这可能是人类有史以来最大型的体检项目……
2022/7/15 7:00:00 科学大院
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说起体检，大家都并不陌生。每年一次的健康体检能让我们清楚地了解自己的身体状况，预防疾病的发生，时刻拥有健康的身体。那你有没有想过，我们人类也会为海洋做“体检”呢？
随着全球气候变暖，海洋的健康状况愈发恶劣，我们有必要对海洋环境变化状况进行“体检”。给海洋做“体检”，其实就是监测海洋气候变化。但是怎么监测？监测结果怎么理解？会带给我们什么警示？
愈发猛烈的海洋热浪直接威胁到了众多海洋浮游植物和水生生物的生存状况
(图片来源：澳大利亚国家地理杂志)
海洋“体检”怎么做？
首先，我们需要定义和使用一些“指标”——就像我们体检经常会用“肥胖指数”、“血压”、“血小板计数”等等。
在海洋气候变化科学中，科学家们通常用海洋热含量、海表pH值、海洋热浪天数、北极海冰范围、海洋溶解氧含量、海洋盐度差指数等作为海洋健康状况的指标(又称指示器，indicators)。
定义好了指标之后，就是对海洋进行“采样”的环节了。为了获得这些指标，科学家们也需要对海洋的各种物理、生物地球化学变量进行连续观测，例如海洋的温度、盐度、海气通量、溶解氧、酸碱度、生物量、营养盐、叶绿素含量等等。
那么，我们怎么“采样”呢？
以海洋热含量这个指标为例，我们需要对海洋温度进行较为连续且接近全球覆盖的观测。上世纪40年代末，人类发明了船载机械式温深测量仪(MBT)进行海洋上层300米的观测采样；60年代，能探测到海洋更深地方的船载抛弃式探温仪(XBT)问世，使得海洋温度的观测在北半球以及全球主要航线附近有了较好的覆盖。90年代末，随着卫星传输技术的快速发展，海洋Argo浮标被逐渐开始使用，使得自2005年以来人类首次获取到海洋上层2000米较为接近全球覆盖的温盐系统性观测数据。
此外，国际Argo项目组自2010年开始有计划地布放深海浮标(deep-Argo)和生物地球化学浮标(BGC-Argo),使得2000米以下深海的海洋物理生化状态也有了一些观测。
与此同时，水下滑翔机、锚定浮标、船载观测、动物携带的传感器等数据也极大地补充了观测在近岸和极地地区覆盖不足的问题。这些仪器体积虽小，但却能准确测出海洋的温度，竟有一种“麻雀虽小，五脏俱全”的感觉。
下图就是我国自主研发的“海燕”水下滑翔机，形态酷似燕子，通过改变浮力“波浪式”前进下潜，是当前海洋水体自主观测的新型装备，也是实现深海大范围、长时序海洋观测的有效技术手段。
“海燕”水下滑翔机
(图片来源：中国海洋大学、天津大学)
与医学上丰富多样且被普遍使用的体检手段相比，海洋的“体检”手段则相对较少。事实上，现在除了温度、盐度的观测以外，其余变量的观测几乎没有全球覆盖，或者没有被各个沿海国家广泛观测。所以人类到目前为止也没法对海洋做“全面的体检”。因此，为了让这些指标都能做到全球覆盖，更加准确的了解海洋的健康状况，我们未来亟需建立全球覆盖、多要素覆盖的观测网。
但是，建立全球覆盖的观测网并非易事。国际Argo项目组从1998年开始，联合了大约30余个国家，花了大约10余年的时间才初步建立起接近全球覆盖的海洋上层2000米的温度、盐度的连续观测。中国也在2002年加入了这个项目，主要负责西太平洋和印度洋潜标的组网布放。
由此可见，在目前技术手段下，任何一个国家都无法独立建成覆盖全球海洋的观测系统。
Argo浮标的全球组网布放
(图片来源：澳大利亚联邦科学与工业研究组织)
得益于国际合作背景之下温度、盐度要素的全球范围内接近20年的长期连续观测，为海洋生成部分“体检报告”成为了可能。这样，我们就可以解读海洋的“体检报告”：海洋到底升温了多少？海洋今年比去年多吸收了多少热量？海洋盐度怎么变化？等科学问题，从而支撑相应的气候变化政策的制定。
为海洋诊断：解读“体检报告”
依赖于使用先进设备进行“采样”获取到的海洋物理观测数据以及一系列“国产”的数据处理方法和技术，中国科学院大气物理研究所自2018年开始，已经连续5年每年对全球热量收支进行“体检”，并在每年的1月向全球发布这方面的体检报告。除此之外，政府间气候变化专门委员会(IPCC)平均每5~7年也会发布一次气候变化的“体检报告”，其中也包括海洋方面的体检内容。
1958-2021年全球海洋上层2000米热含量(OHC)变化时间序列显示：2021年成为有现代海洋观测记录以来海洋最暖的一年
(图片来源：中国科学院大气物理研究所)
这些不同类别的体检报告虽然“体检方式”略有不同，但是都不约而同地指出在过去的百余年间，受人类活动的影响，海洋已经发生了显著而广泛的系统性变化，包括海洋变暖、海平面上升、酸化、溶解氧降低、生态系统紊乱、格陵兰和南极冰盖消融、陆地冰川退化、极端事件加剧等等。
就拿海洋溶解氧含量来说，自二十世纪中期以来，全球海洋溶解氧含量下降了2%以上，缺氧海水体积扩大了4倍。氧气减少是海洋变暖产生的严重副作用之一，2%的下降量数目虽小，但是足以影响海洋生物的群落结构、生产力及栖息地，并给渔业资源带来负面作用，最终给人类生产生活带来经济损失。
例如，海洋溶解氧的下降已经使金枪鱼等重要开放水域鱼类的适宜栖息地减少了15%。加之海水升温，越来越多的海洋物种正在向更冷的极地或深海移动以逃离变暖、缺氧的海洋。海洋大部分鱼类尚且能通过游动来一定程度的适应气候变化，而那些游动能力比较弱(例如软体动物)甚至无法游动的生物(例如珊瑚)，则已经或多或少面临着因无力改变恶劣生存环境而发生的死亡甚至是区域性种群灭绝的威胁。
