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          2021年

          【中國氣象報】氣候變暖加速全球平均海洋環流

          撰稿: 海洋研究所 發布時間:2021-03-24

              

            本期嘉賓: 

            中國科學院海洋研究所研究員 胡石建 

            中國科學院海洋研究所研究員 王凡 

            中國科學院院士 胡敦欣 

            中國科學院院士 吳立新 

            采訪人:中國氣象報記者 吳鵬 

            本期觀點: 

            自20世紀90年代以來,受海表風速加快驅動,全球平均海洋環流存在顯著加速趨勢,平均每十年增加15%。 

            溫室氣體排放在驅動全球平均海表風場和全球平均海洋環流加速過程中發揮著重要作用。 

            由于不同海域的海洋環流存在顯著區域差異,某一特定海域或者某一特定海洋環流對氣候變暖的響應有明顯差別。 

            在當前的主要氣候模式中,海洋環流的變化并未得到充分體現,需加強氣候模式對海洋動力過程的模擬。     

            自工業革命以來,人類活動持續排放的溫室氣體導致地球能量收支失衡,其中90%以上的新增熱量被海洋吸收,致使海洋持續變暖。作為地球氣候系統的主要“儲熱器”,海洋將表層長期增暖的大量額外熱量轉移至中深層區域。 

            高緯度地區冰冷、含鹽量高的海水流向低緯度海洋,低緯度的高溫洋流則向極地方向流動,形成全球熱量的“交換機”。如果將海洋中各種各樣的環流投射到全球平面圖上,就會發現海洋環流正是聯系世界大洋的“紐帶”。 

            大尺度海洋環流是地球物質和能量再分配的主要方式,在調節海洋環境和氣候系統方面具有至關重要的作用。例如,大西洋經向翻轉環流將大量的熱量向北輸送到極地和副極地地區,從而對歐洲和北美的氣候產生重要影響。     

            海洋環流加速背后的“推手” 

            海洋變暖后,全球海洋環流系統又將如何變化?研究發現,自20世紀90年代以來,全球海洋動能平均每十年增加15%,這表明全球平均海洋環流呈顯著加速趨勢。這種大尺度海洋動能增加主要集中在全球熱帶海域,并且延伸至數千米的深海。 

            每一支海洋環流主流系的水量都與世界上所有河流流量的總和相當,因此驅動海洋環流加速需要巨大的能量,那么海洋是從何處獲取能量的呢? 

            分析結果表明,這種延伸至深海的海洋環流加速主要是由行星尺度的海表面風加速引起的。近年來,海表風速加快,平均每十年增加近2%。 

            由于風力是驅動海洋環流的主要動力之一,因此海表風加速導致了平均海洋環流加速。 

            “引起風速變化的根本原因既包括自然振蕩,也包括外強迫(比如人類活動釋放的溫室氣體)。但幾乎可以肯定的是,溫室氣體的持續排放在其中扮演了非常重要的角色?!焙ㄕf。 

            通過比較IPCC歷史情景下和未來溫室氣體高排放情景下(RCP8.5)的全球平均風速發現,溫室氣體排放增加可導致全球平均風速顯著加快,這表明溫室氣體排放在驅動全球平均風場和全球平均海洋環流加速過程中發揮著重要作用。例如,在南半球,臭氧層的消耗和溫室效應引起的升溫改變了大氣環流,將南大洋西風向南推,導致南極洋流輕度增強和擴散。同時,變暖的熱帶大西洋的熱量推動了驅動太平洋信風的沃克環流。 

            根據模式預測,在RCP8.5情景下,全球平均海表風速呈持續增強趨勢,這意味著海洋環流在這種高排放情景下會有持續的加速動力。然而,環流是否持續加速,取決于環流熱輸運的抵消效應與氣候變暖加劇導致的梯度增大效應之間的競爭平衡。     

