想象一下，當(dāng)你身處廣袤的宇宙，遙望地球，映入眼簾的，將是大片靜謐美好的蔚藍(lán)海洋。這片占到地球表面積 71% 的區(qū)域，以它的浩瀚造就了生命的起源，并無私哺育著這些生命。

然而，在氣候變化的今天，海洋，這個吸收了 93% 以上地球系統(tǒng)能量收入的大載體，也開始“發(fā)燒”了。

NOAA首次公布的GOES-18（地球靜止軌道運(yùn)行環(huán)境衛(wèi)星）的圖像。圖片來源：NOAA

早在 1965 年，人們就已經(jīng)提出大氣溫室氣體增加會引起海洋變暖。2000 年，來自美國國家海洋和大氣管理局（NOAA）的研究員西德尼·萊維圖斯（Sydney Levitus）在《科學(xué)》撰文表明，1948~1998 年期間，世界海洋從表面到 3000 米深度的熱含量（平均溫度）廣泛增加。但全球海洋到底變暖了多少，一直是一個爭議不斷的問題。

01

給海洋“量體溫”

怎么這么難？

大量的觀測數(shù)據(jù)證實(shí)，全球升溫是不爭的事實(shí)，那為什么海洋的增暖還會充滿爭議呢？ 究其原因，來自于 過去海洋觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量和數(shù)量的不足。

為了知道歷史時期的氣候變化，科學(xué)家們可以從歷史文獻(xiàn)、化石、沉積物（如海洋、黃土、石筍等）、冰川、樹輪等找到歷史氣候變遷的痕跡。到了現(xiàn)代，衛(wèi)星和全球密集的觀測站點(diǎn)又成為測量大氣溫度的最佳武器之一。目前陸地上大約有 11000 個站點(diǎn)在進(jìn)行大氣溫度的觀測工作。但是面對廣袤無垠的大海，這些方法就顯得鞭長莫及了。

竺可楨先生根據(jù)歷史文獻(xiàn)重現(xiàn)的中國近五千年來溫度曲線。圖片來源：《中國近五千年來氣候變遷的初步研究》

海洋的復(fù)雜性在于，不僅有寬度（3.6 億平方千米），還有深度（平均深度 3680 米，最深海溝達(dá)到海平面以下 10911 米）。不同地區(qū)的地表溫度尚有區(qū)別，不同區(qū)域的海洋當(dāng)然也有著自己的“脾氣”。

正是由于對海洋的探索是一個三維的過程，使得厘清海洋熱容量的變化變得尤為困難。即使在現(xiàn)在，人類對海洋的探索還只是九牛一毛。而目前人類對海洋溫度的探索僅僅集中于海洋上層 2000 米的部分。

在 1970~2001 年間，海洋次表層最主要的溫度觀測，是利用船只沿航道扔下的一次性拋棄式測溫儀（XBT）進(jìn)行的，占到總數(shù)據(jù)量的 41%。可受到當(dāng)時技術(shù)的限制，它的結(jié)果存在系統(tǒng)性偏差。

要想知道海溫的長期變化，就必須想方設(shè)法訂正這些數(shù)據(jù)。因此自 2008 年起，全球科學(xué)家開始了訂正歷史 XBT 數(shù)據(jù)系統(tǒng)性偏差的工作。同時通過結(jié)合 2000 年正式實(shí)施的 Argo 全球?qū)崟r海洋觀測網(wǎng)數(shù)據(jù)，嘗試量化海洋溫度的長期變化。但由于數(shù)據(jù)偏差訂正方法不同，往往會得到不一致的海洋增暖結(jié)論。

全球Argo浮標(biāo)的分布。圖片來源：https://argo.ucsd.edu/about/status/

02

再破紀(jì)錄！

海洋：我要“燃”起來了

2014 年，中國科學(xué)院大氣物理研究所（以下簡稱大氣所）研究團(tuán)隊(duì)提出的海洋數(shù)據(jù)偏差訂正方案，一躍成為目前國際上推薦的最佳訂正方案，有效減小了政府間氣候變化專門委員會第五次評估報(bào)告中的海溫估計(jì)誤差。

