海洋溫度達歷史新高，我們正在走向未知
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6.21
知識分子
The Intellectual
圖源：pixabay
撰文丨姜中景
責編丨馮灝
熱量足以煮沸貝加爾湖
2024年3月，世界氣象組織（WMO）發佈《2023年全球氣候狀況》報告指出，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，尤其令人擔憂[1]。
此前，同樣拉響警報的是由中國科學院大氣物理研究所牽頭髮布的《2023年全球海洋環境變化研究報告》，2023年全球年平均海表溫度、2000米以上海洋熱含量、海洋層結、海洋溫度的空間不均勻性均爲有現代儀器記錄以來最高的一年[2]。
基於該報告，2023年海表溫度和上層2000米海洋熱含量達歷史新高，相比2022年，海洋表層的平均溫度上升了大約0.23°C。
圖1 1955-2023年全球平均海表溫度變化。黑色線：年平均時間序列；紅色線：月平均時間序列。圖源：[3]
由於水的熱容量遠高於空氣，同等質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，海洋要實現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，而海表溫度上升爲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23億個奧林匹克標準游泳池從室溫（20°C）加熱到沸騰且完全蒸發，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%，不斷吸收和儲存全球變暖導致的91%的能量，與之對比，平時更受關注的陸地增暖、冰川融化、大氣增暖僅佔氣候系統熱量的5%、3%和1%。因此，海洋也被視作是氣候變化的“緩衝器”。但最近的數據似乎在暗示我們，這個巨大的冷卻系統開始“失靈”。
海溫飆升的背後
2024年3月，美國宇航局戈達德太空研究所所長加文·施密特在《自然》發表觀點文章[5]，表示沒有哪一年像2023年這樣讓科學家感到困惑。
因爲2019-2022年，地球剛剛經歷了持續三年的拉尼娜事件，拉尼娜表現爲太平洋赤道東部海域海表溫度異常偏冷，因此一般會對全球變暖起到暫時性的抑制作用。基於歷史上相似氣候情況，包括施密特在內的幾位氣候科學家此前預測，2023年不太可能出現創紀錄的溫暖時期，打破歷史溫度記錄的概率僅爲五分之一。
而事實卻與科學家們的預期大相徑庭，基於現代溫度記錄與古氣候溫度代用指標，2023年可能是近十萬年來最熱的一年。相比於2022年，0.23°C的海洋增暖在行星尺度上是一個巨大的差距。
那麼，海溫飆升背後的原因究竟是什麼呢？科學家們嘗試了多種不同的解釋。
人們第一個想到的當然是全球變暖。此前提到，人爲造成的全球變暖有關的熱量中，有超過 90% 都進入了海洋。但海洋在持續吸收大氣中的熱量，僅僅由全球變暖無法解釋2023年海溫的跳躍式增長，自 2022 年以來的額外負荷只能解釋進一步變暖約 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，最大的原因還是厄爾尼諾-南方濤動，這個是最重要也是目前比較公認的影響因素”，中國科學院大氣物理研究所研究員、《2023年全球海洋環境變化研究報告》的主要作者成裡京告訴《知識分子》，“厄爾尼諾-南方濤動是赤道中東太平洋的海溫異常，它屬於自然界的振盪，去年正好是較強的厄爾尼諾年，赤道中東太平洋的海溫相對普通年份高出近兩攝氏度，所以導致全球的海表溫度和地表溫度出現一個比較大的上升。”
厄爾尼諾事件通常會持續9到12個月，一般情況多從下半年開始發展，在冬季達到峰值。2023年的厄爾尼諾似乎成爲這0.2°C偏差最重要的影響因素，但它並不能完成全部的解釋：這次厄爾尼諾從5月纔開始發展，而 2023年的海溫異常在厄爾尼諾開始發生前就已經出現。此外，這次厄爾尼諾相比於1997-1998年和2015-2016年強度更弱，影響範圍也更小。2023-2024年事件11月至1月峰值時期海洋尼諾指數爲2 °C，而1997-1998和2015-2016年對應時間峰值分別爲2.4和2.6 °C。
圖2 三次厄爾尼諾事件對比。圖源：NASA[7]
