全球氣候變化下海洋環(huán)流多尺度演變:聯(lián)動協(xié)同與環(huán)境生態(tài)效應初探

齊慶華

(1.自然資源部第三海洋研究所 廈門 361005;2.福建省海洋物理與地質(zhì)過程重點實驗室 廈門 361005)

0 引言

海洋是地球氣候系統(tǒng)的重要成員[1],海洋環(huán)流則是系統(tǒng)內(nèi)物質(zhì)能量輸運、維持和再配置的關鍵動力載體[2],進而成為海洋沉積地形分布、融冰速率、經(jīng)濟魚類密集、海洋生產(chǎn)力分區(qū)和海洋可再生能源開發(fā)的主要動力途徑[3-5],作為海洋與天氣氣候模式的重要塑造力[6-7],海洋環(huán)流更是海洋與氣候孕災、成災、災變與協(xié)同致災的直接動力基礎[8]。尤其海洋充當?shù)厍蛳到y(tǒng)中最大的碳庫,在全球氣候變化中起著控制性作用。其中海洋環(huán)流通過熱量配置以及調(diào)控海洋對大氣中CO2的收支,影響著全球氣候變化的方向、路徑與進程[3,9]。20世紀90年代以來,隨著世界大洋環(huán)流實驗(WOCE)的實施,各大洋西邊界流得到觀測,海洋環(huán)流要素得到量化,全球海洋環(huán)流的物理圖景逐步建立[10]。同時,有關海洋環(huán)流結構與變化,及其通過參與生物地球化學循環(huán)和海氣相互作用等過程影響海洋與氣候、生物生態(tài)和冰凍圈的認識也不斷豐富,取得了較大進展。深入認識海洋環(huán)流多尺度特征、趨勢演變及其海洋氣候與環(huán)境生態(tài)效應,是當前踐行人與自然和諧共生的生態(tài)文明思想和實現(xiàn)海洋氣候與環(huán)境生態(tài)安全保障的重要組成部分。需指出的是,受陸地分隔等大地形、季風和行星風系、淡水和熱鹽通量及局地多尺度熱動力過程等綜合影響,不同洋盆各類型環(huán)流體系和分支具有獨特性,差異明顯[11]。為系統(tǒng)透析和深化對海洋環(huán)流本身復雜性及其氣候與生態(tài)影響風險的相關認知,本文試圖基于海洋的連通性與海洋環(huán)流鏈接,從全球海洋系統(tǒng)整體性視角,突出大尺度海洋環(huán)流的聯(lián)動效應以及氣候變化下的低頻尺度演變,分別從全球氣候變化下海洋環(huán)流的洋域三維聯(lián)動效應、洋際交換協(xié)同效應以及氣候環(huán)境生態(tài)效應3個方面簡述海洋環(huán)流變化的多尺度變率特征與氣候趨向及關鍵影響風險研究的基本現(xiàn)狀。并圍繞以上主要科學問題探討提出相關研究的不足、未來需求與研究建議,以期為我國海洋高質(zhì)量可持續(xù)發(fā)展、海洋強國建設的安全保障、海洋命運共同體構建以及深度參與全球海洋治理提供科學參考和科技支撐。

1 氣候變化下海洋環(huán)流熱動力學驅(qū)動因子演變特征

海洋環(huán)流一般由海洋內(nèi)部熱鹽或淡水通量引起的密度不均勻(浮力強迫)和海面風應力等外強迫導致的動量通量(包括內(nèi)潮和湍動混合動力過程等)驅(qū)動[12-13]。為理解海盆尺度和全球三維海洋環(huán)流的多尺度運動,尤其是低頻尺度動力特征和趨勢規(guī)律,本節(jié)首先簡述氣候變化下海洋環(huán)流的主要強迫和脅迫因子及相關要素的演變特征。

