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悄然变化的海洋:温度升高、海平面上升、海冰消融……

发布时间:2021年03月23日 来源:中国气象报社

  编者按:

  随着全球变暖,全球范围内都受到或显著或微小的影响,海洋也未能幸免。

  作为全球变暖的“缓冲器”,海洋的重要性不言而喻,但为此也付出了不小的代价:温度升高、海平面上升、海冰消融……

  值此世界气象日之际,带您重新认识变换中的海洋。

  本期专家顾问:同济大学海洋地质国家重点实验室副教授 易亮

  海洋升温:最大的“热库”也要撑不住了?

  海洋因为拥有广袤的面积和巨大水体,在气候系统中扮演着重要角色。海洋不仅为大气提供热驱动和水汽源,还是气候系统最大的“热库”。

  但是,自20世纪90年代初以来,海洋变暖的速度增加了一倍。最新研究表明,2020年海洋持续升温,成为有现代海洋观测记录以来最暖的一年。且在过去80年中,每个十年都比前十年更暖。受全球新冠肺炎疫情影响,2020年全球碳排放量出现小幅下降,但全球海洋温度依旧持续增高并达到历史新高,这与海洋对气候变化响应的缓慢和滞后性有关。因此,过去的碳排放导致的海洋变暖等影响将持续至少数十年之久。

  海洋在全球气候变化中起到重要作用。首先,海洋变暖不仅使飓风(台风)更强,还导致其登陆后衰减速度变慢,持续时间更长。为什么呢?飓风是热力发动机,就好像汽车的发动机一样,燃料燃烧将热能转化为机械能。对于飓风而言,从海表吸收的暖湿水汽就是强化和维持其破坏力的“燃料”,而来自水汽的热能则转化为飓风发展所需的动能。一旦飓风登陆,来自海洋的水汽供应急剧减少,甚至被切断,这就相当于停止向汽车发动机供应燃料。没有燃料,汽车将会无法行驶;没有水汽来源,飓风将消亡。海洋增暖会为飓风提供更多的能量和水汽,进而使飓风更强,消亡速度变慢。

  海洋变暖还会使极端事件发生的强度和频次进一步增加,海洋热浪就是其中一种。它是发生在海洋上层、水平尺度可达数千公里的极端海洋高温事件。自1982年以来,海洋热浪的发生频率很可能已经翻倍,影响范围也不断扩大,不仅严重影响了海洋生态系统,还会通过大气遥相关与陆地上的极端天气气候事件产生联系,对陆地生态系统、人体健康和经济产生不良影响。(李慧)

  海平面上升:将持续数百年?

  科学家预测,受全球气候变暖影响,两极冰川可能在几百年内全部融化。那么未来的地球上,会不会像电影《未来水世界》那样,难觅一块陆地呢?

  这并非杞人忧天。2019年9月,联合国政府间气候变化专门委员会(IPCC)发布的《气候变化中的海洋和冰冻圈特别报告》称,海平面将持续上升几个世纪。

  20世纪,全球海平面上升了约15厘米,而当前上升速度是其两倍多,达到每年约3.6毫米,且在不断加速。科学家预计,到2100年,即使温室气体排放量大幅减少、将全球变暖限制在远低于2℃的范围内,海平面的上升幅度仍可达30-60厘米。如果温室气体排放量继续大幅增加,海平面上升可能会达60-110厘米。

  全球海平面上升具有区域差异,西太平洋属于海平面上升速率相对较快的区域,我国沿海位于该区域中,海平面上升速率高于全球平均水平。1980-2019年,中国沿海海平面变化总体呈波动上升趋势,上升速率为3.4毫米/年,高于同期全球平均水平。2019年,中国沿海海平面较1993-2011年平均值高72毫米,较2018年升高24毫米。

  造成海平面逐年升高原因有二:

  一是全球气候变暖使海洋温度上升。我们都知道热胀冷缩的原理,海水温度升高产生的热膨胀效应导致海平面不断上升,是其主因。

  根据《中国气候变化蓝皮书(2020)》,1870-2019年,全球平均海表温度表现为显著升高趋势。1958-2019年,全球海洋热含量(上层2000米)呈显著增加趋势,且海洋变暖在20世纪90年代后显著加速。1990-2019年,全球海洋热含量增加速率是1958-1989年增暖速率的5.6倍。海洋增暖速率不断加快,导致海体膨胀也随之更加剧烈。

  其二,全球气候变暖,冰川融化加速,增加了海洋的水量,从而使海平面上升。

  2006-2015年,格陵兰和南极冰盖每年损失约2780亿吨冰体,相当于为全球海平面上升贡献约0.77毫米/年;南极冰盖每年损失约1550亿吨冰体,相当于为全球海平面上升贡献约0.43毫米/年。

