发个烧烧开7亿壶水！还有救吗？

　　想象一下，当你身处广袤的宇宙，遥望地球，映入眼帘的，将是大片静谧美好的蔚蓝海洋。这片占到地球表面积 71% 的区域，以它的浩瀚造就了生命的起源，并无私哺育着这些生命。
　　然而，在气候变化的今天，海洋，这个吸收了 93% 以上地球系统能量收入的大载体，也开始＂发烧＂了。
　　NOAA首次公布的GOES-18（地球静止轨道运行环境卫星）的图像。图片来源：NOAA
　　早在 1965 年，人们就已经提出大气温室气体增加会引起海洋变暖。2000 年，来自美国国家海洋和大气管理局（NOAA）的研究员西德尼·莱维图斯（Sydney Levitus）在《科学》撰文表明，1948~1998 年期间，世界海洋从表面到 3000 米深度的热含量（平均温度）广泛增加。但全球海洋到底变暖了多少，一直是一个争议不断的问题。
　　01
　　给海洋＂量体温＂
　　怎么这么难？
　　大量的观测数据证实，全球升温是不争的事实，那为什么海洋的增暖还会充满争议呢？究其原因，来自于过去海洋观测数据质量和数量的不足。
　　为了知道历史时期的气候变化，科学家们可以从历史文献、化石、沉积物（如海洋、黄土、石笋等）、冰川、树轮等找到历史气候变迁的痕迹。到了现代，卫星和全球密集的观测站点又成为测量大气温度的最佳武器之一。目前陆地上大约有 11000 个站点在进行大气温度的观测工作。但是面对广袤无垠的大海，这些方法就显得鞭长莫及了。
　　竺可桢先生根据历史文献重现的中国近五千年来温度曲线。图片来源：《中国近五千年来气候变迁的初步研究》
　　海洋的复杂性在于，不仅有宽度（3.6 亿平方千米），还有深度（平均深度 3680 米，最深海沟达到海平面以下 10911 米）。不同地区的地表温度尚有区别，不同区域的海洋当然也有着自己的＂脾气＂。
　　正是由于对海洋的探索是一个三维的过程，使得厘清海洋热容量的变化变得尤为困难。即使在现在，人类对海洋的探索还只是九牛一毛。而目前人类对海洋温度的探索仅仅集中于海洋上层 2000 米的部分。
　　在 1970~2001 年间，海洋次表层最主要的温度观测，是利用船只沿航道扔下的一次性抛弃式测温仪（XBT）进行的，占到总数据量的 41%。可受到当时技术的限制，它的结果存在系统性偏差。
　　要想知道海温的长期变化，就必须想方设法订正这些数据。因此自 2008 年起，全球科学家开始了订正历史 XBT 数据系统性偏差的工作。同时通过结合 2000 年正式实施的 Argo 全球实时海洋观测网数据，尝试量化海洋温度的长期变化。但由于数据偏差订正方法不同，往往会得到不一致的海洋增暖结论。
　　全球Argo浮标的分布。图片来源：http://argo.ucsd.edu/about/status/
　　02
　　再破纪录！
　　海洋：我要＂燃＂起来了
　　2014 年，中国科学院大气物理研究所（以下简称大气所）研究团队提出的海洋数据偏差订正方案，一跃成为目前国际上推荐的最佳订正方案，有效减小了政府间气候变化专门委员会第五次评估报告中的海温估计误差。
　　2023 年，大气所牵头的 2022 年全球海洋环境变化研究报告显示，2022 年成为有现代海洋观测记录以来海洋最暖的一年。
　　2022 年，全球海洋上层 2000 米储存的热量与 2021 年相比，增加了 10.9±8.3 泽焦耳（1 泽焦耳=10 的 21 次方焦耳）。这些热量可以同时烧开 7 亿壶 1.5 升的水，约为 2021 年中国全年发电总量的 325 倍、2021 年世界发电总量的 100 倍。在 20 世纪 90 年代以后，科学家在 2000 米以下的深海也已观测到了变暖信号。
　　1958~2022 年全球海洋2000米以上热含量异常。图片来源：参考文献[3]
　　在区域增暖中，七个大洋 2022 年海温的记录，都排进了历史记录的前十，其中有四个（北大西洋，地中海，北太平洋(北纬 30°~62°)和南太平洋，以及南大洋）甚至创下了历史最热纪录。
　　相对于 1981~2010 年基线，1958~2022 年区域观测到的 2000 米上部热含量变化。图片来源：参考文献[3]
　　03
　　海洋变暖
　　多种生物将面临危机
　　看上去，最害怕海洋变暖的会是海洋生物。2018 年的研究表明，海洋温度升高和层结加剧会导致海水中溶解的氧减少，这是造成大多数有记录的海洋物种灭绝的原因。
