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高温祸害 hai[着海洋,而气『qi』候变化〖hua〗还火上浇油

约稿员 科技 2021-10-24 10:41:11 18 0

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本文来自微信公众号:Nature Portfolio(ID:nature-portfolio),作者:Giuliana Viglione,题图来自:视觉中国


十年前,死鱼突然冲上了西澳大利亚的海滩。罪魁祸首是一大片异常温暖的海水,令海藻林和大量具有商业价值的海洋生物(从鲍鱼、扇贝到龙虾)酷热难耐。接下来的几周里,西澳某些最赚钱的渔场几乎赔光,有些直到今天还没有恢复元气。


危机发生后,科学家开始评估损失,试图搞清海洋异常变暖的原因。澳大利亚海洋科学研究所的物理海洋学家Jessica Benthuysen说:“这次的事件对海洋生态系统造成了灾难性打击。”



自那以后,研究人员在全球海洋地区观察到了数十次类似的持续高温,并叫它们海洋热浪(marine heatwaves)。虽然科学家对该事件的定义有所不同,但他们一致认为,热浪定义包括海洋表层水的一段温暖时期,持续至少五天,并达到远高于正常范围的临界温度[1]


纽卡斯尔大学的海洋群落生态学家Pippa Moore说,海洋热浪的影响会重塑食物链。2013-2016年,人称The Blob的海洋热浪发生时,西北太平洋温暖、低营养的海水重创了浮游生物的生长。然后,大鳞 *** 哈鱼(Oncorhynchus tshawytscha)数量骤降,阿拉斯加湾死亡的海鸟多达一百万只。在过去几十年里,海洋热浪还造成了巨量的珊瑚白化。


热浪来了


名为The Blob的大规模海洋热浪 2013年形成于北美西海岸,一直持续到2016年年中。该地图显示了 海表温度的卫星测量数据,颜色显示为2003年至2012年平均更高(红)或更低(蓝)。两张图对比了2014年4月和2015年3月的温度。



海表温度距平(°C)

来源:NASA Earth Observatory image by Jesse Allen, using MOI-SST data from Chelle Gentemann and Frank Wentz, Remote Sensing Systems。


和大气中的热浪一样,海洋热浪也在每况愈下:气候变化使其发生频率更高(见“发热的水域”),持续时间更长,并将温度一再推高。这一切都要求人们尽快找出原因,并学会如何预测它们。


此类预测将帮助渔业管理者决定是否要限制捕捞量,或是完全停止一些区域的捕捞。目前的预测方式还停留在起步阶段。但随着新的观察数据集出现、模型的不断改进,以及全球对这一现象的关注,科学家希望他们的预测能力能在未来几年里大幅提高。


来源:参考文献7


研究者认为,提高预测能力大有好处,因为海洋向人们提供了价值数千亿美元的食物和其他资源,而其中许多都受到了海洋热浪的威胁。“我们亟需掌握这些事件何时会在哪里发生。”哥伦比亚大学地球观测站的物理海洋学家Hillary Scannell说,这将帮助全球社会计划好应对热浪来袭。


高压环境


在巴西,2013-2014年的夏季尤其难熬。严重干旱摧毁了农作物,引发了圣保罗的水资源短缺。与此同时,海洋升温,叶绿素浓度(衡量生物生产力的一个指标)急剧下跌。当时,圣卡塔琳娜州联邦大学的物理海洋学家Regina Rodrigues开始挖掘数据。她发现干旱和海洋变暖有一个共同的原因:在夏季的大多数时候,一个高气压系统一直停留在该国的东南部[2]


这种长时间持续的高压系统和大气阻塞现象有关,也是导致海洋热浪(和陆地热浪)的最常见因素之一。大气阻塞会导致云层稀薄、相对无风。没有云层,更多阳光辐射就能抵达海洋并将其加热;同时,平静的空气也抑制了混合和蒸发。这些因素都会导致上层海洋热量累积,这会改变风的模式,加剧或延长暖化。


在2019年发表的一项研究[2]中,Rodrigues和她的团队发现,大西洋西南部约60%的海洋热浪事件(包括2013-2014年的这次)都是高压系统带来的,这些高压起源于数千公里外的印度洋某处,随后通过大气向南美移动。但因为大气阻塞依赖于太多因素,这个复杂现象很难用数值模型进行重建。Rodrigues说:“它依赖于气候系统的很多方面,很难做到准确。”


