news-release/noaa-confirms-4th-global-coral-bleaching-eventNOAA
[14] SBS中文，从澳大利亚至佛罗里达 全球珊瑚礁正经历第四次大规模白化,https://www.sbs.com.au/language/chinese/zh-hans/article/coral-reefs-from-australia-to-florida-in-grip-of-fourth-mass-bleaching-event-scientists-say/59si20s7b
[15]Zhu, C., Liu, Z. Weakening Atlantic overturning circulation causes South Atlantic salinity pile-up.Nat. Clim. Chang.10, 998–1003 (2020).https://doi.org/10.1038/s41558-020-0897-7
[16]Summer K. Praetorius, North Atlantic circulation slows down; Nature556, 180-181 (2018);https://doi.org/10.1038/d41586-018-04086-4
[17] Sun, D., Li, F., Jing, Z. et al. Frequent marine heatwaves hidden below the surface of the global ocean. Nat. Geosci. 16, 1099–1104 (2023).https://doi.org/10.1038/s41561-023-01325-w
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