一個值得注意的點是，厄爾尼諾是太平洋上的氣候變率信號，但在2023年，北大西洋海表溫度也出現激增，遠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個標準差[8]。2024年3月發表在《美國氣象學會公報》上的一項新研究嘗試從長期、大尺度驅動因素解釋，強調地球能量失衡很可能是出現極端海洋溫度的一個關鍵驅動因素[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盪（AMO）的影響”，美國杜克大學氣候動力學助理教授胡世能告訴《知識分子》，“大西洋年代際振盪是基於北大西洋海表溫度計算區域平均定義的，去年的情況AMO處於偏正的狀態，這對去年大西洋海溫增加有不小的貢獻。”
圖3 AMO正相位的空間形態。圖源：[9]
事實上，放在更長的時間尺度，北大西洋經歷的海溫變化遠比此複雜。過去一百年，在全球海溫整體變暖的趨勢下，位於北大西洋北部（格陵蘭島以南）的一小片海域呈現“頑固”的降溫趨勢，這個“冷斑”的成因也是胡世能正在積極研究的課題。他們的一項工作發現，除了大西洋經向翻轉環流可以直接影響這個區域的海溫，遠在千里之外正經歷快速增暖的印度洋也能“遠程遙控”北大西洋的海表風場，從而導致“冷斑”的生成。
成裡京補充說，“研究指出：全球變暖、厄爾尼諾和北大西洋年代際振盪是學界比較公認的三個主要原因，另外一個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輻射的吸收和散射以及氣溶膠和雲的相互作用，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限制航運業的硫排放，該法規的實施不僅會減少總體氣溶膠數量，還會將其轉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，在實施該燃料硫法規後，大規模雲微物理特性發生了可檢測到的變化，並且有證據支持，東南大西洋主要航運走廊內雲滴有效半徑減少，海洋上雲層反射的太陽輻射隨之減少，氣候降溫效應也對應減弱[10]。然而，這種副作用對全球平均溫度的影響還有一定的爭議。
科學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。
我們是否會突然來到無法逆轉的轉折點？
2022年高溫熱浪席捲整個北半球之後，人們對“熱浪”這個詞並不陌生。而事實上，熱浪不僅發生在陸地，也發生在海洋。平均海溫的劇烈增加並不代表全球海洋同等程度的升溫，事實上，海洋升溫也具有很大的空間和時間的不均勻性。
海洋熱浪就是發生在海洋中的極端高溫事件。2023年，全球海洋平均每天經歷的海洋熱浪覆蓋率爲32%，遠高於2016年23%的歷史紀錄。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於熱浪條件下。全年來看，超過90%的海洋都經歷過熱浪事件[11]。
圖4 2023年（基準期爲1982-2011年）全球最高海洋熱浪類別。圖源：WMO[11]
北大西洋大範圍的海洋熱浪尤其顯著，熱浪從2023年北半球春季開始，在9月達到峰值，並持續到年底。2023年底，整個北大西洋出現了大範圍的嚴重和極端海洋熱浪，溫度比平均值高出3℃[11]。
科學家發現，1861至2020年，海洋熱浪及其他生物地球化學極端事件的發生次數大幅度增加。工業革命前，極端事件發生時長年均3.65天，而工業革命後的增長高達十倍（超過40天）[12]。
海洋熱浪嚴重威脅海洋生態，其中人們談論最多的一項就是世界各地珊瑚大範圍白化。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了近期珊瑚礁受損的範圍，並宣佈全球珊瑚礁正在經歷有記錄以來第四次珊瑚礁白化事件[13]。
NOAA珊瑚礁觀察項目協調員德里克.曼澤洛說：“從2023年2月到2024年4月，每個主要海洋盆地、不論南北半球，都記錄到嚴重的珊瑚白化。”從澳大利亞到佛羅里達，珊瑚礁在經歷長達數月的破紀錄海洋高溫後，正處於災難的邊緣。澳大利亞大堡礁正遭遇八年來第五次大規模白化事件。
圖5 NOAA 珊瑚礁觀察項目的全球 5 公里分辨率衛星珊瑚白化警報2-5級區域（2023 年 1 月 1 日至 2024 年 4 月 10 日）。NOAA 珊瑚礁觀察項目的熱應力監測基於1985年至今的衛星測量的海表溫度數據，全球大規模珊瑚礁白化曾在1998年、2010年和2014-2017年發生，而此次是有記錄以來的第4次。圖源：NOAA[13]
自2023年初以來，大規模白化已經影響至少53個國家、地區和地方經濟體，包括澳大利亞的南太平洋鄰國斐濟、瓦努阿圖、圖瓦盧、基里巴斯和薩摩亞。