这些看似不相干的遥远地区,通过“遥相关”(teleconnection)彼此关联。Rodrigues将其比喻为往湖中投下一块石头,并看着涟漪扩散。在她的研究中,她发现整个过程通常始于靠近地表的空气开始变暖和上升。


她说,印度洋上方的对流突入大气,导致大气波抵达南美,最终产生了海洋热浪。气候系统的这一内在相关性令预测变得非常复杂。研究者不能只对海洋中特定的一小块相关区域建模,而得将全球各处发生的现象都考虑进去。


Robert Schlegel说,厘清导致海洋热浪的气候条件是非常艰巨的工作。他是法国索邦大学Villefranche海洋研究所的数据科学家。包括Schlegel在内的许多研究人员正在尝试利用统计学和机器学习方法理解海洋热浪的主要成因。


来源: Schlegel, R. W. Marine Heatwave Tracker (2020)


深度驱动


有些时候,海洋热浪的驱动因素藏在海洋内。西澳大利亚附近发生的事件就属于这种,当时南向的利文流(Leeuwin Current)增强了。随着这股海流的加强,它从印度洋带来了比往常更多的暖水,使数百公里的海岸沐浴在长达数月的热浪中[3]


2015-2016年间,澳大利亚和新西兰之间的塔斯曼海出现热浪也是类似的原因,其持续时间和强度都创下了该海域的纪录。2017年的一项研究[4]追踪了该事件的成因,发现东澳大利亚海流加强,将温暖的热带海水带到了这些国家的海岸。该研究的共同作者、塔斯马尼亚大学的海洋和气候科学家Neil Holbrook说,这类海洋成因的事件对塔斯曼海的影响比大气导致的事件影响更深。


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这些更深层的事件对气候科学家提出了不一样的挑战。当前对海洋热浪的所有了解几乎都仅限于海洋表面发生了什么,研究人员可以用卫星设备绘制温度地图,追踪近实时进展。但是表层底下是一个复杂洋流的世界。“我们能看到并界定表面的热浪。”加拿大达尔豪斯大学的物理海洋学家Sofia Darmaraki说,“但表层只是海洋热浪的冰山一角。”


追踪水下情况的观测网络相对较少。一些区域有浮子和浮标提供数据,但另一些区域完全没有。水下热异常如何发生、持续和变化,是海洋热浪研究中最大的待解问题之一。而由于绝大部分海洋生物栖息在海表以下,这也是科学家亟需探索的一个关键领域,Scannell说,“我们尚未彻底摸清水下热浪对生态系统的影响。”


海洋热浪常对生态系统造成破坏,导致大范围的珊瑚白化。来源:The Ocean Agency/Ocean Image Bank


Benthuysen和其他澳大利亚研究人员正尝试填补一些空白,他们使用一种称为基于事件采样(event-based sampling)的策略。澳大利亚的综合海洋观测系统(IMOS)与合作伙伴维护着一支随时待命的海洋滑翔器编队(水下遥控设备)。当海洋热浪发生时,IMOS团队可迅速调集滑翔器入水,收集关于温度和盐度的重要数据。


今年初进行了一个此类测试,因为西澳附近的水域开始再次变暖。研究者用滑翔器追踪海洋热浪的进展,这次热浪最终发展继十年前一次灾难性事件后该海域出现的最严重的海洋热浪。滑翔器游了500多公里,捕捉到2月初一个热带气旋对该水体产生的冷却效应。3月和4月,研究团队又部署了两台滑翔器从塔斯马尼亚海岸出发,帮助绘制塔斯曼海持续热浪的规模。这两台滑翔器显示,海洋表层的温度异常要高于最上层水域。


研究者说,这些滑翔器收集到的数据或能改善动态预报模型的预测,这些模型可以模拟海洋和大气活动背后的物理学。“收集近实时数据,确保将其纳入短期模型,这有望指导决策制定,并及时沟通可能发生的情况。”


有限预报


新南威尔士大学的气候科学家和海洋学家Alex Sen Gupta说,现在的预报系统还不能提前很早预测极端天气。“海洋预报学其实比天气预报学落后很多。”