　　温度依赖性缺氧（二叠纪末海洋物种大灭绝的驱动因素）示意图。图片来源：参考文献[4]2022 年，科学家们的研究进一步表明，如果人类对温室气体没有采取行之有效的减排行动，将使地球在 2300 年走上二叠纪末期大规模海洋物种灭绝（这一事件被称为＂物种大灭绝＂，导致 96% 的海洋物种和 70% 的陆地物种消失）的道路。这其中，极地物种灭绝的风险最高，但热带地区的生物丰富度下降得更多。
　　只有大规模扭转温室气体排放趋势，才能减少 70% 以上的物种灭绝风险，保护过去 5000 万年进化史中积累的海洋生物多样性。
　　海洋生物丰富度的过去和未来。图片来源：参考文献[5]除此之外，在陆地上经历越来越频繁的高温热浪时，海洋热浪（是指发生在海洋中的极端高温事件，被定义为海表温度至少连续 5 天超出气候平均态 90 百分位阈值）也正在成为新常态。
　　海洋热浪。图片来源：NOAA在 1982~2016 年期间，海洋热浪天数增加了一倍。如果全球变暖控制在 1.5℃，预计海洋热浪天数将增加 16 倍，然而，按照目前各个国家的自主贡献目标（是每个国家对其如何减少温室气体排放以及减排程度所做出的非约束性承诺）来计算，21 世纪末全球将变暖约 3.5℃，海洋热浪天数增加可能为 41 倍。
　　全球变暖水平为1°C (a)、2°C (b)和3.5°C (c)时，海洋热浪天数超过工业化前第99百分位的概率变化。图片来源：参考文献[6]如同面对高温热浪一样，渔业，甚至人类社会经济，在海洋热浪面前都是高度脆弱的。南海海洋热浪事件导致了 2010 年以来，南海珊瑚礁白化现象不断出现，我国沿海海域均出现严重的珊瑚礁白化事件。2021 年的加拿大极端热浪则直接把海滩上的贻贝和其他水生有壳生物烤熟。
　　不仅是海洋生物，海洋热浪还会通过大气遥相关影响陆地的极端天气，从而影响我们的生活。
　　加拿大西部海滩上，极端高温烤熟了水生有壳生物。图片来源：CNN
　　在 2021 年，世界上近 60% 的海洋表面至少经历了一次海洋热浪的袭击（WMO）。
　　联合国环境规划署提出，如果海水继续变暖，到本世纪末，世界上的每一个珊瑚礁都可能会出现白化现象。海洋增暖还会导致海洋生物的锐减、有毒藻类的大量繁殖和海岸线水生物的死亡等等。这些变化最终将影响包括约 6.8 亿生活在低洼沿海地区的人，近 20 亿生活在世界沿海大城市的人，以及近 6000 万在渔业和水产养殖业工作的人。
　　珊瑚礁白化。图片来源: Kelsey Roberts/USGS
　　04
　　不只是变暖
　　海洋危机 SOS！
　　海洋面临的危机当然不仅是＂发烧＂。随着海洋变暖，温度的变化像多米罗骨牌一样带来了连锁反应。
　　储存在海洋中的热量导致海水膨胀，可以在全球海平面上升中占 33.3%~50%，这将使得沿海和低洼地区面临着越来越严重的风险。
　　过去 10 年间，海平面上升的高度（45.0 毫米）接近之前 20 年的总和（50.0 毫米）。图片来源：WMO
　　海洋的变化还会加剧像风暴潮、洪水这样的极端气象灾害。研究表明，在温和气候变化情景下，西北太平洋低纬地区上层海洋的持续变暖，将使 2100 年平均台风强度进一步增加 14%。
　　另外，由于海洋具有非常高的储热能力，是全球变暖的＂缓冲器＂，仅从 1800 年工业革命开始到 1994 年，全球海洋就吸收了 1180 亿公吨碳。
　　但海洋无限制为减排＂背锅＂的背后，也总有一个临界值。
　　研究发现，虽然进入海洋的 CO2正在增加，但与 2004 年第一次全球海洋碳调查相比，被海洋吸收的排放量（约 31%)）保持相对稳定。如果海洋无法吸收持续增加的 CO2，或者随着海洋变暖和海洋层结加剧，海洋碳吸收效率下降了，人为排放的 CO2不得不留在大气中，这将进一步加剧全球变暖。
　　1800~1994年和1994~2007年的全球 CO2预算。图片来源：参考文献[8]
　　另外，海洋持续吸收 CO2也使得海洋继续酸化，这对于贝类以及其他利用矿物碳酸钙来形成外壳和外骨骼的海洋生物而言，无疑是灭顶之灾。
　　05
　　碳中和是否能为海洋危机
　　按下暂停键？
　　在过去 80 年间，海洋每个十年都比前十年更暖。研究表明，历史性的海洋变暖在本世纪是不可逆转的。到 2100 年，预计海洋上层 2000 米的变暖是迄今观察到的变暖的 2~6 倍。太平洋将成为最大的热库，大西洋和南大洋的区域平均变暖依然是最强的。
　　那么，如果实现碳中和目标，使碳排放与碳吸收平衡，温度不再上升，能使得海平面停止上升，甚至下降吗？
