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来自海洋的讯号:应对气候变化需要数代人的努力

  气候变化是当前人类面临的一个全球性挑战,如何全面而有效的适应和减缓气候变化是核心问题。近日,来自美国、中国和法国的联合研究团队在Atmospheric and Oceanic Science Letters上发表一篇题为“The ocean response to climate change guides both adaptation and mitigation efforts”的综述性论文,从海洋变化的角度,论述了海洋在气候变化中的关键作用,并讨论了气候变化应对所需要的措施。

  海洋,占全球地表面积的70%、总面积达到36100万平方公里、平均深度达3800米;海水的平均密度为每平方米1025千克(是大气密度的1000倍)、比热容为每千克每摄氏度4200焦耳(4倍于空气)。这些物理和热力学特性决定了海洋是全球气候的主要控制因素。同时,海洋也是地球上大部分生命的生存繁衍之地,人类及社会经济活动广泛依赖于海洋,海洋环境的系统性变化会给人类及生态系统造成系统性风险(图1)。

图1:海洋核心物理要素:温度和盐度的变化趋势。该示意图也显示了全球四大洋其实是相互联通的一个整体。数据来自大气所IAP海洋数据集 (http://www.ocean.iap.ac.cn/)。

  从能量循环的角度来看,海洋很大程度上塑造了气候系统对温室气体的响应过程。

  大气中温室气体不断增加,会吸收地表向外释放的长波辐射,从而减少整个地球向外释放的能量,触发地球系统能量不平衡。如果没有海洋,由于大气和陆地比热容较低,它们将快速(数年之内)响应地球系统能量的增加,使得大气和陆地升温,升温导致地球向外释放的辐射能量增加,进而使地球系统能量收支重新达到平衡,气候系统稳定在一个新的平均状态(图2)。

  然而,在真实世界,由于海洋的存在,地球系统对大气温室气体增加的调整过程被“放缓”:海洋通过海流和湍流混合过程,不断将地球系统多余的热量带到深海,从而“冷却”地表,使得地表温度上升不至于那么剧烈。这就是海洋的“热惯性”。这种情况下,相对较低的地表温度上升幅度所增加的地球系统能量释放,不足以抵消温室气体固定在地球系统中的能量,这导致地球系统处于能量收支不平衡的状态(图2)。当然,这个过程中各个圈层都有很多反馈过程参与,包括大气水循环的反馈、云反馈、和冰等有关的反照率反馈等等。这些因素共同导致目前地球系统的能量收支不平衡量值约为0.5-1 Wm-2:地球系统依然在被持续加热,这其中90%的热量都储存在海洋中。

图2:从能量循环的角度,海洋在气候变化中的作用示意图。

  未来,如果全球能够在本世纪中叶实现“碳中和”,即温室气体“净零排放”,地表温度上升趋势将被遏制,即可以实现《巴黎协定》的2度控温目标。然而,由于大气中的温室气体浓度依然处于高位,地球系统依然处于能量不平衡状态。这里特别需要指出的是,大气中温室气体的浓度(而非温室气体排放量),决定了大气吸收长波辐射的多少(即辐射强迫的量)。因此,只有当地球系统能量收支重新达到平衡之后,气候变化才会真正结束。此时的气候变化进程主要取决于两个相互角力的过程:一为海洋和陆地生态系统“清除”大气中CO2等温室气体的强度和速度;二为海洋热量向深海输送的强度和速度。前者会降低大气温室气体浓度,减少地球系统的净能量不平衡的量;后者将多余的能量储存在深海。由于深海缓变特性,例如北太平洋深层水需要约一千年的时间才能循环到海表,因而从“碳中和”到地球系统能量收支重新达到平衡的过程将持续数百年、甚至上千年之久。

  由此可见,由于海洋的特性,气候变化至少在数百年尺度具有不可逆转性,这为人类和生态系统应对海洋变化提出一系列挑战,意味着人类需要数代人的努力去应对持续变化的气候。因而,从海洋变化的角度,人类需要进行多时间尺度的规划和统筹。

  在近期(从现在到约2030年前后),全面落实联合国可持续发展目标(SDGs)至关重要,海洋的变化和几乎所有的SDG息息相关(图3),全面部署和实现SDG目标将为人类和地球生命的福祉提供一个良好的决策框架和行动路线。近期,也需要努力建立一个可以监测全球海洋“健康状况”的海洋观测系统,包括主要的物理(温度、盐度、海气通量、海流等)和生物地球化学变量(溶解氧、酸度、碳通量、海洋生物量、营养盐等)。目前,几乎所有海洋要素都没有真正覆盖全球海洋的观测系统。由于几乎任何一个国家都无法独立建成覆盖全球海洋的观测系统,国际合作及科学技术创新是必经之路。

图3:海洋和众多联合国可持续发展目标(SDGs)都息息相关。

  在中期(大约2050–2060年前后),全球需要逐步减排并实现碳中和目标。IPCC多份报告均指出:实现净零排放将使得地表温度维持稳定,极大地减少气候风险。同时, 适应和减缓气候变化的行动和措施必须同步施行:既要进行减排努力、也要积极应对即将发生的气候变化。此外,全球海洋观测系统需要得以维持和完善,以持续监测海洋变化。

  在远期(在2060年之后),包括深海变暖、海平面上升在内的海洋变化都将持续,冰川和冰盖的变化预计也将持续,因而依然需要持续应对这些变化,所以气候适应和减缓行动至少需要持续数百年—数代人之久。在该时间尺度,应对一类特殊的事件:“低概率, 高影响”事件将变得尤为重要(即发生的可能性较低,但一旦发生影响极大的事件)。此类事件包括大西洋经圈反转环流的突然减弱甚至关闭、海洋生态系统跨过临界点、难以挽回的冰盖崩解和质量损失等。这些事件一旦发生将带来难以估量的损失,所以应充分纳入长期规划。

  本论文作者包括美国圣-托马斯大学John Abraham、中科院大气物理研究所成里京、美国宾州州立大学Michael E. Mann、美国大气研究中心Kevin Trenberth、法国麦卡托海洋研究所Karina von Schuckmann。

  Link:

  https://doi.org/10.1016/j.aosl.2022.100221

  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

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