1.1 全球升溫背景下海洋暖化、淡化與酸化特征

聯(lián)合國政府間氣候變化專門委員會(IPCC)第六次評估報告(AR6)指出,近年來,全球大幅度升溫,2001—2020 年平均溫升較工業(yè)化前(1850—1900年)增加0.99℃,而2011—2020年相比工業(yè)化前增暖了1.09℃。氣候正在全球性迅速變暖[14],在此背景下低層極赤溫差呈現(xiàn)減小趨勢[15]。海洋是地球氣候系統(tǒng)最重要的組成部分。海洋吸積的熱量通過海洋經(jīng)向環(huán)流輸送至中高緯度海域,是維持地球系統(tǒng)能量平衡的重要機制,調(diào)節(jié)著全球氣候變化。通過海洋不同氣候態(tài)的對比研究證實全球海洋暖化顯著[16],不同洋盆尺度南北海洋熱力梯度變化存在差異,尤其對副熱帶西風急流具有重要調(diào)控作用[17]。

作為氣候系統(tǒng)的核心過程之一,水循環(huán)是聯(lián)系地球各圈層能量轉(zhuǎn)移的重要渠道,也是不同水體交換、遷移運動的驅(qū)動機制[18]。對淡水通量(蒸發(fā)與降水之差)的分析表明,氣候變暖雖傾向于增強全球水循環(huán),然而極區(qū)體現(xiàn)了更強的物質(zhì)能量與水分循環(huán)特征,導致高緯度地區(qū)更為淡化,中低緯度地區(qū)則趨于咸化。這種趨勢可弱化海洋經(jīng)向鹽度梯度,減緩海洋的垂向混合,增強高緯度海洋暖化,推進全球海洋變暖一致性進程[19-20]。同時,受當前全球水循環(huán)“干更干、濕更濕”模式驅(qū)動,海洋呈現(xiàn)“咸更咸、淡更淡”的發(fā)展態(tài)勢[21],上層海洋層結加大[22],也對大洋通風過程和海洋深層混合產(chǎn)生重要影響,更易于上層海洋全球性暖化[23-24]。

海洋是吸收和存儲大氣CO2極其重要的匯區(qū)[25],大氣CO2排放的增加,在造成氣候變暖的同時,也增強了海洋對CO2的吸收,進而導致海洋酸化,特別是,由于海洋環(huán)流的變化以及對大氣CO2的輸運,海洋酸化逐步由開放海域向海岸帶以及海洋深層次發(fā)展。海洋酸化對海洋生物多樣性和生態(tài)系統(tǒng)功能產(chǎn)生了嚴重影響[26]。目前預測結果顯示,在全球變暖背景下,海洋酸化速率和幅度均大于海洋的暖化程度[27],值得提出的是,海洋暖化會影響海氣CO2通量[28],一定程度加劇氣候變暖,海洋暖化和酸化的互作關系是海洋氣候變化研究的重要科學問題。

1.2 全球升溫背景下季風與行星風系演變特征

季風為海陸熱力驅(qū)動下的大尺度環(huán)流,對大洋邊界流變異具有重要作用[29]。氣候變化可能影響季風環(huán)流的位置、強度和持續(xù)時間[30]。數(shù)據(jù)和模式結果分析顯示,南亞夏季風(印度洋夏季風)在氣候變暖背景下呈減弱趨勢[31-34]。東亞季風近幾十年呈現(xiàn)顯著的年代際變化特征[35-36],特別是東亞夏季風自20世紀70年代末表現(xiàn)減弱趨勢[37],但其變化更傾向于位置的改變[38]。分析表明,澳洲季風和北美季風同樣趨于減弱[39-40]。季風還受到其他因子的調(diào)控,如北大西洋的升溫,則有利于北美以及南美和非洲季風的增強[41-42],這種不同驅(qū)動因子多尺度變率的疊加為全球季風未來演變的分析評估帶來一定困難。

