海洋加速变暖,碳排放“加热”效应将持续数百年

文章来源:文汇报魏科 许琦敏2022-03-23 10:29

近期发布的国际首份2021年海洋变暖报告,再次揭示了一个惊人事实:全球海洋正在加速变暖。
 
数据显示,2021年海洋升温持续,这一年成为有现代海洋观测记录以来海洋最暖的一年。同时,地中海、北大西洋、南大洋、北太平洋海区温度均创历史新高。
 
这份报告由中国科学院大气物理研究所牵头,联合全球14个研究单位的23位科学家组成的国际研究团队共同完成,发表于国际学术期刊《大气科学进展》(AAS)上。
 
全球变暖90%以上的热量储存在海洋中。最新数据表明,2021年,全球海洋上层2000米吸收的热量与2020年相比增加了14×1021焦耳,这些热量大致相当于中国2020年全年发电量的500倍。
 
过去80年中,以十年为间隔,海洋在持续不断地变暖。而海洋变暖会引发一系列影响人类活动和生态系统的严峻后果。
 
大自然再一次给人类敲响了警钟。
 
过去80年,海洋每一个十年都比前十年更暖
 
如果让外星人给地球起个名字,“水球”或者“蓝球”应该是不错的选择。在宇宙中,地球看起来就是一颗蓝色的水球,海洋覆盖了地表面积的约71%,平均厚度达4千米,储存着97%的水资源。
 
地球上,海洋总质量达到1.4×1018吨,与之相比,大气总质量仅为5×1015吨,仅约为海洋总质量的0.36%。由于海水的比热容远大于大气与陆地表面,因此海洋的热储存能力更强,是全球变化的主要调节器。
 
进入地气系统的太阳辐射,经过大气、云层和表面的反射,以及大气层的吸收之后,只有约51%可以加热地球表面,而这其中的70%被海洋吸收,然后再以长波辐射、潜热感热等多种能量形式释放出去。
 
过去100多年里,全球温室气体逐渐增加,使地球系统“困住”了更多热量,直接驱动了全球变暖,这些能量90%以上都存储在海洋中,因此海洋热含量变化是气候变化的一个核心指针:海洋变暖实际上就等于全球变暖。
 
当考虑全球能量或热量变化时,甚至可以忽略大气和陆地表面温度的变化,只分析海洋热容量的变化,就可较为准确地了解地球气候系统的变化状况。
 
根据常年观测数据统计,过去80年,海洋每一个十年都比前十年更暖。近年来,海洋变暖引发的一系列严峻后果逐个浮出水面,包括推升全球海平面,降低海洋二氧化碳吸收效率,增加海洋热浪发生概率,造成更多强台风/飓风和极端降雨等事件。
 
此次,研究团队同时发布了两个国际机构的2021年海洋热含量数据,分别来自中国科学院大气物理研究所的IAP/CAS海洋观测格点数据,以及来自美国海洋和大气管理局国家海洋信息中心(NOAA/NCEI)的NCEI格点数据。
 
2021年海洋变暖报告表明,海洋变暖在南大洋、中低纬度大西洋、北太平洋等区域更为剧烈。实验表明,温室气体增加是驱动海洋变暖空间结构的主要原因。此外,工业和生物气溶胶排放、土地利用变化等对海洋变暖也有一定影响。
 
与陆地相比,海洋对大气温室气体增加的响应较为缓慢和滞后,过去的碳排放导致的海洋变暖等影响将持续至少数百年之久,这一现象凸显了海洋在全球气候变化中的重要作用。研究团队指出,需要充分将海洋变暖的影响纳入气候风险、气候影响评估和应对当中。
 
重建长期资料,补足海洋观测“缺失的拼图”
 
随着全球温室气体浓度不断攀升,全球升温已成既定事实,海洋变暖多少的问题一直是科学家致力解决的难题。而海洋观测历史数据不足,数量偏少且质量不佳,是困扰研究的“硬伤”。
 
地球表面分布着数以万计的气象观测站,其中最悠久的已有200多年的连续观测历史。这些观测对于了解过去100多年、尤其是近50多年的陆地表面气候变化,发挥了至关重要的作用。相比之下,气候监测的海洋资料极为匮乏。
 
自1998年起,国际上开始筹建Argo全球实时海洋观测网,以便长期、自动、实时和连续获取大范围、深层海洋资料。这一计划被视为“海洋观测手段的一场革命”。该计划于2000年正式实施以来,包括美国、澳大利亚、法国、英国、德国、日本、韩国、印度和中国在内的近40个国家和团体在全球海洋共布放了超过1.4万个Ar go浮标,从而真正实现了对全球海洋中上层的实时观测。
 