　　CO2在大气中的寿命是由碳汇吸收 CO2的速度决定的。虽然约一半的排放被相对较快地吸收，但我们在大气中积累的部分 CO2排放，仍将存在数万年。而即使全球的温室气体排放量处在一个稳定的状态，在海水热膨胀的作用下，海平面仍然会上升几百年的时间。冰川和冰盖的融化也会促使海平面进一步上升。
　　由于热膨胀导致的全球海平面上升距平和海温距平（与平均值的差）。a，全球年平均海平面上升距平（相对于 1986~2005 年）；b，全球 300 米海温年均距平（相对于 1986~2005 年）。c，全球3000米海温年均距平（相对于 1986~2005 年）。图片来源：参考文献[10]
　　但即使处在一个零碳排放的世界，海平面在未来的几百年里依然会上升，至少 80 厘米的额外海平面上升是＂肯定＂的。
　　06
　　结语
　　今天是世界气象日，我们讲述海洋的故事，是为了警醒大家：温室气体问题是我们生活、生存的根本性问题。海洋危机可能无法避免，但减排可以极大地遏止海平面上升幅度，我们需要更加积极地减缓升温和准备适应措施。
　　无数的科学家展示了同一个我们可能面临的未来：地球会更不适宜人类生存。我们最终需要的可能不仅是净零排放，而是更严格的全球净负排放，这样才能阻止升温后人类无法承受的世界来到。
　　＂天气气候水，代代向未来＂。深夜，当我们闭上眼，也有超过 10000 个气象站、7000 艘船、1000 个漂流浮标、数百个天气雷达、约 30 颗气象卫星和 200 颗研究卫星和其他设备在不停歇地观测着陆地和海洋。当我们拥有了足够的数据来武装我们的知识，下一步，就该是切实的行动了。
　　参考文献：
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　　[4] Penn JL, Deutsch C, Payne JL, Sperling EA. Temperature-dependent hypoxia explains biogeography and severity of end-Permian marine mass extinction. Science. 2018 Dec 7;362(6419):eaat1327. doi: 10.1126/science.aat1327
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　　[6] Frölicher, T.L., Fischer, E.M. & Gruber, N. Marine heatwaves under global warming. Nature 560, 360–364 (2018).http://doi.org/10.1038/s41586-018-0383-9
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　　[11] Nauels, A., Gütschow, J., Mengel, M., Meinshausen, M., Clark, P. U., & Schleussner, C. F. (2019). Attributing long-term sea-level rise to Paris Agreement emission pledges. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, 116(47), 23487–23492.http://doi.org/10.1073/pnas.1907461116
　　[12] WMO Provisional State of the Global Climate 2022
　　[13] Cheng, L., von Schuckmann, K., Abraham, J.P. et al. Past and future ocean warming. Nat Rev Earth Environ 3, 776–794 (2022).http://doi.org/10.1038/s43017-022-00345-1
　　[14] Gruber N , Clement D , Carter B R , et al. The oceanic sink for anthropogenic CO 2 from 1994 to 2007[J]. Science, 2019, 363(6432):1193-1199.
　　作者：半懒不懒（中国科学院大气物理研究所）