作為對全球變暖的響應,熱帶大氣環(huán)流中緯向Walker環(huán)流呈減弱趨勢[43]。Hadley環(huán)流與Ferrel環(huán)流表現(xiàn)為減弱,且傾向于向北擴張[44-45]。氣候變化下南北半球高緯度西風帶向極遷移明顯且呈增強趨勢[46-49],但半球間存在不對稱性,南半球西風變化幅度較大[50]。另外,分析顯示信風總體有增強跡象[51],而赤道信風趨于減弱[52]。

總體言之,全球變化背景下,受人類無序活動影響,地球氣候系統(tǒng)熱能量增加[53],系統(tǒng)臨界狀態(tài)明顯,海洋熱帶化極向擴張,低緯度分異梯度(海洋熱力對比和驅(qū)動力)總體趨于減弱[54],且同步一致性傾向增強[55],大氣強迫體現(xiàn)為熱帶環(huán)流的普遍減弱,以及副熱帶環(huán)流極向遷移和偏高緯度的增強[48]。當前需關注的是,在全球一致性變化進程中,受環(huán)境梯度的影響,氣候變暖的擾動激發(fā),使得中高緯度地區(qū)的響應日趨顯著,尤其地球氣候系統(tǒng)狀態(tài)平衡的能級和級聯(lián)調(diào)整與轉(zhuǎn)換過程中的不確定性、突發(fā)性和聯(lián)合致災危險性將可能在相應地區(qū)加劇,嚴重影響人類的生存和發(fā)展,因此,從地質(zhì)學[56]和星系尺度(如,衛(wèi)星尺度、行星尺度和恒星尺度),特別是結合月地、日地系統(tǒng)結構和穩(wěn)定性[57-58],考慮自然變率和可控人類活動,針對地球氣候系統(tǒng)動力演化和宜居性研究亟待開展。

2 氣候變化下洋域海洋環(huán)流體系及三維聯(lián)動效應

對海洋三維環(huán)流的認識,是深入理解海洋動力學,以及評估海洋對地球氣候響應與反饋及海洋生態(tài)系統(tǒng)影響的基礎和關鍵。本節(jié)圍繞海盆尺度大洋環(huán)流的緯向配置、垂向交換和經(jīng)向輸運特征,分析氣候變暖背景下大洋環(huán)流體系的三維聯(lián)動效應和趨勢變化。整體洋盆的環(huán)流體系一般由位于副熱帶(熱帶環(huán)流或赤道流可看作為其低緯度邊界)或亞極地海洋的大型渦旋式環(huán)流圈(如副熱帶環(huán)流、亞極地環(huán)流和南半球的巨型環(huán)流[59])支配,其西邊界則為西邊界流系統(tǒng),其中低緯度西邊界流源于赤道流系及其分岔。為體現(xiàn)洋盆尺度環(huán)流的三維動力結構與聯(lián)動效應,這里討論的環(huán)流類型主要包括大洋內(nèi)部整體環(huán)流圈以及赤道流、潛流、上升流、下降流、大洋邊界流等。

數(shù)據(jù)與模式分析發(fā)現(xiàn),南北半球副熱帶環(huán)流存在極向擴展趨向[60-61]。其中,20 世紀70—80 年代,北太平洋副極地和副熱帶環(huán)流圈增強了約10%[62]。北太平洋副熱帶環(huán)流圈的增強主要源于風應力的加大[63]。衛(wèi)星和ARGO 數(shù)據(jù)分析顯示,南太平洋副熱帶環(huán)流圈在2000年代期間呈增強趨勢,其中上層1 000 m 增強幅度約為20%～30%,深層增幅約為10%～30%[64]。耦合模式分析表明,氣候變暖會加快南極融冰,加大南大洋的熱吸收,并增強南大洋副熱帶環(huán)流圈[65]。北大西洋副熱帶環(huán)流在20世紀90年代中期存在由強變?nèi)醯耐蛔?模式診斷顯示,除了大氣強迫本身外,還與北大西洋濤動(NAO)密切相關[66]。相比而言,南大西洋副熱帶環(huán)流圈趨于增強,并具有極向擴展趨勢[67]。另外,南半球環(huán)狀模正位相和西風加大背景下,南半球的巨型環(huán)流圈趨于增強[68-69]?？傮w上,海洋副熱帶環(huán)流的氣候趨勢對應大氣強迫的演變特征。

