我们的海洋系列（21）海洋变暖

张武昌  2021年8月11日星期三

目前人类面临的最大威胁是全球气候变暖，2021年全球极端天气造成的暴雨、高温热浪、干旱和山火等频发，对人类生存和经济造成很大损失。8月9日联合国政府间气候变化专门委员会（IPCC）发布第六次评估报告（AR6）第一工作组报告《气候变化2021：自然科学基础》，报告指出，自1850-1900年以来，全球地表平均温度已上升约1℃，其中陆地升温大于全球平均水平，北极地区升温是平均水平的2倍。

注意，上面所说的都是气温。我们看到的报道说全球变暖，如果没有特别指出，一般都是指地面气温的升高，对海洋变暖的关注比较少。那么海洋的升温情况怎样呢？

目前地球上大多数国家的政府认为地球的升温是温室气体造成的温室效应的结果。地球系统（海洋、大气和陆地，此处不包括地球深部）从太阳吸收的热量和散发到太空的热量是平衡的。进入地球系统的太阳能量是保持不变的（340 W m^-2），地球上大气中的云量、气溶胶和火山灰外对太阳光线的阻挡也变化不大，地球表面由于冰覆盖和植被变化造成的反照率变化不大，但是大气中温室气体浓度升高象给地球蒙上了棉被一样使得散发到太空中的能量减少（温室效应），导致地球系统包含的能量增加，这些能量被地球系统的各个部分吸收后的表现就是温度升高。

地球系统接受能量和散发能量的差值（约0.6 W m^-2）与入射能量的比值被称为地球能量不平衡指数（EEI, Earth’s Energy Imbalance）。2005年，EEI的数值约为0.15%，即每年大约有0.15%的太阳入射能量被留在了地球系统中。2019年，EEI升高了一倍，达到约0.3%，即地球系统挽留热量的能力比以前大了一倍。这一研究结果于2021年6月发表在期刊Geophysical Research Letters。

（2021年6月18日的一篇外文报道题目是“地球捕获（挽留）热量的数量在15年内加倍The amount of heat the earth traps has doubled in just 15 years”，我觉得这个标题比较准确。我国的媒体对此也进行了报道，但是使用的标题是地球在疯狂吸热，我认为“吸热”这个提法不太合适，因为地球系统吸收的热量并没有太大变化，变化的是其挽留热量的能力。）

地球系统挽留的能量在各个组成部分中的分配情况怎样呢？由于水的热容量是所有物质中最大的，加之海洋的巨大体积和质量，导致全球二氧化碳升高导致的地球系统在过去150年间增加的热量的90%都被海洋吸收，只有少量能量被大气、陆地和冰川吸收。所以，如果没有海洋吸热，大气温度升高幅度会更大（2019年《美国国家科学院院刊》）。

左图：海洋表面温度（摄氏度）。右图：1880-2020年之间的温度变化，在1900-1910年到现在，温度大约上升了1.8华氏度（约为1摄氏度）

海洋表面温度（SST， Sea Surface Temperature）的全球分布格局为赤道区域最热32摄氏度左右，两极区域-2摄氏度左右。地球系统能量的增加也导致海洋的升温，通常SST的升高来表示，1880-2020年海洋表面温度平均上升了约1摄氏度，这一升高的幅度和大气温度升高的幅度接近，但是低于地表升温速度（下图）。

黄色：地表温度；蓝色：海表温度；黑色：两者平均

海洋变暖和陆地变暖的一个重要差别是变暖的深度，陆地是热的不良导体，地表升温下传的深度较小，而海洋由于存在对流作用，在水深2000米也能找到变暖的信号，近60年来，0-2000 m水深平均温度上升0.13摄氏度。这也是海洋吸收热量最多的原因之一。

同上述地球系统能量增加的速度在增加一样，海洋热量增加的速度也在变大。2016年1月18日科研人员在《自然气候变化》期刊发文中称，海洋吸收热量的速度在变快，全球海洋现在吸收热量的速率是18年前的两倍。据估计，自1865年来全球海洋所吸收的总热能，有一半是从1997年以后才开始累积的。

海洋这么大，各个海区海洋表面温度变化的情况不可能一样。不同海区的洋流情况（暖流和寒流的流入和流出）、接受冰川融水的情况、海冰融化导致反照率的变化等影响了温度变化。2021年3月，科学家发表了海洋表层温度1901-2020年间的变化图，在热带海区，太平洋和大西洋都有北半球的著名暖流（黑潮和湾流）将高温海水输送到高纬度海区，而印度洋没有这样的暖流，所以印度洋热带海区比太平洋和大西洋的热带海区升温多一点。

2021年3月发布的全球海洋表层温度变化图

（单位为华氏度，温度差1摄氏度=1.8华氏度）

最为显眼的是格陵兰岛南部海域有一个降温的海域，被称为冷斑（cold blob）。这个冷斑的形成主要是因为格陵兰冰川融化的淡水和从北冰洋来的冷水在此集聚造成的。这个冷斑由于盐度较低，不能下沉，使得大西洋径向翻转流减弱，对全球气候造成巨大影响。著名气候灾难片《后天》中的冰冷世界就是因为径向翻转流减弱造成的。湾流是径向翻转流的一个组成部分，科学家发现目前湾流极为微弱，湾流变弱可能有这个冷斑有关。

1870-2016年冷斑海域海洋表面温度变化趋势（左）和大西洋径向翻转流（右）

2019年IPCC 气候变化中的海洋和冰冻圈特别报告（Special Report on the ocean and cryosphere in a changing climate）中总结了1982-2017年北冰洋和南大洋海洋表层温度的变化趋势。在北冰洋，夏季和冬季表层温度都是升高的（虽然有的海区是降低趋势），夏季温度升高的幅度比冬季大。在南大洋，夏季和冬季都有大片的海区温度是降低的趋势，这些海区多位于南纬55度以南，太平洋扇区的变冷趋势最显著。

1982-2017年北冰洋3月（左）和9月（右）温度变化趋势

（2019年IPCC 气候变化中的海洋和冰冻圈特别报告）

1982-2017年南大洋3月（左）和9月（右）温度变化趋势

（2019年IPCC 气候变化中的海洋和冰冻圈特别报告）

海洋中的冷斑和南大洋的海洋变冷区域在大气温度变化趋势图中有很好的对应，但是这两者的因果关系不同。格陵兰岛南部的大气降温可能是源自于海洋中的冷斑的降温作用。而南大洋海洋变冷的区域是由于大气和海洋环流的原因：由于全球变暖，西风带及其推动的南极绕极流变强、位置向南极移动，所以暖空气和暖水都不能跨过西风带和南极绕极流，导致南极的冷空气和冷水被向南压缩限制在比以前更小的空间内，导致变冷。

大气温度变化趋势图

以上就是海洋变暖的基本情况，有许多局部海区（尤其是陆架海比较复杂）的变化情况没有说明，以后再来关注。例如缅因湾是海洋中升温最多的海区之一（前1%），此处龙虾产量剧增，引起了科学家的兴趣。