工業革命以來，人類活動產生大量溫室氣體和氣溶膠，造成地球系統能量收支不平衡，全球正在加速變暖。地貌由綠變黃、森林大火蔓延、冰雪融化導致海平面高度升高……大多數進入地球系統的總能量通過海氣界面熱通量形式被海洋表層吸收，進而被海洋環流運輸、遷移並存儲在海洋內部。海表吸熱是影響區域和全球氣候的關鍵因子，其變化對地球各圈層均有影響，能夠調節全球變暖速率。
19世紀中期以來，隨著全球加速增暖，海洋從大氣中吸收並存儲的熱量也在迅速增加，其中以南大洋（30°S以南，圍繞南極大陸的海域）和北大西洋的表層熱吸收為主，但南大洋的貢獻大於北大西洋。這種海洋吸熱的南北不對稱性很大程度上源於大氣中溫室氣體和人為氣溶膠的同時增加，並且與海洋環流的變化有關。大西洋的一支強勁熱鹽環流——大西洋經圈翻轉流（AMOC）在其中發揮重要作用，其上層分支可將熱帶地區暖海水輸送至北大西洋中高緯度地區，為北美和歐洲大陸帶來溫暖空氣和豐沛降水。已有研究通過分析冰芯等記錄發現，在地質歷史時期，AMOC的減弱（如新仙女木事件，距今約1.28萬年前）導致全球變冷、東亞夏季風減弱、冬季風增強。由此可見，AMOC在調節全球氣候中發揮重要作用。
在北大西洋地區，溫室氣體的增暖效應導致AMOC減弱、海洋吸熱增加；人為氣溶膠卻帶來相反的影響，其冷卻效應使AMOC加強、海洋吸熱減少；這兩種效應相互抵消，使北大西洋熱吸收增加較少；由於人為氣溶膠主要集中在北半球，因此，對於南大洋地區來說，其溫室氣體的增暖效應主要驅動海洋熱吸收的大幅增長。但當著眼於整個21世紀海洋熱吸收的可能變化時，科研人員發現在未來預估氣候變暖情景下，大氣中人為氣溶膠減少，溫室氣體濃度隨排放情景不同或減少或增加。這與19世紀中期以來二者同時增加的狀況存在較大區別。因此，21世紀海洋熱吸收的區域特徵和機制可能因不同排放情景而改變。
近期，中國科學院大氣物理研究所研究員黃剛團隊聯合美國加州大學河濱分校研究人員，在Science Advances上，發表了題為Dependence of regional ocean heat uptake on anthropogenic warming scenarios的研究論文，揭示全球變暖不同情景下，氣溶膠和溫室氣體對海洋吸熱的區域影響。基於《巴黎協定》確立的1.5°C、2.0°C低溫升閾值和已有研究，該研究著重探討了未來低排放情景下海洋熱吸收的南北不對稱性及原因，分析大氣氣溶膠對海洋，尤其是北大西洋熱吸收、傳輸和存儲的重要調控作用。
研究人員利用第五次國際耦合模式比較計劃的多模式模擬數據，運用通用地球系統模式進行氣候模擬實驗。研究發現，21世紀北大西洋和南大洋海表吸熱在高排放情景下具有一致增加的長期趨勢。但是，在低排放情景下，和南大洋吸熱減少的長期趨勢相比，北大西洋吸熱具有增加的長期趨勢，這使北大西洋在未來成為全球海洋吸熱的中心。其中，南大洋吸熱在高低排放情景下的相反趨勢主要是由於溫室氣體的不同走向；北大西洋吸熱在高低排放情景下均為增加趨勢，主要受人為氣溶膠和溫室氣體共同調控。該研究進一步指出，在高、低排放情景下，未來人為氣溶膠減少會造成AMOC減弱、海洋向北熱輸送減弱、北大西洋副極地地區熱輻散，進而導致北大西洋副極地地區海表熱吸收增加、整層海洋熱存儲減少。
「前人在研究海洋吸熱在全球變暖情景下的變化時發現，相對於歷史時期，自中排放至高排放情景下，北大西洋在全球海洋吸熱中佔比越來越多；南大洋對全球海洋吸熱的貢獻雖仍為主導，但是越來越少。然而，人們缺乏對未來低排放情景下海洋吸熱區域特徵和機制的認識。」論文第一作者、大氣所博士生馬曉帆說。「我們首次發現低排放情景下海洋吸熱具有明顯的南北不對稱形態，長遠來看，北大西洋吸熱持續增加，將成為全球海洋吸熱的主要區域。該現象反映出氣溶膠的重要調控作用及AMOC的影響。因此，重視人為排放氣溶膠的氣候效應、考慮海洋環流的長期影響，將有助於氣候事件的檢測歸因和提升對人類活動影響氣候變化的預估水平」。
「為避免地球生態失衡，國際社會共同協商，各國為減緩全球變暖正做出實際舉措，人類正朝著實現低排放目標而努力。該研究體現出低排放能夠調節海洋吸熱的重要科學意義，有利於推動學界認識、理解和預估低排放情景下的氣候變化」，論文通訊作者黃剛談到。該研究的合作者還包括美國加州大學河濱分校助理教授Wei Liu和Robert J. Allen、大氣所研究員李熙晨。
由於目前海洋觀測存在時空局限性，該研究依賴氣候模式的模擬結果；未來觀測體系的健全、觀測數據的改進有利於在此基礎上進行補充研究。加強氣候模式的研發、提升氣候模式對海洋環流的模擬能力，有助於提高決策者對海洋吸熱的認識，進而進行合理有效預估，為其做出減緩氣候變化有關決斷，提供科學基礎。
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圖1.近一萬年的大氣CO2濃度曲線（左）及全球平均溫度曲線（右）。人類活動使CO2濃度和全球溫度在近一百年內迅速攀升，遠超自然條件下的速率。無論是近一萬年還是近幾百年時間尺度上，人類活動過度排放到大氣中的CO2均是全球變暖的重要驅動力。（左圖來自美國SCRIPPS海洋研究所，連結https://sioweb.ucsd.edu/programs/keelingcurve/；右圖摘自WMO Statement on the State of the Global Climate in 2019）
圖2.低排放（RCP2.6）和高排放（RCP8.5）情景下，CMIP5多模式模擬的海洋熱吸收變化。CMIP5多模式平均的2006-2100海洋熱吸收趨勢（A，B），圖A為RCP2.6情景，圖B為RCP8.5情景，打點區域通過95%顯著性檢驗，正值表示海洋獲得熱量。CMIP5模式模擬的北大西洋（35oN-70oN，80oW-10oW，藍色）和南大洋（35oS-70oS，0o-360o，粉色）海表熱吸收異常值2006-2100年平均序列（C，D），圖C為RCP2.6情景，圖D為RCP8.5情景，粗線表示多模式平均結果，彩色陰影表示一個標準差的模式間不確定性，計算異常值參考時段為2006至2025年，為方便作圖，南大洋熱吸收時間序列的數值被擴大了三倍。（圖片來源於該研究論文）
【來源：大氣物理研究所】
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