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海洋不断升温,影响几何?

发布时间:2021年03月23日 来源:中国气象报社

  我们居住在这颗蓝色的星球上,海洋与人类有着千丝万缕的联系。作为气候系统中最重要的一环,海洋与大气间的能量和水循环等作用在调节和稳定气候上发挥着决定性作用。如今,海洋中一场悄无声息的巨变正在上演。全球变暖下不断升温的海洋,会引起哪些气候与天气变化?这些变化又将给人类社会、自然环境带来怎样的影响,我们又该如何应对?

  对今年世界气象日主题“海洋、我们的气候和天气”进行延展,本期特别策划一一探寻上述问题。

  本版专家顾问:

  中国气象科学研究院研究员 翟盘茂

  国家气候中心副主任 巢清尘

  自然资源部第三海洋研究所二级研究员 蔡榕硕

  中国科学院大气物理研究所副研究员 成里京

  中国气象科学研究院博士 余荣

  变化的海洋与频繁的极端事件

  海洋涵盖了地球表面71%的面积,承载了地球97%的水。海洋可以通过水循环、能量循环和碳循环等影响气候系统的其他组成部分,直接或者间接影响人类的生产生活。工业化革命以来人类活动造成的温室效应加剧,一方面使得全球地表面平均温度升高了1℃左右,另一方面把增加了的93%的能量储存在海洋中,海洋中的热含量也随之增加了。

  可能有人会问,既然有海洋在吸收大量的热量和二氧化碳,那人类是否可以毫无节制地排放?结论当然是“NO!”已经有证据表明,海洋的变暖与海平面的上升、台风/飓风造成的更加极端风雨的影响有诸多关联。

 

  海洋热浪很“厉害”

  近年来,陆地上正在频繁经历高温炎热天气,给人类的健康造成严重威胁。殊不知海洋也正经历着越来越频繁的海洋热浪事件,这类事件在时间上可以持续数天到数月,空间上可以延伸数千公里、深达海面以下数百米。在过去20年所有大洋盆地均观测到了这种极端海洋高温事件,自1982年以来,这类事件发生的频率很可能翻了一倍,并且持续时间更长,强度和范围也在增加。例如,2016年8月,渤海、黄海和东海28.5℃和30℃等温线分别到达北纬36度和32度,是有记录以来的最北位置。人类活动很可能导致这类事件频繁发生,且随着未来全球变暖的进一步加剧,极端海洋高温事件的频率、持续时间、影响范围以及强度会继续增加。

  在过去20年,海洋热浪事件严重影响了所有海域海洋生态系统和生态服务。自1997年以来,海洋热浪已经造成大尺度珊瑚礁白化事件的频率增加,导致全球珊瑚礁减少。而珊瑚礁一旦发生白化,需要超过15年的时间才能恢复。除此之外,海洋热浪也加剧了海洋生态系统的脆弱性。而随着全球升温进一步增加,将超过一些海洋群落结构、渔业以及生态系统功能的极限恢复能力。同时,海洋热浪事件还可以通过大气遥相关影响陆地区域的干旱、强降水和高温热浪事件,而这些极端天气气候事件也会直接影响陆地上的生态系统、人体健康和经济。

  厄尔尼诺事件和印度洋偶极子事件更极端

  近年来,厄尔尼诺事件和印度洋偶极子事件频繁出现在公众的视野。这两类事件的威力都挺大,超强的厄尔尼诺或印度洋偶极子事件一旦发生,其影响甚广。比如我们所熟知的20世纪以来发生的3次超强的厄尔尼诺事件(1982/1983年,1997/1998年和2015/2016年)。

  在人类对排放不加限制的情景下,预计21世纪极端厄尔尼诺和拉尼娜事件的发生将更加频繁,极端印度洋偶极子事件的频率也会进一步增加。这将对全球部分地区的自然和人类系统造成广泛影响——除了引起降水变化和影响热带气旋外,还会对自然系统,包括海洋生态系统与冰冻圈的变化产生影响。伴随着极端厄尔尼诺事件,极端印度洋偶极子事件会显著作用于亚洲和非洲季风,波及这些区域的粮食安全和水安全。