2.1 緯向配置

由于信風等驅(qū)動因子的相似性,熱帶大西洋和熱帶太平洋盛行東西緯向的環(huán)流,且在季節(jié)和年際變化尺度具有諸多共有特點[70]。模式結果顯示,受Walker環(huán)流減弱的影響,赤道環(huán)流趨于減弱[71]。然而,就熱帶大洋平均環(huán)流而言,對其的能量(以全球積分總動能為表征)分析表明,在表層風驅(qū)動增強下可表現(xiàn)出顯著增強趨勢,由于缺乏深層環(huán)流數(shù)據(jù)且僅考慮風強迫下(未考慮浮力強迫、潮汐引發(fā)的湍動混合等[72-73])的機械能輸入與轉(zhuǎn)換部分,其積分結果存在諸多不確定性[74]。模式結果的分析評估進一步表明,海洋層結在加速大洋副熱帶環(huán)流圈的同時,也增強了南大洋緯向環(huán)流。另外,海洋暖化可加速全球海洋77%的上層環(huán)流,而對深層環(huán)流主要起減緩作用[75]。

赤道太平洋因其大的緯向跨度,在全球氣候系統(tǒng)中具有重要地位。其平均態(tài)的微小變動足以驅(qū)動大幅度局地和遠地氣候影響。一般而言,赤道太平洋平均態(tài)以海表溫度的緯向梯度來表征,并與大氣在年際尺度上強烈耦合。有數(shù)據(jù)分析顯示,赤道緯向風應力的減弱將造成赤道太平洋上層海洋西向動量的減弱,引起東向赤道潛流(雖為多種機制驅(qū)動,這里可看作為表層環(huán)流在深層的回流形式)的增強,并作為東邊界上升流的源流之一,進一步導致赤道東太平洋的降溫,最終增強海表溫度的緯向梯度[76],以上過程尚未被模式成功模擬。此外,大西洋赤道潛流近期有增強趨勢[77],并受到海洋波動的影響[78]。分析表明,印度洋偶極子的伴隨風場對印度洋赤道潛流具有維持作用[79]。然而,由于基礎數(shù)據(jù)的不足和模式性能限制,目前對海洋深層次輸運的分析甚為匱乏[80],這對海洋熱儲存能力以及海平面上升的氣候變化評估造成極大影響。由此可見,大洋環(huán)流的緯向三維配置特征規(guī)律還存在很大不確定性。研究結果總體表明,低緯度海洋環(huán)流可能趨于弱化,而熱帶和副熱帶上層海洋環(huán)流主要以增強為主,且中高緯度更為明顯,然而,隨著氣候變暖的加劇,海洋環(huán)流的緯向配置臨界特征日趨顯著。相關科學問題是今后海洋環(huán)流氣候變化研究的關鍵。

2.2 垂向交換

通風過程是海表混合層水體向大洋內(nèi)部輸送和輸出的重要通道機制[81],分析表明,南極繞極流通過大洋內(nèi)部通風過程成為其他洋盆海洋水團的主要容納器。另外,氣候變化導致的通風異?？赏ㄟ^潛沉和對流浮露等通風過程影響遠地的大氣[82]。由于自然變率、氣候變化的復合以及區(qū)域性差異的影響,未來海洋通風過程的趨勢演變也存在很大的不確定性[83]。目前,受數(shù)據(jù)限制,相關的研究存在較大欠缺,尤其針對全球海洋水體交換,圍繞海洋水團[84]形成(年齡)、分布、變性和生消的動態(tài)演化和深層次特征規(guī)律研究尚待深入系統(tǒng)開展。