            并非所有海洋環流都在加速 

            值得注意的是,由于不同海域的海洋環流存在顯著的區域差異,某一特定海域或者某一特定海洋環流對氣候變暖的響應具有明顯差別。例如,安格拉斯流自20世紀90年代以來并無加速趨勢。 

            以往大量古氣候數據和數值模擬結果顯示,在全球變暖背景下,大西洋經向翻轉環流(以下簡稱AMOC),包括墨西哥灣流將減弱甚至停滯,進而引起北大西洋地區急劇降溫。AMOC是大洋熱鹽環流傳送帶的重要組成部分,將北大西洋低緯度的高溫、高鹽水向北輸送至高緯度地區。 

            氣候模式模擬結果顯示,如果北大西洋表層水的密度因氣候變暖或鹽度下降而減小,那么經向翻轉環流的強度將減弱。在所有氣候模式的預估中,鹽度大幅度持續下降都有可能導致經向翻轉環流大大減弱,甚至完全中斷。這種情況在歷史上的確發生過:在19世紀中葉,寒冷的小冰河期行將結束,在北極地區周圍形成的海冰、冰蓋和冰川開始融化,形成一股巨大的淡水流,涌入北大西洋。大量淡水的流入稀釋了表層海水,使其變得更輕,更不容易下沉至海底深處,最后導致大西洋經向翻轉環流系統運轉速度放慢。 

            “關于AMOC是否已顯著減緩目前還沒有定論?!焙ㄕf,事實上,直接觀測數據顯示AMOC并未顯著減弱,自1990年以來其強度基本保持穩定,研究AMOC的氣候效應還需要更長的時間序列數據。 

            目前,人類仍然缺乏對地球海洋環流的系統性連續性直接觀測。歷史上對全球海洋環流的觀測多數集中在一些特定的區域和特定的時間段,海洋環流的區域性差異導致難以用這些特定的觀測來監測分析地球環流系統整體的變化。     

            海洋環流加速是好事還是壞事? 

            海洋環流加速后將帶來哪些變化呢?首先,海洋環流加速,意味著海洋對熱量進行再分配的過程加速。更強大的熱帶洋流能把更多溫暖海水帶到高緯度地區,北極冰川的融化速度可能會因此加快。高緯度地區變暖也可能改變天氣模式,影響區域氣候。 

            其次,海洋環流加速有可能導致熱量在垂直方向上交換增強,更多熱量進入深海,增加海洋深處的熱量儲存,幫助減緩陸地變暖。此外,由于二氧化碳在溫水中溶解度較低,可能會削弱海洋對大氣二氧化碳的吸收作用。 

            最后,海洋環流加速可能會對海洋生態系統、漁業資源等產生重要影響。有研究表明,某些魚類的產卵和繁殖過程可能會在環流加速的影響下發生重要變化,一些生物的食物來源也會不同程度受到影響。 

            既然海洋環流在調節地球氣候中發揮著重要作用,那么,其加速后對于海洋孕育而成的颶風或臺風會有影響嗎? 

            事實上,海洋環流與颶風、臺風等并無顯著的直接關系,但是會通過海氣界面過程間接聯系在一起。海洋環流加速可能會引起海表溫度場的變化,從而對臺風的強度和路徑產生影響。例如,增強的西邊界流可能導致中高緯度加速增暖,從而改變臺風/颶風的路徑和所能到達的緯度范圍。 

            此外,海洋環流加速可能使海洋水文環境(比如鹽度)發生變化,進而影響臺風發生發展過程。有研究顯示,熱帶西北太平洋上層海洋鹽度降低最終將導致極端臺風強度增強。 

            在當前的主要氣候模式中,海洋環流的變化并未得到充分體現?!澳壳岸鄶禋夂蚰J竭€難以在歷史氣候模擬試驗中再現海洋環流的加速趨勢,這說明我們需要加強模式對海洋動力過程的模擬。如果這部分發生較大偏差,那么最后模式得出的結果可能與實際情況大相徑庭?!焙ㄕf。 

           
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