• 科研進展

    NREE: 綜述過去和未來的海洋變暖特征、機制和影響

      海洋熱含量變化是全球氣候變化的一個核心指標,也是鏈接地球系統能量循環、水循環和碳循環的一個關鍵點(圖1a)。近些年,隨著熱含量觀測數據集不斷豐富,探究海洋熱含量變化事實、機制并揭示其氣候影響,逐漸成為海洋和氣候變化研究領域的熱點和焦點問題。同時,大量研究也產生了一些爭議之處,亟需進行較為系統的梳理。

      10月18日,Nature Reviews Earth & Environment發表了由中國科學院大氣物理研究所牽頭、聯合國內外14家單位15位研究人員共同撰寫的綜述論文(題目:Past and future ocean warming)。該論文較為系統性探討了海洋熱含量變化的科學意義、定量評估了自上世紀50年代以來的熱含量變化觀測事實、提供了全球和區域熱含量變化的未來預估、梳理了其變化機制、總結了海洋變暖對人類和生態系統的廣泛影響、展望了目前領域的不足和未來研究方向。

      該綜述首先闡述了海洋熱含量、海洋熱含量變化、海洋熱吸收、海洋熱量輸送等幾個基本定義,為未來更準確的使用相關術語提供了參考。進而系統性梳理和提煉了海洋熱含量的科學意義,提出海洋熱含量通過一系列反饋過程鏈接了地球系統能量循環、水循環和碳循環三大核心循環(圖1a)。例如,海洋熱含量變化與海洋-大氣、海洋-冰之間的能量和水交換密切關聯,是能量和水循環的耦合通道;海洋變暖通過調節海洋碳吸收的強度,體現了能量和碳循環的相互作用過程;海洋熱含量變化影響地球系統能量不平衡、影響地表反照率,是全球能量循環的核心環節;海洋變暖可調節人類強迫強度,對人類和生態系統有重要影響,是聯系人類系統和各大自然循環的一個關鍵節點。

    圖1. 海洋熱含量鏈接地球系統能量循環、水循環和碳循環(上圖);海洋變暖對地球系統有廣泛影響(下圖)。

      基于其重要意義,該綜述評估了熱含量估計的最新數據集和科學技術進展,提出了海洋熱含量變化的最新測算。新測算表明,1958-2019年間,海洋整層已經變暖了378.4 ± 64.5 ZJ (1 ZJ = 10的21次方焦耳)。同時,上層2000米海洋變暖速率從1960年代<5 ZJ/yr,增加至2010年代的10 ZJ/yr,表明海洋變暖速率的顯著增加。新測算與IPCC-AR6第一工作組報告差異顯著,糾正了后者在全球和部分區域對海洋增暖速率的偏差,反映了對海洋變化的最新科學認識。

      論文同時評估了6個主要海盆熱含量的歷史變化和未來預估(圖2),發現1958-2019年間,大西洋(35S-64N)和南大洋(南緯35度以南的區域)儲存了全球海洋增暖的36%和33%的熱量,是主要的儲熱池。到本世紀末,太平洋將超越大西洋和南大洋,成為最主要的熱量儲存池。但由于熱含量變化也受到水體體積的影響,如果計算單位面積加熱速率,相對于太平洋和印度洋,大西洋和南大洋在過去和未來均顯示出更強的單位面積海洋變暖速率。

    圖2. 全球和主要海盆上層2000米海洋熱含量變化。

      海洋變暖并不是空間一致的(圖2),為了探究海洋熱含量變化空間結構的形成機制,論文分析了平均環流的熱輸送、環流異常導致的熱量重新分配這兩個機制對熱含量空間場形成的影響。結果表明,過去半世紀海洋變暖空間結構的形成主要受到海洋環流變化的影響;而本世紀,上述兩個機制都將較為重要。

      2022年,全球各地都發生了一系列破紀錄的極端氣候事件,其背后是地球系統的多圈層變化。海洋熱含量作為一個核心氣候變化事實,其不僅僅是氣候變化的一個指標,也對持續對大氣、海洋、陸地、冰凍圈產生巨大影響(圖1b)。為進一步推進相關方向研究,論文最后探討了目前存在的挑戰和未來的研究方向,提出需要在下述方向取得進展:持續維護和改進海洋熱含量觀測系統、定量揭示熱含量測算的不確定性來源、融合地球系統多源數據提升熱含量估算準確度、提升熱含量變化機制的認識、更好的理解和認識模式對海洋熱含量的模擬結果并改進模型、認識和理解熱含量變化的極端事件及“復合事件”、揭示古氣候時期的熱含量變化等。

      論文作者團隊包括中科院大氣物理研究所成里京、朱江、俞永強研究員,潘玉瑩博士研究生;法國麥卡托海洋中心K. von Schuckmann研究員;美國圣-托馬斯大學J. Abraham研究員;美國大氣研究中心K. Trenberth和J. Fasullo研究員;美國賓州州立大學M. Mann教授;美國紐約大學克朗研究所L. Zanna、Emily R. Newsom研究員;澳大利亞新南威爾士大學M. England、J. Zika研究員;中國海洋大學林霄沛教授。該研究得到了中國科學院戰略性先導科技專項(B類)(XDB42040402)、國家自然科學基金(42122046, 42076202)、中國科學院青年創新促進會(2020-077)等項目的支持。

      論文:

      Cheng, Lijing, Karina von Schuckmann, John P. Abraham, Kevin E. Trenberth, Michael E. Mann, Laure Zanna, Matthew H. England, Jan D. Zika, John T. Fasullo, Yongqiang Yu, Yuying Pan, Jiang Zhu, Emily R. Newson, Ben Bronselaer and Xiaopei Lin, 2022: Past and future ocean warming. Nature Reviews Earth & Environment. https://doi.org/10.1038/s43017-022-00345-1

      論文鏈接:

      https://www.nature.com/articles/s43017-022-00345-1

    附件下載:
    怎么把水吸出来
  • d