上升流系統(tǒng)是大洋垂向交換的重要機制,主要位于太平洋和大西洋,海盆尺度的配置決定了上升流生態(tài)系統(tǒng)的特點,信風使得海洋熱量和質(zhì)量在海盆西部累積,造成海盆東、西部溫躍層的加深和上抬。分析表明,大洋東邊界的上升流通過大氣強迫、溫躍層形勢、生物地球化學循環(huán)以及食物網(wǎng)鏈動力學耦合綜合影響上升流生態(tài)系統(tǒng),并具有顯著的年際和年代際變率[85]。特別是,由于熱量和質(zhì)量在緯向上的再配置,加之赤道低與副熱帶環(huán)流區(qū)高的溫躍層經(jīng)向模態(tài),以及不同的營養(yǎng)鹽分布和高緯度混合與鋒區(qū)影響,使得不同東邊界上升流生態(tài)系統(tǒng)具有經(jīng)向依賴性[85]。預估分析顯示,氣候變化增強了上升流風場,尤其中高緯度東邊界上升流普遍呈現(xiàn)持續(xù)期加大、強度增加趨勢[86-87]。然而,大洋東邊界上升流生態(tài)系統(tǒng)在風場動力強迫、營養(yǎng)鹽深度調(diào)控、海洋酸化、缺氧和氣候變率等多因子脅迫下對氣候和全球變化的響應較為復雜[88],不同區(qū)域上升流系統(tǒng)氣候變化有待系統(tǒng)研究。同時,相關模擬預估分析能力尚待提升[89]。相較于東邊界上升流系統(tǒng)的生態(tài)重要性,西邊界上升流的研究較少,分析顯示,就全球尺度而言,絕大部分西邊界上升流加強[90]。另外,有利于下降流的風場也趨于增強,但趨勢不顯著[91],由于數(shù)據(jù)的不足,下降流相關研究較少。鑒于海洋環(huán)流作用下的垂向交換是海洋氣候以及全球氣候變化進程研究的重要課題,尤其應結合海陸氣相互作用,將氣候變化下中高緯度大尺度的和深層次海洋環(huán)流與垂向交換的機制機理和分析評估作為今后研究的重點。

2.3 經(jīng)向輸運

東西邊界流受到風驅(qū)動、斜壓強迫、地形影響與年際和年代際氣候變率調(diào)控[92],具有多尺度特征[93],并在海洋經(jīng)向熱輸送中具有舉足輕重的地位。由于西向強化和極向輸運的重要作用以及對周邊區(qū)域氣候產(chǎn)生的嚴重影響,海洋西邊界強流得到更多的關注[94]。黑潮和灣流分別為太平洋和大西洋副熱帶西邊界流系統(tǒng),模式分析顯示,氣候變暖背景下,由于熱鹽響應和風強迫的差異[95],灣流呈現(xiàn)減弱趨勢,黑潮則趨于增強[96-97]。而印度洋的安格拉斯流,因受到海洋渦旋的調(diào)控,并無趨勢性變化[98]。但在季風驅(qū)動和地形地貌的影響下,印度洋邊界流可通過季節(jié)性上升和下降流對生物地球化學循環(huán)和生物生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生顯著影響[99]。分析表明,大西洋的巴西海流極向擴展和增強趨勢明顯[100],同時,東澳大利亞流向南擴展顯著,但強度趨勢變化不明顯[101]。值得關注的是,東西邊界流是理解和觀測氣候變化影響與氣候變化區(qū)域響應的關鍵動力過程。目前相關的觀測研究仍有待加強[102],特別是針對中高緯度和深層次邊界流的探測和監(jiān)測體系亟待建立和完善。