1982-2018年部分活跃在白令海和北大西洋的鱼类和贝类平均位置变化，部分海洋物种正向极地移动以适应海洋气候变化。
(图片来源：美国环境保护署)
可见，海洋气候变化的影响是多方面、多尺度的。
“体检”结果则表明：海洋，似乎正变得越来越不健康。
管理“不健康”的海洋
让我们回到文章的开头，再仔细思考一下海洋在气候系统中扮演的角色：
海洋，由于海水的平均密度是大气密度的1000倍、比热容是大气的4倍。这些物理和热力学特性决定了海洋是全球气候的主要调控因子。同时，海洋还是人类和成千上万的水生生物赖以生存的家园。一个健康的海洋是人类可持续发展的重要保证。
正是由于海洋的存在，“温室效应增强”并没有使得我们感受到气温升高得那么强烈。换句话说，海洋不仅仅是人类二氧化碳排放的“缓冲器”，还是在很大程度上塑造了气候系统对温室气体的响应过程。因此，我们并不能对越来越不健康的海洋“放任不管、置之不理”。(Abraham et al, 2022)
多项研究已经表明：在不远的将来，海洋会继续升温、酸化、缺氧。同时，大气也会变得越来越“不健康”。不论是像类似2021年夏天发生在河南郑州的极端暴雨事件，还是像今年6月发生在广东英德县的“百年一遇”大洪水，亦或者是在大海中无家可依的种群生命，都在提醒着我们关于气候变化最终会反过来作用回我们人类身上的事实。在可预见的未来，我们将会经历越来越频繁的“十年一遇”、“百年一遇”甚至是“千年一遇”的气候事件。
河南郑州的7·20极端暴雨事件。郑州国家站曾一度出现了201.9mm的极端小时雨量，突破了我国大陆气象观测记录历史极值。
(图片来源：凤凰网)
那么，我们到底要怎样管理这个“越来越不健康”的海洋，才能减缓和适应海洋的气候变化呢？多国科学家根据《巴黎协定》，从近期、中期、远期，分三个阶段给出了以下的一些呼吁(Abraham et al. 2022)：
1)近期：从现在到约2030年前后，我们需要全面落实联合国可持续发展目标(SDGs)。不管是从政府、企业的角度，还是从我们个体的角度，全面部署和实现SDG目标将为地球上的生命的福祉提供一个良好的决策框架和行动路线。同时，正如上文也提到，各国也需要大力合作，建立一个可以全球覆盖的海洋“健康状况”监测系统。
2)中期：大约2050–2060年前后，一方面各国需要逐步实现“碳中和”的目标，另一方面，我们也需要超前谋划、提前部署应对或适应三四十年后可能发生的气候风险事件。例如沿海城市需要修建防洪堤以应对未来可能的海平面上升；智慧城市的建设需要考虑未来可能更加频繁、更加猛烈的极端降雨。
3)远期：2060年之后，一方面需要持续应对包括深海变暖、海平面上升等气候风险事件。另一方面，还需要特别关注一类“低概率, 高影响”的特殊事件。例如海洋生态系统跨过临界点、冰盖崩解等。这些事件一旦发生将带来难以估量的损失，且科学界对此的了解还相对较少，所以应充分纳入长期规划。
海洋的变化和几乎所有的联合国可持续发展目标息息相关。例如，我们每个普通的个体可以通过保护清洁水资源、减少塑料袋的使用、不捕捞和食用海洋保护动物等方式来实现保护脆弱的海洋
(图片来源：Abraham et al. 2022)
或许有时，远方的新闻、科学报告中陌生的数字会给我们一种气候变化离自己还很遥远的错觉。
但其实，气候变化就在我们身边。积极应对气候变化，不能仅仅“喊口号”，更需要我们数代人的共同努力!
滑动查看全部参考文献：
[1] Stammer, D. and co-authors (2019). climate observing requirements in support of climate research and climate information. Frontiers in Marine Science, 6, 444.
[2] IPCC. (2021). The Physical Science Basis. Contribution of Working Group I to the Sixth Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change. Cambridge University Press. In Press.
[3] Malin, L. and Alexa, F. (2022). A stark future for ocean life. Nature, 376(6592), 452-453.
[4] John Abraham, Lijing Cheng, Michael E. Mann, Kevin Trenberth, Karina von Schuckmann (2022). The ocean response to climate change guides both adaptation and mitigation efforts, Atmospheric and Oceanic Science Letters.
https://doi.org/10.1016/j.aosl.2022.100221(点击阅读原文查看此文献)
作者单位：中国科学院大气物理研究所
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