大範圍的珊瑚白化會給經濟、生計、糧食安全帶來巨大影響，但白化並不意味着珊瑚一定會走向死亡。實際上，如果熱應力減弱，珊瑚可以在較短的時間內恢復健康，繼續爲海洋生態系統提供服務。
圖6 美屬維爾京羣島聖克羅伊島的一顆巨石星珊瑚，在整個加勒比海盆地在2023年遭受極端海洋熱應力後，它從健康（2023 年 5 月）到白化（2023 年 10 月）再到恢復（2024 年 3 月）的狀態。圖源：NOAA[13]
大堡礁基金會的首席科研專家霍格·戈德伯格表示，人們擔心的問題是，我們是否會突然來到無法逆轉的轉折點。一般情況，珊瑚需要大約15年才能成長並繁殖；隨着溫度經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，這會使得珊瑚的損傷無法恢復[14]。
此外，更長時間尺度的大範圍海洋熱事件也在發生。近十年來，東北太平洋阿拉斯加灣附近發生了多次備受矚目的持續性暖斑事件，以2013-2016年和2019-2020年兩次持續性事件最爲著名。
暖斑和熱浪的定義有着明顯的差異，“海洋熱浪主要是基於天氣-次季節尺度對單點的海表溫度進行識別和篩選，而暖斑可以持續數月並且影響範圍達到千公里尺度”，中國海洋大學副教授石劍告訴《知識分子》，“暖斑之所以在最近十年頻繁發生，除了局地大氣環流和海洋動力過程的影響外，還可能與全球變暖背景下自然變率或者人爲因素導致的大氣羅斯貝波列和海洋環流等物理過程的變化有關。”
除了對局地海洋生態的影響，石劍通過數值試驗發現，暖斑也會對北美、歐亞、以及大西洋的氣候產生重要影響。“全球氣候其實是一個聯動起來的統一整體。海洋變暖是向我們發出了一個非常緊急的信號，並不能因爲它在地理上距離我們遙遠，我們沒有生活在海洋上，就不去關注它。因爲它的變暖會通過一系列的大氣橋過程，也就是大氣的遙相關機制，影響到陸地氣候，從而對我們的生活造成影響。”石劍說。
海洋危機全面爆發，
高強颱風也是一例
除了溫度，海洋許多其他特徵的變化也值得關注。
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，因此鹽度的變化會影響海水的密度分佈，進而影響海洋的環流和混合過程。此外，不同海洋生物對鹽度變化的適應能力不同，鹽度的變化也會影響海洋生物的分佈和生長。在過去的半個多世紀，整個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。
成裡京告訴《知識分子》，不同洋盆鹽度的變化主要是來源於大氣水汽輸送以及海洋鹽度輸送的差異。在平均氣候狀態下，大西洋水汽輸送爲淨輸出，太平洋爲淨輸入；在全球變暖背景下，水循環增強，從而大西洋鹽度上升，太平洋鹽度下降。此外，增暖可能導致大西洋經向翻轉環流減弱，進而減弱海洋鹽度輸送，導致在大西洋副熱帶地區出現鹽度的異常輻合（太平洋沒有翻轉環流存在，故無此效應）[15]。這些效應使得海盆間的鹽度差異越來越大。
另一個值得關注的點是海洋中的溶解氧在顯著下降，過去半個世紀大約下降了1-3%，嚴重威脅海洋中各種魚類和其他生物的生存。
溶解氧下降的一個原因是隨着海洋溫度的升高，水的溶解度降低；另一個原因則是海洋特殊的層化結構發生了變化。“海洋是一個層化流體，上面密度低，下面密度高，這是一個比較穩定的結構；而由於海表相對於深層增暖更快，溫度越高密度越低，這就使得海洋的層結越來越穩定，這意味着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，分層後上下的交換就會很弱。”成裡京解釋道。
此外還有海洋環流的變化。中國科學院大氣物理研究所副研究員朱晨玉告訴《知識分子》，“人類活動引起的增暖會使北大西洋浮力通量增加，進而導致大西洋經向翻轉環流（AMOC）減弱。代用指標顯示，從上世紀後半葉以來，AMOC或已出現減弱甚至加速減弱。但目前直接觀測資料時間較短，AMOC是否已經出現長期趨勢變化還存在較大的爭議。”
圖7 大西洋經向翻轉環流和副極地環流。圖源：[16]
“目前AMOC的直接觀測差不多隻有20年的時間，這對於長期趨勢的分析來說是遠遠不夠的。在較短的時間尺度內，AMOC的變化可能來自於內部變率的影響。”胡世能補充。
海表增暖也會對其他海洋環流造成影響，“目前的一些研究顯示，海表增暖會加大海洋層結，進而可能導致海洋上層環流，如副熱帶環流、赤道流、南大洋表層緯向流等的增強。溫室氣體的持續排放也可能會增強全球的平均風場，造成全球平均海洋環流的加速。”朱晨玉說。