  有科学家预测,如果地球上所有的冰川全部融化,海平面可能会上升70米。虽然这只是预测,但如果冰川真的全都融化消失,后果可能比想象的更夸张。

  由气候变暖导致的海水增温膨胀、陆源冰川和极地冰盖融化等因素是全球海平面上升的主要原因。海平面上升,将加大海水淹没面积、加剧海洋灾害、破坏生态系统,产生一系列生态和社会经济影响。(张明禄)

  海体缺氧:多处海洋或沦为“不毛之地”

  国际自然及自然资源保护联盟 (IUCN)的报告显示,2019年全球海洋有700处处于“含氧量较低”的状态,而在1960年左右,这一数字仅为45。另外有数据显示,1960年至2020年间,海洋中约2%的氧已经流失,部分热带海域氧含量竟下跌了40%,这种断崖式的变化令人吃惊。

  导致这一变化原因有很多,一是由于海洋温度升高,气体溶解率有所降低,如同一瓶碳酸饮料,在高温环境下,CO2更容易跑出来;二是由于洋流遭到破坏,限制了氧气从海洋表面向深海的输送。此外,由于海洋富营养,一些微生物也会消耗大量氧气。情况严重时,会出现含氧量骤降,多处海洋因此变为“不毛之地”。

  将目光聚焦在生物身上,除去蛔虫等极少数动物之外,几乎所有的动物都是好氧的,广袤的海洋里也不例外。在含氧量较高的上层一千米范围内,是海洋生物集中分布的区域,也是海洋生物多样性最丰富的部分,但不幸的是,含氧量的减少大多也发生在此。

  受此影响,可怜的海洋生物不得不采取一些应对策略——拖家带口前往氧含量更高的水域避难,但代价是改变习性、被迫忍受饥肠辘辘。但很多时候,仍无法避免缺氧带来的一些身体反应——例如中国对虾在低氧环境下会减弱卷尾频率以节省能量,这降低了它们的敏捷性;一些雄鱼在含氧量降低后产生了不可逆的精子数量减少等情况……

  海洋生物所经受的苦难也在影响整个食物链上的物种。目前占比全球约1/5捕鱼量的生物群落是贫氧海水-海岸线的洋流带来的。氧气含量即使出现极其微小的变化,也很容易对这些地区产生影响。IUCN称,这些地方受到的影响最终将波及数亿人。例如日料常客金枪鱼,由于它们体型较大,对氧气含量较低的环境尤其敏感,其中多类已经濒临灭绝。不久的将来,餐桌上甚至可能难以见到这种鲜嫩肥美的鱼类。(张艺博)

  环流改变:始作俑者是谁?

  若将全球海洋看作一个大鱼缸,为了维持鱼缸内的循环,往往需要在缸内安装水泵来进行带动,使得整缸水之间可以进行热量、物质之间的交换,维持平衡。

  那么地球上的洋流,起到的就是输送地球大鱼缸热量的作用;而温盐环流——顾名思义,依靠温度和含盐密度驱动洋流的循环系统——就如同水泵,起到驱动作用。水泵一旦被破坏,循环打破,这个大鱼缸就会失衡。

  在2004年上映的科幻电影《后天》中,就描绘了气候转暖导致全球洋流停止循环,致使灾难级风暴侵袭全球的景象。

  气候变暖究竟是否有这样的威力,能使得全球洋流停滞?

  大西洋经向翻转环流(AMOC)是基本的洋流系统,可以影响到热带和高纬度地区之间的热量交换,被誉为全球“恒温器”。

  近年的研究显示AMOC有明显变弱的迹象,原因很可能是气候变暖。国际科技期刊《自然》杂志上发表的两篇文章都佐证了AMOC目前处在一个较弱阶段的结论,认为全球变暖使得冰川融化,大量淡水涌入,稀释了海水,使得原本强有力的“水泵”动力变弱。对应到全球海洋来看,温盐环流减弱,没有动力强劲的下行推动力,整个全球大循环可能会相应减弱。

  2018年的研究则表明,大约自20世纪中期至今,AMOC变弱约15%,一些研究预测到2100年情况可能进一步恶化,减速可能达到30%以上。美国加州大学圣地亚哥分校斯克里普斯海洋研究所研究显示,此前的气候模型可能严重低估了海洋环流被破坏的可能性。他们预测未来海洋环流可能出现崩溃,致使北半球大面积降温。

  洋流是否会影响气候变化?响应方式将会是出现急剧波动,还是会平稳过渡?这是气候科学领域亟待解答的问题,但进展却没有那么迅速。AMOC仅仅是全球循环系统的一部分,我们尚未知其全貌,而海洋是地球系统中最难窥见全貌的一环,深度探究,道阻且长。(张艺博)