  海洋“长高长胖” 更多“龙王”出来搞事情

  受到升温影响,陆地冰川和冰盖加速融化产生的淡水流入海洋,增加了海洋的体积和质量,使得海洋变高变胖。20世纪以来全球海平面不断上升,海平面长高了,抬高了台风-风暴潮的基础水位,使得(超)强台风-风暴潮增水更易形成灾害性水位,特别是叠加高海平面和天文大潮时,加剧洪涝灾害的程度,许多低洼地还面临未来海平面持续上升带来永久淹没的威胁。另有研究表明,在全球气候与海洋持续变暖背景下,西北太平洋(超)强台风的数量可能增加、强度更强、登陆点北移。未来,沿海地区将进一步暴露在更多更强的热带气旋(台风)之下。

  我国有1.8万多千米海岸线,海拔低于10米的区域就有约12.6万平方千米;沿海地区由于经济发展优势明显,聚集了大量人口、经济产业和社会财富,这是沿海经济发展优势,也使得沿海区域在天气、气候和海洋灾害事件中的损失具有放大效应。

  未来全球平均海平面将持续加速上升,如不采取减缓行动,到2100年全球平均海平面将达到每年15毫米的上升速度,本世纪后上升速度将超过每年几十毫米;人类如不加以控制,在所有排放情景下,到2050年一些站点目前百年一遇的极端海平面事件将变为至少一年一遇,尤其在热带地区。在局地人类活动影响、海平面上升、海洋增暖和极端气候事件的多重影响下,过去100年已经失去了接近50%的沿海湿地。  (李慧)

  海洋生态系统正在“失稳”

  海洋是全球变暖的“缓冲器”,温室气体造成的地球系统热量增加的90%以上都储存在海洋中,但代价则是气候系统和海洋生态系统的稳定性。据估算,2018年全球海洋上层2000米热含量较1981-2010年的平均值高出19.67×1022焦耳,比历史第二高的2017年高出0.91×1022焦耳——相当于中国2017年全年发电量的388倍左右,是广岛原子弹爆炸释放出能量的1亿倍。

  如此巨大的能量就像一颗颗落入池塘的冰雹,必然掀起水浪,波及海洋生态系统中的各种生物,其中一些生物可能面临“灭顶之灾”。

  与变暖“赛跑”

  对所有生物来说,温度都是一个最重要的环境因子。相对于陆生生物,除了那些反复暴露在空气和浸没在海水里的潮间带生物外,其他的海洋生物都倾向于生活在温度相对稳定的环境中。因此,海洋生物对温度变化也更敏感。

  随着海洋吸收大量热量后持续变暖,那些不能适应水温升高的海洋生物不得不远离原来栖息的海域,游向更远的海域,一场与海洋变暖“赛跑”的竞赛开始了。

  20世纪50年代以来,海洋上层(0-200米)生物和海底底栖生物分别以平均每十年52公里和29公里的速率向极地迁移。赤道附近的海洋变暖速度更快,海洋生物向南北方向温度更低的海域迁移。与此同时,居住在靠近两极的海洋生物可能会因为来自温暖海域的海洋生物增多而面临食物的竞争压力。极地海洋哺乳动物和海鸟栖息地范围减小,鱼类和贝类种群的丰度下降,造成渔业捕获量减少。

  需要注意的是,21世纪很多动植物可能都无法快速迁移,从而难以寻找到中高速气候变化下的适宜气候,最后面临种群数量大规模减少甚至灭绝的危险。

  “死亡地带”

  海洋中所含氧气正受到全球气候变暖的威胁:一方面,海水表层变暖后能储存的氧气变少;另一方面,海水变暖使其分层更为稳定,造成表层和深层海水的物质交换效率随之减弱,导致转移至深层海水的氧气含量减少。

  自20世纪70年代以来,由于人类的密集开发和流域盆地的物质输送,造成河囗中营养盐和有机物富集,加剧了海洋变暖对细菌呼吸的刺激作用,从而导致低氧区域的扩大。多数据集显示,在1970年至2010年间,海洋上层1000米的溶解氧损失很可能在0.5%-3.3%的范围内,同时海洋低氧区的体积可能增加了3%-8%。

  如果未来还是维持在高温室气体排放情景(RCP8.5)下,预估到2031年至2050年,59%-80%以上的海域在100-600米深度会出现溶解氧降低;相对于2006年至2015年,预计2081年至2100年全球海洋含氧量将下降3%-4%。

  海洋中的氧气最小带和缺氧产生的“死亡地带”进一步扩张会限制海洋生物的栖息地,这对于那些无法顺利向气候适宜区域迁移的生物而言无异于雪上加霜。

  不仅仅是“温水”

