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科研進(jìn)展 | 來(lái)自海洋的訊號(hào)：應(yīng)對(duì)氣候變化需要數(shù)代人的努力

weiwarm >《氣象海洋》

2022.06.22 北京

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氣候變化是當(dāng)前人類(lèi)面臨的一個(gè)全球性挑戰(zhàn)，如何全面而有效的適應(yīng)和減緩氣候變化是核心問(wèn)題。

近日，Atmospheric and Oceanic Science Letters 在線(xiàn)發(fā)表了來(lái)自美國(guó)、中國(guó)和法國(guó)的聯(lián)合研究團(tuán)隊(duì)的一篇題為The ocean response to climate change guides both adaptation and mitigation efforts的綜述性論文，從海洋變化的角度，論述了海洋在氣候變化中的關(guān)鍵作用，并討論了氣候變化應(yīng)對(duì)所需要的措施。

海洋，占全球地表面積的70%、總面積達(dá)到36,100萬(wàn)平方公里、平均深度達(dá)3,800米；海水的平均密度為每平方米1,025千克（是大氣密度的1,000倍）、比熱容為每千克每攝氏度4,200焦耳（4倍于空氣）。這些物理和熱力學(xué)特性決定了海洋是全球氣候的主要控制因素。同時(shí)，海洋也是地球上大部分生命的生存繁衍之地，人類(lèi)及社會(huì)經(jīng)濟(jì)活動(dòng)廣泛依賴(lài)于海洋，海洋環(huán)境的系統(tǒng)性變化會(huì)給人類(lèi)及生態(tài)系統(tǒng)造成系統(tǒng)性風(fēng)險(xiǎn)（圖1）。

圖1：海洋核心物理要素：溫度和鹽度的變化趨勢(shì)。該示意圖也顯示了全球四大洋其實(shí)是相互聯(lián)通的一個(gè)整體。數(shù)據(jù)來(lái)自大氣所IAP海洋數(shù)據(jù)集 (http://www.ocean.iap.ac.cn/)。

從能量循環(huán)的角度來(lái)看，海洋很大程度上塑造了氣候系統(tǒng)對(duì)溫室氣體的響應(yīng)過(guò)程。

大氣中溫室氣體不斷增加，會(huì)吸收地表向外釋放的長(zhǎng)波輻射，從而減少整個(gè)地球向外釋放的能量，觸發(fā)地球系統(tǒng)能量不平衡。如果沒(méi)有海洋，由于大氣和陸地比熱容較低，它們將快速（數(shù)年之內(nèi)）響應(yīng)地球系統(tǒng)能量的增加，使得大氣和陸地升溫，升溫導(dǎo)致地球向外釋放的輻射能量增加，進(jìn)而使地球系統(tǒng)能量收支重新達(dá)到平衡，氣候系統(tǒng)穩(wěn)定在一個(gè)新的平均狀態(tài)（圖2）。

然而，在真實(shí)世界，由于海洋的存在，地球系統(tǒng)對(duì)大氣溫室氣體增加的調(diào)整過(guò)程被“放緩”：海洋通過(guò)海流和湍流混合過(guò)程，不斷將地球系統(tǒng)多余的熱量帶到深海，從而“冷卻”地表，使得地表溫度上升不至于那么劇烈。這就是海洋的“熱慣性”。這種情況下，相對(duì)較低的地表溫度上升幅度所增加的地球系統(tǒng)能量釋放，不足以抵消溫室氣體固定在地球系統(tǒng)中的能量，這導(dǎo)致地球系統(tǒng)處于能量收支不平衡的狀態(tài)（圖2）。當(dāng)然，這個(gè)過(guò)程中各個(gè)圈層都有很多反饋過(guò)程參與，包括大氣水循環(huán)的反饋、云反饋、和冰等有關(guān)的反照率反饋等等。這些因素共同導(dǎo)致目前地球系統(tǒng)的能量收支不平衡量值約為0.5~1 W m^?2：地球系統(tǒng)依然在被持續(xù)加熱，這其中90%的熱量都儲(chǔ)存在海洋中。

圖2：從能量循環(huán)的角度，海洋在氣候變化中的作用示意圖。

未來(lái)，如果全球能夠在本世紀(jì)中葉實(shí)現(xiàn)“碳中和”，即溫室氣體“凈零排放”，地表溫度上升趨勢(shì)將被遏制，即可以實(shí)現(xiàn)《巴黎協(xié)定》的2度控溫目標(biāo)。然而，由于大氣中的溫室氣體濃度依然處于高位，地球系統(tǒng)依然處于能量不平衡狀態(tài)。這里特別需要指出的是，大氣中溫室氣體的濃度（而非溫室氣體排放量），決定了大氣吸收長(zhǎng)波輻射的多少（即輻射強(qiáng)迫的量）。因此，只有當(dāng)?shù)厍蛳到y(tǒng)能量收支重新達(dá)到平衡之后，氣候變化才會(huì)真正結(jié)束。此時(shí)的氣候變化進(jìn)程主要取決于兩個(gè)相互角力的過(guò)程：一為海洋和陸地生態(tài)系統(tǒng)“清除”大氣中CO₂等溫室氣體的強(qiáng)度和速度；二為海洋熱量向深海輸送的強(qiáng)度和速度。前者會(huì)降低大氣溫室氣體濃度，減少地球系統(tǒng)的凈能量不平衡的量；后者將多余的能量?jī)?chǔ)存在深海。由于深海緩變特性，例如北太平洋深層水需要約一千年的時(shí)間才能循環(huán)到海表，因而從“碳中和”到地球系統(tǒng)能量收支重新達(dá)到平衡的過(guò)程將持續(xù)數(shù)百年、甚至上千年之久。