2023 年，大氣所牽頭的 2022 年全球海洋環(huán)境變化研究報(bào)告顯示，2022 年成為有現(xiàn)代海洋觀測記錄以來海洋最暖的一年。

2022 年，全球海洋上層 2000 米儲存的熱量與 2021 年相比，增加了 10.9±8.3 澤焦耳（1 澤焦耳=10 的 21 次方焦耳）。這些熱量可以同時燒開 7 億億壺 1.5 升的水，約為 2021 年中國全年發(fā)電總量的 325 倍、2021 年世界發(fā)電總量的 100 倍。在 20 世紀(jì) 90 年代以后，科學(xué)家在 2000 米以下的深海也已觀測到了變暖信號。

1958~2022 年全球海洋2000米以上熱含量異常。圖片來源：參考文獻(xiàn)[3]

在區(qū)域增暖中，七個大洋 2022 年海溫的記錄，都排進(jìn)了歷史記錄的前十，其中有四個（北大西洋，地中海，北太平洋(北緯 30°~62°)和南太平洋，以及南大洋）甚至創(chuàng)下了歷史最熱紀(jì)錄。

相對于 1981~2010 年基線，1958~2022 年區(qū)域觀測到的 2000 米上部熱含量變化。 圖片來源：參考文獻(xiàn)[3]

03

海洋變暖

多種生物將面臨危機(jī)

看上去，最害怕海洋變暖的會是海洋生物。2018 年的研究表明，海洋溫度升高和層結(jié)加劇會導(dǎo)致海水中溶解的氧減少，這是造成大多數(shù)有記錄的海洋物種滅絕的原因。

溫度依賴性缺氧（二疊紀(jì)末海洋物種大滅絕的驅(qū)動因素）示意圖。圖片來源：參考文獻(xiàn)[4]

2022 年，科學(xué)家們的研究進(jìn)一步表明，如果人類對溫室氣體沒有采取行之有效的減排行動，將使地球在 2300 年走上二疊紀(jì)末期大規(guī)模海洋物種滅絕（這一事件被稱為“物種大滅絕”，導(dǎo)致 96% 的海洋物種和 70% 的陸地物種消失）的道路。這其中，極地物種滅絕的風(fēng)險(xiǎn)最高，但熱帶地區(qū)的生物豐富度下降得更多。

只有大規(guī)模扭轉(zhuǎn)溫室氣體排放趨勢，才能減少 70% 以上的物種滅絕風(fēng)險(xiǎn)，保護(hù)過去 5000 萬年進(jìn)化史中積累的海洋生物多樣性。

海洋生物豐富度的過去和未來。圖片來源：參考文獻(xiàn)[5]

除此之外，在陸地上經(jīng)歷越來越頻繁的高溫?zé)崂藭r，海洋熱浪（是指發(fā)生在海洋中的極端高溫事件，被定義為海表溫度至少連續(xù) 5 天超出氣候平均態(tài) 90 百分位閾值）也正在成為新常態(tài)。

海洋熱浪。圖片來源：NOAA

在 1982~2016 年期間，海洋熱浪天數(shù)增加了一倍。如果全球變暖控制在 1.5℃，預(yù)計(jì)海洋熱浪天數(shù)將增加 16 倍，然而，按照目前各個國家的自主貢獻(xiàn)目標(biāo)（是每個國家對其如何減少溫室氣體排放以及減排程度所做出的非約束性承諾）來計(jì)算，21 世紀(jì)末全球?qū)⒆兣s 3.5℃，海洋熱浪天數(shù)增加可能為 41 倍。

全球變暖水平為1°C (a)、2°C (b)和3.5°C (c)時，海洋熱浪天數(shù)超過工業(yè)化前第99百分位的概率變化。圖片來源：參考文獻(xiàn)[6]

如同面對高溫?zé)崂艘粯樱?/strong>漁業(yè)，甚至人類社會經(jīng)濟(jì)，在海洋熱浪面前都是高度脆弱的。南海海洋熱浪事件導(dǎo)致了 2010 年以來，南海珊瑚礁白化現(xiàn)象不斷出現(xiàn)，我國沿海海域均出現(xiàn)嚴(yán)重的珊瑚礁白化事件。2021 年的加拿大極端熱浪則直接把海灘上的貽貝和其他水生有殼生物烤熟。