  海洋酸化:珊瑚和贝类首当其冲

  针对海洋酸化,科学家研究发现,大部分海洋生物将受影响,珊瑚礁、贝类深受其害。

  早在2015年,美国《国家科学院学报》发表的海洋报告就指出,海洋酸化和变暖将造成生物多样性下降和大量关键物种数量减少,甚至可能造成海洋物种的食物链崩溃。

  珊瑚礁是海洋生态系统的重要组成部分,是多数海洋生物的栖息地,也是受到海洋酸化冲击最大的群落之一。IPCC第五次评估报告指出,珊瑚、甲壳类动物、软体动物、脊椎动物(如鱼类)和棘皮动物(如海星和海胆)受到海洋酸化的影响较大。

  以珊瑚为例,由于生活场所固定,缺乏有效的调节机制,过高的二氧化碳浓度可能降低其钙化速度。海洋酸化会使海水中的霰石(组成珊瑚“骨骼”的一种矿物质)含量加速减少,进而导致珊瑚礁的“钙质”流失而加速解体。

  此外,因为珊瑚幼虫的主要附着基质——壳状珊瑚藻对海水pH值的变化非常敏感,海洋酸化将抑制珊瑚幼虫的附着。这就导致珊瑚幼体补充和群落恢复更加困难。

  事实上,海洋酸化已造成天然珊瑚礁生长减缓。全球最大的珊瑚礁群、澳大利亚大堡礁消失的风险大大超出此前预期。早在2016年,澳大利亚东北端约克角白化的珊瑚死亡近半。澳大利亚政府认为,这与海洋酸化有密切关系。

  在这一背景下,人类可食用的海产品也将遭遇危机。浙江大学科学家团队的研究表明,随着海水酸性增大,重金属镉显著富集于双壳贝类,如蓝青口、血蛤、文蛤中。另外一项研究也佐证了这个观点:到2100年,血碳酸过多症、二氧化碳中毒等很有可能会影响全球海洋近一半的鱼类。届时,吃货们再也无法大快朵颐了。

  近年来,海洋酸化对于渔业的不利影响逐步显现,相关问题引起普遍重视。不管是出于保护珊瑚礁还是人类喜爱海鲜食品等角度,都应该大幅度削减二氧化碳排放量。(简菊芳)

  

  物种危机:海洋生物正向两极移动

  在某个遥远的洋面,一艘商船沿着既定航线平稳行驶。船尾不断掀起的一小片海浪里,一个约摸一米长的亮黄“鱼雷”,正悄然在一根钢丝的牵引下吞吐海水,记录这条漫长航线上的“生物密码”。

  这颗小小“鱼雷”,就是地球上历时最长的海洋调查——“连续浮游生物记录”(CPR)的搜集器。而它们调查的,就是作为所有海洋生态系统基本食物来源的浮游生物。

  CPR调查始于1931年,科学家Alister Hardy爵士调查北海浮游生物对鲱鱼的影响。在此后长达90年的时间里,海冰融化、越来越多的海洋微塑料、霍乱弧菌的传播都先后成为了“鱼雷”们吞吐的重点。而在今天,科学家们不得不把目光转向一个新课题——气候危机如何影响海洋。对30多年来的样本进行重新分析后,科学家们发现了一个重要变化:冷水域的浮游生物繁殖区域明显缩小了,暖水域的浮游生物则纷纷朝着两极移动。

  这牵出了一个巨大线团的一端:浮游生物的移动,对鱼类和海鸟族群以及许多其他以浮游生物为食的海洋动物都会产生重大影响。

  实际上,这种变化正在发生。根据IPCC第五次评估报告,工作组收集了来自7个国家的、全球同行评议文献中海洋生物的1735个变化,汇编成一个大型的只基于海洋的数据库,记录了这些生物跨越数十年的变化。虽然海水表面温度比陆地温度升温速度慢三倍,海洋物种分布的最前线每10年平均向两极移动72公里。

  为什么会出现这种变化?对于大多数物种来说,对环境快速变化的第一个反应是变化位置,以保持在他们偏好的环境条件之内。在陆地上,这种移动可以是向更高的纬度、更高的海拔;而在海洋里,生物们会冒险向两极、更深处寻找凉水——比如,北半球的黑海鲈鱼自1973年以来已经向北移动近340公里。

  在未来气候变化下,想要改善生物多样性再分配及其对人类福祉的影响,需要我们更多地追踪这些变化。(卢健)

  (参考资料:《自然·气候变化》《自然-生态学与进化》《卫报》)

(责任编辑:颜昕)

  

  

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