氣候變暖背景下全球平均海洋環流在加速

Science Advances最近發表了題為「Deep-reaching acceleration of global mean ocean circulation over the past two decades」的研究論文，該成果通過集成有關全球海洋環流的大量數據資料，揭示了全球平均海洋環流在過去20多年以來存在顯著的加速現象。青島海洋科學與技術試點國家實驗室、中國海洋大學吳立新院士在《中國科學：地球科學》發表點評文章，介紹了這一研究成果。

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為什麼要研究全球變暖背景下的海洋環流？

在溫室氣體持續排放的背景下，地球在過去的幾十年中經歷了非常快速的增暖。作為地球氣候系統的主要儲熱器，海洋將表層長期增暖的額外熱量大量地轉移到深層海洋。大尺度海洋環流是海水運動的基本形式之一，對海洋熱量和質量進行著再分配，是塑造地球海洋環境的基本動力過程之一。對全球海洋環流變化的準確評估是理解地球氣候系統變化和預測其未來變化趨勢的一個關鍵。長期以來, 人們在海洋環流與氣候方面存在著一個迫切希望回答的基礎性科學問題: 地球的海洋環流系統在全球變暖背景下是如何變化的?

圖1 海洋是地球的主要儲熱器，海洋環流調節著熱量再分配，但對其系統觀測還很缺乏。

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海洋環流研究存在哪些困難？

回答這個問題卻存在很大的困難。一方面，地球海洋環流的變化具有非常強的區域性和複雜性。在溫室氣體排放的強迫下，不同區域的海洋環流對氣候變化的響應存在顯著差異。比如，副熱帶西邊界流、太平洋風生環流和印尼貫穿流等存在加強的趨勢並導致相關區域增暖較快，安格拉斯流自20世紀90年代以來並無加速趨勢，而大西洋經向翻轉環流卻顯示出減緩趨勢。這些區域性差異主要是由於氣候系統內部的動力過程調節導致的，不同區域的海洋環流受到的動力學調整差別巨大，導致對其多年代趨勢的估計亦存在很大差異。另一方面，人類仍然缺乏對地球海洋環流的系統性連續直接觀測。歷史上對全球海洋環流的觀測多數集中在一些特定的海域和特定的時間段，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地球環流系統整體的變化。

圖2 全球平均海洋環流加速的物理過程卡通示意圖

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近20多年來全球平均海洋環流在加速

中國科學院海洋所胡石建研究員和王凡研究員等人通過對大尺度海洋動能在全球全海深範圍內進行積分，用積分的海洋動能作為判斷海洋環流變化的指標，有效地克服了區域差異性。他們發現，自20世紀90年代以來全球海洋動能存在顯著的增長趨勢，其增長速率達到每十年增長(15±12)%，這表明全球平均海洋環流存在顯著的加速趨勢。這種大尺度海洋動能增加主要集中在全球熱帶海域，並且延伸至數千米的深海。研究團隊進一步分析全球平均的風速變化，指出這種延及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。儘管自20世紀90年代以來的太平洋年代際變化發生的位相轉變對這種加速做出了一定貢獻，數據卻顯示全球平均海洋環流的加速主要是一種長期的變化趨勢，而溫室氣體持續排放在其中扮演了非常重要的角色。通過比較IPCC歷史情景下(HIST RUN)的全球平均風速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的顯著增長趨勢，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扮演著非常重要的角色。

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意義和展望

這項工作首次揭示了全球平均海洋環流在過去20多年以來存在顯著的加速現象，同時闡明了全球平均海洋環流加速的能量來源、物理機制以及人類溫室氣體排放在其中的重要作用。在IPCC最新發布的報告中，大西洋經向翻轉環流、南極繞極流和印尼貫穿流等區域性海洋環流在未來變暖背景下的變化都被給予了特別關注，但一直缺乏對全球平均海洋環流的估計，因此胡石建研究員和王凡研究員等人為認識未來海洋變化提供了新的視角。由於缺乏對全球海洋環流的系統觀測，在全球平均海洋環流的估算中還存在一定的不確定性，但這也凸顯出加強全球性海洋觀測的重要性和緊迫性。未來，世界各國應加強海洋觀測國際合作，共建透明海洋，深化理解和更好地預測未來海洋，服務於全人類的海洋命運共同體。