不僅是海洋生物，海洋熱浪還會通過大氣遙相關(guān)影響陸地的極端天氣，從而影響我們的生活。

加拿大西部海灘上，極端高溫烤熟了水生有殼生物。圖片來源：CNN

在 2021 年，世界上近 60% 的海洋表面至少經(jīng)歷了一次海洋熱浪的襲擊（WMO）。

聯(lián)合國環(huán)境規(guī)劃署提出，如果海水繼續(xù)變暖，到本世紀(jì)末，世界上的每一個珊瑚礁都可能會出現(xiàn)白化現(xiàn)象。海洋增暖還會導(dǎo)致海洋生物的銳減、有毒藻類的大量繁殖和海岸線水生物的死亡等等。這些變化最終將影響包括約 6.8 億生活在低洼沿海地區(qū)的人，近 20 億生活在世界沿海大城市的人，以及近 6000 萬在漁業(yè)和水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)工作的人。

珊瑚礁白化。圖片來源: Kelsey Roberts/USGS

04

不只是變暖

海洋危機(jī) SOS！

海洋面臨的危機(jī)當(dāng)然不僅是“發(fā)燒”。 隨著海洋變暖，溫度的變化像多米羅骨牌一樣帶來了連鎖反應(yīng)。

儲存在海洋中的熱量導(dǎo)致海水膨脹，可以在全球海平面上升中占 33.3%~50%，這將使得沿海和低洼地區(qū)面臨著越來越嚴(yán)重的風(fēng)險(xiǎn)。

過去 10 年間，海平面上升的高度（45.0 毫米）接近之前 20 年的總和（50.0 毫米）。圖片來源：WMO

海洋的變化還會加劇像風(fēng)暴潮、洪水這樣的極端氣象災(zāi)害。研究表明，在溫和氣候變化情景下，西北太平洋低緯地區(qū)上層海洋的持續(xù)變暖，將使 2100 年平均臺風(fēng)強(qiáng)度進(jìn)一步增加 14%。

另外，由于海洋具有非常高的儲熱能力，是全球變暖的“緩沖器”，僅從 1800 年工業(yè)革命開始到 1994 年，全球海洋就吸收了 1180 億公噸碳。

但海洋無限制為減排“背鍋”的背后，也總有一個臨界值。

研究發(fā)現(xiàn)，雖然進(jìn)入海洋的 CO 2 正在增加，但與 2004 年第一次全球海洋碳調(diào)查相比，被海洋吸收的排放量（約 31%)）保持相對穩(wěn)定。 如果海洋無法吸收持續(xù)增加的 CO 2 ，或者隨著海洋變暖和海洋層結(jié)加劇，海洋碳吸收效率下降了，人為排放的 CO 2 不得不留在大氣中，這將進(jìn)一步加劇全球變暖。

1800~1994年和1994~2007年的全球 CO 2 預(yù)算。圖片來源：參考文獻(xiàn)[8]

另外，海洋持續(xù)吸收 CO2 也使得海洋繼續(xù)酸化，這對于貝類以及其他利用礦物碳酸鈣來形成外殼和外骨骼的海洋生物而言，無疑是滅頂之災(zāi)。

05

碳中和是否能為海洋危機(jī)

按下暫停鍵？

在過去 80 年間，海洋每個十年都比前十年更暖。研究表明，歷史性的海洋變暖在本世紀(jì)是不可逆轉(zhuǎn)的。到 2100 年，預(yù)計(jì)海洋上層 2000 米的變暖是迄今觀察到的變暖的 2~6 倍。太平洋將成為最大的熱庫，大西洋和南大洋的區(qū)域平均變暖依然是最強(qiáng)的。

那么，如果實(shí)現(xiàn)碳中和目標(biāo)，使碳排放與碳吸收平衡，溫度不再上升，能使得海平面停止上升，甚至下降嗎？

CO 2 在大氣中的壽命是由碳匯吸收 CO 2 的速度決定的。雖然約一半的排放被相對較快地吸收，但我們在大氣中積累的部分 CO 2 排放，仍將存在數(shù)萬年。而即使全球的溫室氣體排放量處在一個穩(wěn)定的狀態(tài)，在海水熱膨脹的作用下，海平面仍然會上升幾百年的時間。冰川和冰蓋的融化也會促使海平面進(jìn)一步上升。

由于熱膨脹導(dǎo)致的全球海平面上升距平和海溫距平（與平均值的差）。a，全球年平均海平面上升距平（相對于 1986~2005 年）；b，全球 300 米海溫年均距平（相對于 1986~2005 年）。c，全球3000米海溫年均距平（相對于 1986~2005 年）。圖片來源：參考文獻(xiàn)[10]