另一個問題是海洋酸化，海洋儲存了地球上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生一系列化學反應導致氫離子濃度增加，使得海水酸性增強並減少碳酸根離子的含量，這會使牡蠣、蛤蜊、海膽、珊瑚和鈣質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構，進而影響和威脅整個海洋生態網。
海洋溫度、鹽度、酸度的變化，溶解氧的下降，以及環流的變化，這些不僅嚴重威脅了海洋生態系統，也會影響整個大氣和陸地的氣候以及人類生活。颱風是其中一個典型的例子。
隨着海溫越來越高，颱風的強度也越來越高。成裡京解釋，“颱風其實是在溫暖溼潤的洋麪上形成的，一般是在赤道外五到十度的範圍內，而它的形成條件之一就是海洋必須是一個比較溫暖的狀態，比如表面溫度在26.5°C以上。海洋相當於是它的能量來源，颱風生成過程中不斷抽走水汽中的能量，才能維持它的發展，而一旦到了陸地上，它很快就會衰減。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，所以強度就會越來越大。”
駛入未知
近五年，海洋連續打破“最熱”紀錄，成爲全球海洋最熱的五年。從當前的數據來看，2024年的全球平均海溫還在持續升高。
2024年的下半場，情況是否會有所好轉呢？根據預測，今年赤道東太平洋海溫模態即將從厄爾尼諾轉向拉尼娜，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。“今年由於拉尼娜的影響，海表平均溫度應該會稍低一些，但具體的情況取決於今年後續拉尼娜的幅度有多強，以及其他一些自然變率的變化。但海洋熱含量會一直保持上升的趨勢，這個短期內不會改變。”成裡京說。
圖8 日海表溫度數據。圖源：ClimateReanalyzer
從更長時間尺度來看，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世紀持續。成裡京解釋說，“地表平均溫度的變化和溫室氣體排放是一個近似線性的關係，一旦停止排放，地表平均溫度的上升趨勢就會停止；而海洋熱含量更多是和大氣中的二氧化碳濃度相關，工業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超過了420ppm。停止排放，二氧化碳的濃度並不會突然下降，只有大氣二氧化碳被清除掉一部分，海洋纔不會吸收更多能量。”
“因此，海洋需要等待漫長的時間，等陸地生態系統和海洋等碳匯把二氧化碳吸收到一定的水平，整個地球系統重新達到能量收支平衡，海洋增暖纔會停下來。” 成裡京說。
海洋熱浪不僅存在於海表，也發生在更深的海域[17]。《自然·地球科學》2023年11月發表的一項研究發現，只有大約一半的海洋熱浪事件在其生命週期中具有連續的表面信號，大約三分之一的海洋熱浪隱藏在海洋表面以下，在其整個生命週期中都沒有明顯的海表面溫度異常信號。而隨着全球變暖，次表層海洋溫度升高，次表層海洋熱浪的發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定下來，那麼世界可能將進入一個未知的領域。這可能意味着增暖的地球已經從根本上改變了氣候系統的運作方式，地球變暖比科學家們所預期的要快得多。基於過去事件的統計推斷和基於模式的未來預估也許並不如我們想象的那麼可靠，這給乾旱和降雨模態的季節性預測增加了更多不確定性。
[1]2023年氣候變化指標達創紀錄水平：WMO，https://wmo.int/zh-hans/news/media-centre/2023nianqihoubianhuazhibiaodachuangjilushuipingwmo
[2] AAS: 2023年海洋主要氣候變化指標均創新高，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.
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[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年氣候變化指標達創紀錄水平：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，從澳大利亞至佛羅里達 全球珊瑚礁正經歷第四次大規模白化,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