由此可見(jiàn)，由于海洋的特性，氣候變化至少在數(shù)百年尺度具有不可逆轉(zhuǎn)性，這為人類(lèi)和生態(tài)系統(tǒng)應(yīng)對(duì)海洋變化提出一系列挑戰(zhàn)，意味著人類(lèi)需要數(shù)代人的努力去應(yīng)對(duì)持續(xù)變化的氣候。因而，從海洋變化的角度，人類(lèi)需要進(jìn)行多時(shí)間尺度的規(guī)劃和統(tǒng)籌。

在近期（從現(xiàn)在到約2030年前后），全面落實(shí)聯(lián)合國(guó)可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)（Sustainable Development Goals, SDGs）至關(guān)重要，海洋的變化和幾乎所有的SDG息息相關(guān)（圖3），全面部署和實(shí)現(xiàn)SDG目標(biāo)將為人類(lèi)和地球生命的福祉提供一個(gè)良好的決策框架和行動(dòng)路線(xiàn)。近期，也需要努力建立一個(gè)可以監(jiān)測(cè)全球海洋“健康狀況”的海洋觀(guān)測(cè)系統(tǒng)，包括主要的物理（溫度、鹽度、海氣通量、海流等）和生物地球化學(xué)變量（溶解氧、酸度、碳通量、海洋生物量、營(yíng)養(yǎng)鹽等）。目前，幾乎所有海洋要素都沒(méi)有真正覆蓋全球海洋的觀(guān)測(cè)系統(tǒng)。由于幾乎任何一個(gè)國(guó)家都無(wú)法獨(dú)立建成覆蓋全球海洋的觀(guān)測(cè)系統(tǒng)，國(guó)際合作及科學(xué)技術(shù)創(chuàng)新是必經(jīng)之路。

圖3：海洋和眾多聯(lián)合國(guó)可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)（SDGs）都息息相關(guān)。

在中期（大約2050–2060年前后），全球需要逐步減排并實(shí)現(xiàn)碳中和目標(biāo)。IPCC多份報(bào)告均指出：實(shí)現(xiàn)凈零排放將使得地表溫度維持穩(wěn)定，極大地減少氣候風(fēng)險(xiǎn)。同時(shí), 適應(yīng)和減緩氣候變化的行動(dòng)和措施必須同步施行：既要進(jìn)行減排努力、也要積極應(yīng)對(duì)即將發(fā)生的氣候變化。此外，全球海洋觀(guān)測(cè)系統(tǒng)需要得以維持和完善，以持續(xù)監(jiān)測(cè)海洋變化。

在遠(yuǎn)期（在2060年之后），包括深海變暖、海平面上升在內(nèi)的海洋變化都將持續(xù)，冰川和冰蓋的變化預(yù)計(jì)也將持續(xù)，因而依然需要持續(xù)應(yīng)對(duì)這些變化，所以氣候適應(yīng)和減緩行動(dòng)至少需要持續(xù)數(shù)百年—數(shù)代人之久。在該時(shí)間尺度，應(yīng)對(duì)一類(lèi)特殊的事件：“低概率, 高影響”事件將變得尤為重要（即發(fā)生的可能性較低，但一旦發(fā)生影響極大的事件）。此類(lèi)事件包括大西洋經(jīng)圈反轉(zhuǎn)環(huán)流的突然減弱甚至關(guān)閉、海洋生態(tài)系統(tǒng)跨過(guò)臨界點(diǎn)、難以挽回的冰蓋崩解和質(zhì)量損失等。這些事件一旦發(fā)生將帶來(lái)難以估量的損失，所以應(yīng)充分納入長(zhǎng)期規(guī)劃。

本論文作者包括美國(guó)圣-托馬斯大學(xué)John Abraham、中科院大氣物理研究所成里京、美國(guó)賓州州立大學(xué)Michael E. Mann、美國(guó)大氣研究中心Kevin Trenberth、法國(guó)麥卡托海洋研究所Karina von Schuckmann。

Citation: John Abraham, Lijing Cheng, Michael E. Mann, Kevin Trenberth, Karina von Schuckmann, 2022. The ocean response to climate change guides both adaptation and mitigation efforts, Atmospheric and Oceanic Science Letters, https://doi.org/10.1016/j.aosl.2022.100221.

作者簡(jiǎn)介