但即使處在一個零碳排放的世界，海平面在未來的幾百年里依然會上升，至少 80 厘米的額外海平面上升是“肯定”的。

06

結(jié)語

今天是世界氣象日，我們講述海洋的故事，是為了警醒大家：溫室氣體問題是我們生活、生存的根本性問題。海洋危機(jī)可能無法避免，但減排可以極大地遏止海平面上升幅度，我們需要更加積極地減緩升溫和準(zhǔn)備適應(yīng)措施。

無數(shù)的科學(xué)家展示了同一個我們可能面臨的未來：地球會更不適宜人類生存。我們最終需要的可能不僅是凈零排放，而是更嚴(yán)格的全球凈負(fù)排放，這樣才能阻止升溫后人類無法承受的世界來到。

“天氣氣候水，代代向未來”。深夜，當(dāng)我們閉上眼，也有超過 10000 個氣象站、7000 艘船、1000 個漂流浮標(biāo)、數(shù)百個天氣雷達(dá)、約 30 顆氣象衛(wèi)星和 200 顆研究衛(wèi)星和其他設(shè)備在不停歇地觀測著陸地和海洋。當(dāng)我們擁有了足夠的數(shù)據(jù)來武裝我們的知識，下一步，就該是切實(shí)的行動了。

參考文獻(xiàn)：

[1] Revelle, R., W. Broecker, H. Craig, C. D. Keeling, and J. Smagorinsky (1965), Appendix Y4, in Restoring the Quality of Our Environment—Report of the Environmental Pollution Panel, pp. 112–133, Pres. Sci. Advis. Comm., Washington, D. C.

[2] Levitus, S., J. Antonov, T. P. Boyer, and C. Stephens (2000), Warming of the world ocean, Science, 287, 2225–2229.

[3] Cheng, L., Abraham, J., Trenberth, K.E. et al. Another Year of Record Heat for the Oceans. Adv. Atmos. Sci. (2023). https://doi.org/10.1007/s00376-023-2385-2

[4] Penn JL, Deutsch C, Payne JL, Sperling EA. Temperature-dependent hypoxia explains biogeography and severity of end-Permian marine mass extinction. Science. 2018 Dec 7;362(6419):eaat1327. doi: 10.1126/science.aat1327

[5] Penn JL, Deutsch C. Avoiding ocean mass extinction from climate warming. Science. 2022 Apr 29;376(6592):524-526. doi: 10.1126/science.abe9039

[6] Fr?licher, T.L., Fischer, E.M. & Gruber, N. Marine heatwaves under global warming. Nature 560, 360–364 (2018). https://doi.org/10.1038/s41586-018-0383-9

[7] Mei, W., Xie, S., Primeau, F.W., McWilliams, J.C., & Pasquero, C. (2015). Northwestern Pacific typhoon intensity controlled by changes in ocean temperatures. Science Advances, 1.

[8] Gruber N , Clement D , Carter B R , et al. The oceanic sink for anthropogenic CO 2 from 1994 to 2007[J]. Science, 2019, 363(6432):1193-1199.

[9] Cheng, L., J. Abraham, Z. Hausfather, K. E. Trenberth, 2019: How fast are the oceans warming? Science, 363 (6423), 128-129. doi: 10.1126/science.aav7619.

[10] Meehl, G., Hu, A., Tebaldi, C. et al. Relative outcomes of climate change mitigation related to global temperature versus sea-level rise. Nature Clim Change 2, 576–580 (2012). https://doi.org/10.1038/nclimate1529

[11] Nauels, A., Gütschow, J., Mengel, M., Meinshausen, M., Clark, P. U., & Schleussner, C. F. (2019). Attributing long-term sea-level rise to Paris Agreement emission pledges. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, 116(47), 23487–23492. https://doi.org/10.1073/pnas.1907461116

[12] WMO Provisional State of the Global Climate 2022

[13] Cheng, L., von Schuckmann, K., Abraham, J.P. et al. Past and future ocean warming. Nat Rev Earth Environ 3, 776–794 (2022). https://doi.org/10.1038/s43017-022-00345-1

[14] Gruber N , Clement D , Carter B R , et al. The oceanic sink for anthropogenic CO 2 from 1994 to 2007[J]. Science, 2019, 363(6432):1193-1199.

出品：科普中國

作者：半懶不懶（中國科學(xué)院大氣物理研究所）

監(jiān)制：中國科普博覽

本文封面圖片及文內(nèi)圖片來自版權(quán)圖庫

圖片內(nèi)容不授權(quán)轉(zhuǎn)載

原創(chuàng)圖文轉(zhuǎn)載請后臺回復(fù)“轉(zhuǎn)載”