  二氧化碳溶解在海水中会发生反应形成碳酸。虽然这是一种弱酸,但足以改变海水天然弱碱性的pH值。据估计,工业革命以来海水中溶解的二氧化碳已导致海洋表层的平均酸碱度降低了0.1,从8.2左右降至8.1。这一变化看起来不大,但足以对海水的化学组成以及依靠海水的生态系统产生显著的连锁反应。有证据表明,海洋酸化可能是造成2.5亿年前地球上物种大灭绝的真正“凶手”。

  例如,对于贝类以及其他利用矿物碳酸钙来形成外壳和外骨骼的海洋生物而言,酸度增加是个非常糟糕的消息。海水酸度越高,海水中的碳酸钙浓度就越低,可供钙化生物使用的量就越少。此外,海水酸性过强,藻类、软体动物等酸碱平衡调节能力较低的海洋生物适应海水变暖和酸化的能力有限,这些海洋软体动物是太平洋中一些鱼类的重要食物来源,如果它们的数量减少或是在一些海域消失,那么对于海洋鱼类生存以及人类渔业发展都将造成很严重的影响。

  到2100年,海洋持续的碳吸收几乎确定会加剧海洋酸化。未来海洋生物将面临氧气含量逐渐下降及高速和大幅度的海洋酸化,且海洋温度极端事件上升将加剧相关的风险。 (吴鹏)

  加快机理研究和技术研发 降低海洋气象灾害综合风险

  在全球变暖的背景下,海洋变暖、海平面上升、海洋酸化等一系列变化加剧,不仅影响全球生态系统稳定,也成为了全球经济发展的不确定因素。海洋变化改变了沿海地区的生产和生活,影响了渔业、食物、健康和生活、本土文化、旅游业、贸易和交通等。

  面对越来越多的灾害风险,我们应该做些什么?

  当前减少风险最有效的方式之一是精准预测和预警,包括对海洋热浪、ENSO事件等的预警和季节到年际的预报,及时发布热带气旋、风暴潮等灾害预警。其前提是更好地理解这些事件的影响、前期信号和发生机理。以我国为例,目前一些研究指出,我国沿海海平面上升速率高于同期全球平均水平,强台风、风暴潮等极端事件频发,给沿海地区带来严重影响。为了应对海洋增暖带来的影响,我国急需构建与完善相应的监测预警和评估体系,研发多基协同观测、多种技术融合的海洋气象综合观测平台,提升海洋气候变化监测预测能力;建立全球海洋、海冰资料同化系统,发展全球海洋多尺度天气气候预报预测技术;强化沿海地区气候变化风险管理,开展海洋气象灾害风险评估和风险预测,防范沿海海平面上升和台风、风暴潮复合灾害风险,提高沿海地区适应气候变化综合能力。

  此外,加强年代际预测是十分必要的,通过展开未来几十年的预测,来适应快速的变化并驱动年代际尺度的气候服务,给决策者制定长远政策提供科学依据。当然,经验表明:除了极端天气的预警外,前期的科普教育和次生灾害的预警也非常重要,在发生类似灾害时生物物理保护以及自救能减少灾害风险。这就需要进一步提高相应的科学认识,解决诸多技术问题。例如,认识多气候致灾事件的演变、发生和发展规律及其致灾的叠加放大效应以及关键风险等问题,包括未来气候情景下海平面变化叠加(超)强台风、强降水和极端径流等气候致灾事件的叠加效应,以及沿海地区社会经济、港口工程、海岸带和海洋生态系统对海平面变化、(超)强台风和海洋热浪等极端事件的响应特征及机制。

  同时,还需发展多气候致灾因子与社会-生态系统的暴露度和脆弱性相互作用的理论以及综合风险评估关键技术,深入开展未来气候变化对沿海地区经济社会可持续发展的影响及综合风险的定量研究与评估。管理机制也需进一步完善,减少农业、制造业、渔业和水产养殖业、野火和洪涝的风险。目前,对于海洋变化增加的重大风险的管理机制,在行政边界之间还太分散,需要一个更加集中的方式。

  灾后的撤退或重建措施也需要因地制宜。目前我们应对气候变化对海洋系统影响、对生态系统和人类社会影响所采取的调整措施还存在很多问题,仍面临诸多阻碍,比如针对一些重要的海洋生态系统的风险处理还不够成熟。

  这些问题的有效解决可为我国乃至全球沿海地区应对气候变化,开展全球变化综合风险防范以及经济社会的可持续发展提供必要的科学支撑。(简菊芳)

(责任编辑:颜昕)

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