Sen Gupta说,有些模型也许能提前几天或一周预报异常事件。但在这之外,气候系统的混乱本质意味着单个事件更难预报。对许多利益相关者来说,现在的模型不够成熟,也不够精细,无法为他们需要制定的政策提供信息,用来应对可能的热浪。


新加坡国立大学的海洋生态学家Jahson Alemu I 指出,现在的预测模型分辨率比多巴哥岛小不了多少,这使得决策和向公众预报风险都很困难。Alemu I也是专注于加勒比海洋问题的非 *** 组织SpeSeas的主管。


目前,研究者多依靠基于过去模式的统计模型,来大致推断在某个时间段内是否可能发生热浪。但是这些模型只是权宜之计,学界仍在等待足够成熟的动态模型来预测这类事件。“统计学模型的前提是过去出现的模式会重复出现。”澳大利亚联邦科学与工业研究组织(CSIRO)的海洋科学家Alistair Hobday说,在一个气候快速变化的世界里,这样的模型将会失效,动态模型才是未来的方向。


Hobday在CSIRO领导的一个项目专门预测海洋热浪。12月的时候这个团队发布了首个利用机器学习技术生成的统计学预报,该技术整合了海表温度和上层海洋储存热量的历史数据和模型。预报警告称,西澳海岸在1至4月间很有可能出现海洋热浪。


事实上,年初海岸温度的确升至异常高点。Hobday说,今年的统计学预测是一种概念验证——研究团队特地选择了一个海洋热浪可能出现的较大区域和长时间段。但明年他的团队计划对这一区域发布动态预报,就海洋热浪风险提供更精细的报告。


晦暗的未来


气候科学家只对一类海洋热浪的预测比较有信心:气候变化肯定会加强和加剧这类事件的发生。随着人们持续向大气排放温室气体,气候模型预测,全球温度升高会加剧海洋热浪的方方面面。Holbrook说:“你预计到气候变化会让极端事件增加。事情只会变得更糟。”


一些变化已经发生了。1925到2016年间,全球每年的海洋热浪天数增加了50%以上。从1982年有卫星记录以来,近三分之二海洋出现的海洋热浪增强了[5]。而且科学家预测这些趋势将会持续下去。一些研究显示,即使在适度变暖的情景下,几乎所有的海洋都会在今后几年经历更频繁、持续时间更长的热浪[6,7]


过去几十年间的许多极端事件,也因气候变化变得更糟了。2020年的一项研究[7]分析了1981年以来影响最大的7次海洋热浪,结论是除了一次以外,所有海洋热浪多少是由人为导致的变暖引起的。研究团队用前工业时期大气二氧化碳浓度运行的模型与当今浓度运行的模型进行了比较。


来源:参考文献7


领导这项工作的伯尔尼大学气候科学家Charlotte Laufkötter说,研究结果表明,其中一些事件太强了,以至于它们完全可以归因于人因气候变化。“在前工业化时期,它们是不可能出现的。”


科学家预测,在下个世纪的某个时间,许多海洋的暖化程度将超过定义这类事件的温度阈值——让世界上许多地区陷入永久性的海洋热浪状态。Laufkötter 说:“如果变暖到了那个程度,它就不再是什么极端事件了,而是新常态了。”


参考文献:

1. Hobday, A. J. et al. Prog. Oceanogr. 141, 227–238 (2016).

2. Rodrigues, R. R., Taschetto, A. S., Sen Gupta, A. & Foltz, G. R. Nature Geosci. 12, 620–626 (2019).

3. Feng, M., McPhaden, M. J., Xie, S.-P. & Hafner, J. Sci. Rep. 3, 1277 (2013).

4. Oliver, E. C. J. et al. Nature Commun. 8, 16101 (2017).

5. Oliver, E. C. J. et al. Nature Commun. 9, 1324 (2018).

6. Frölicher, T. L., Fischer, E. M. & Gruber, N. Nature 560, 360–364 (2018).

7. Laufkötter, C., Zscheischler, J. & Frölicher, T. L. Science 369, 1621–1625 (2020).


原文以Fevers are plaguing the oceans — and climate change is making them worse为标题发表在2021年5月5日《自然》的新闻特写版块上


本文来自微信公众号:Nature Portfolio(ID:nature-portfolio),作者:Giuliana Viglione

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