随着相关技术的不断创新发展,Argo计划又提出继续向有冰覆盖的两极海区、赤道、西边界流区和重要边缘海拓展,并派生出了“生物地球化学Argo”和“深海Argo”等两个子计划。如今,Argo数据已成为海洋和大气研究中重要的数据来源和参考依据。
 
那么,如何了解50年乃至100年前海洋中上层热含量的变化状况呢?目前,国际海洋研究领域一般推荐用海洋次表层XBT(抛弃式测温仪器)温度观测数据。XBT是1970年到2001年海洋次表层最主要的温度观测仪器,占1970-2001年所有次表层温度数据的41%。尽管基于这个仪器的观测数据存在各种问题,但这是目前仅有的历史资料里的核心部分。
 
自2008年起,各国科学家都在致力于订正历史XBT数据的系统性偏差。2014年,中国科学院大气物理研究所研究团队提出的海洋数据偏差订正方案,成为目前国际上推荐的最佳订正方案。
 
另外,海洋中存在大量缺测的区域,需要利用已有的观测去“推算”无观测区域的温度变化。中科院大气物理所研究团队利用海洋丰富的时空相关性,提出了一个新的空间插值方案,并重建了一个自1940年以来全球海洋上层2000米的温度数据集,并不断对数据进行更新。
 
变暖从未停滞,海洋升温“滞后效应”正在显现
 
根据大气物理所重建的数据集进行重新评估,科学家得出了一个惊人结果:以此估计出的海洋变暖速度,比政府间气候变化专门委员会(IPCC)第五次评估报告中的估计快约13%——全球变暖速率比我们以为的更快。而且,该研究从能量角度表明,海洋和地球系统在加速吸收热量,特别是深海变暖在加速。
 
2019年,中外科学家在美国《科学》杂志上撰文,他们利用当时最新改进的数据,重新估算了海洋上层热含量的变化。结果表明,各个数据使用新的方法之后,显示出高度一致性——自1955年以来,全球海洋热含量上升趋势明显。而且,全球海洋上层2000米变暖速率在上世纪90年代后显著加速,这直接反映了人类活动持续排放的温室气体对海洋的影响。
 
这项研究还利用可信度较高的模型,预估假设未来不采取任何减排的气候政策可能带来的后果:2081-2100年间,整个海洋上层2000米将平均变暖0.78℃(相对于1991-2005的气候状态),这是过去60年海洋变暖总量的6倍!倘若未来气候政策可以接近或达到《巴黎协定》目标,到2081-2100年,海洋上层2000米将平均变暖0.4℃。
 
这一研究表明,人类活动已经深刻改变了海洋环境,海洋增温已经造成了海平面上升、溶解氧下降、极端事件加剧、珊瑚白化等后果。然而,由于海洋对温室气体响应的“滞后效应”,海洋正在加速变暖,更强的海洋增暖将发生在本世纪。即使全球升温幅度接近或者达到《巴黎协定》目标,海洋升温及其带来的影响也将持续。若不积极应对,未来人类和地球生态系统都将面临严重的气候风险。
 
温度影响氧在水中的溶解度,海水温度越高,能够容纳的氧气就越少。全球变暖在海水表层增温更高,而深水的增温更慢,这会使得海水上下的层结(稳定性)更强,不利于表层和深水区的物质交换,氧气向下的输送会更加困难,这会让海洋缺氧更加“雪上加霜”。二氧化碳增多引起海洋酸化和全球变暖引起海洋缺氧正同步发生,其对海洋生物和生态系统的影响还在持续,需要高度警惕。
 
过往十年,“全球变暖停滞”曾一度成为气候变化领域的热门话题。因为在1998的超强厄尔尼诺现象之后,全球地表气温的增温幅度有限。然而,随着2013年之后温度重新飙升,全球变暖停滞的概念似乎又成了“明日黄花”。不过,全球地表气温资料中显示出的“停滞”是如何形成的,确实还需要更合理的科学解释。
 
如果利用全球海洋热含量的数据来回看过去50年的气候变化,可以发现,海洋热含量序列里根本就没有变暖停滞期,其变化表现出稳定的增长趋势。这说明,如果要考察地球的气候变化,需要将大气与海洋一起综合考虑。
 
由于海洋面积巨大、热容量庞大,海洋热容量比地表温度序列更能准确反映过去几十年里所发生的气候变化。温室气体排放增加引起的全球增暖,其热量分配与流动在整个气候系统里进行,所以短期地表/海表温度变化的“停滞”,仅仅是海气相互作用的自然变率的产物,是由于海洋能量在不同深度间的输送导致的,全球变暖其实并未停滞。所以,当综合考察海-气系统的变化之后,“全球变暖停滞”基本上就成了伪命题。
 
(魏科系中国科学院大气物理研究所副研究员)

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