熱帶低緯度和極地高緯度凈輻射的不對等造成地球系統(tǒng)能量的失衡。而地球系統(tǒng)的能量平衡則主要由經(jīng)向環(huán)流來維持。其中,熱鹽環(huán)流是海洋中經(jīng)向能量輸送的動力承載,以高緯度水團下沉和低緯度水團上升為特征,不同尺度的變化主要由浮力通量和風應力驅(qū)動,承擔著全球大洋90%的水體輸送量[103-104]。相比于北太平洋和北印度洋,北大西洋具有鹽度更高(高密度)的海水[105-106],大西洋翻轉(zhuǎn)環(huán)流(又稱大洋傳送帶)以其層次深、強度大而成為全球大洋熱鹽環(huán)流的代表,它是地球系統(tǒng)年代際氣候變率和氣候突變的重要機制[107-109],同時,大西洋翻轉(zhuǎn)環(huán)流被認為是地球氣候系統(tǒng)(網(wǎng)絡)重要的臨界要素,大西洋溫鹽環(huán)流與其他臨界要素之間的關聯(lián)和遙相關是分析地球氣候系統(tǒng)穩(wěn)定性(如,躍遷和崩潰等)的關鍵科學問題[110]。分析表明,大西洋翻轉(zhuǎn)環(huán)流年代際變化明顯,且與海表溫度、對流活動、NAO 和北極融冰等氣候要素間存在著協(xié)調(diào)關系[111-113]。氣候變化下全球大洋熱鹽環(huán)流演變的評估尤為重要。數(shù)據(jù)與模式預估分析顯示,大西洋經(jīng)向翻轉(zhuǎn)環(huán)流具有減弱傾向[114-116],其中北極快速融冰后對北大西洋的淡水注入有利于翻轉(zhuǎn)環(huán)流的減弱[117],而南大西洋底層水的暖化使得上層翻轉(zhuǎn)環(huán)流圈增強了約5%～10%,進而可能抵消其減弱趨勢[118]。近期有分析表明,過去30年北大西洋經(jīng)向翻轉(zhuǎn)環(huán)流狀態(tài)穩(wěn)定[119-120]。目前,有關大西洋經(jīng)向翻轉(zhuǎn)環(huán)流的長期演變特征尚無定論[121-122]。模式分析顯示,氣候變暖背景下,印太翻轉(zhuǎn)環(huán)流增強約30%[123],其中印度洋一致性增暖對其具有重要貢獻[124]。太平洋淺層經(jīng)向翻轉(zhuǎn)流對上層海洋熱含量的年際和年代際緯向配置具有重要影響,同時,不同緯度熱傳輸?shù)漠惓Ｗ兓c風驅(qū)動下西傳的Rossby波有關[125]。數(shù)據(jù)和模式分析表明,整體而言,全球大洋熱鹽環(huán)流自20世紀80年代以來具有增強的演變特征[126],然而,鑒于全球大洋熱鹽環(huán)流屬于多平衡態(tài)系統(tǒng)[127-128],其氣候變化綜合評估仍依賴于觀測數(shù)據(jù)的豐富和數(shù)值模擬手段的加強[129-131]。

總而言之,全球變暖可基于地球氣候系統(tǒng)熱力配置,提高強迫因子分異驅(qū)動和負反饋(耗散配置)機制,如導致氣候變暖暫緩[132],海洋環(huán)流聯(lián)動效應和多尺度變化是其重要的動力體現(xiàn),尤其是海洋熱帶化和副熱帶環(huán)流極向擴張或中高緯度多尺度變異增強等。然而需進一步關注的是,氣候變暖增強海洋副熱帶整體環(huán)流圈同時,強化西邊界流對表層水的極向輸運[133],加大海洋深層次通風過程[134],并通過海洋熱鹽環(huán)流等洋際交換的協(xié)同效應[135-136],不斷降低海洋經(jīng)向和緯向熱力梯度,減小海洋垂向熱力差異[137],增進地球氣候系統(tǒng)臨界狀態(tài)轉(zhuǎn)變,尤其是緯度配置,加快全球一致性變暖進程。相關機制機理研究尚有待系統(tǒng)建立和深入開展。下面圍繞海洋環(huán)流的洋際交換及協(xié)同效應做進一步探討。

3 氣候變化下海洋環(huán)流的洋際交換及協(xié)同效應

印度尼西亞海、南極繞極區(qū)、阿古哈斯回折區(qū)和白令海峽為洋際交換提供了重要樞紐通道[138]。鑒于地球氣候系統(tǒng)的整體性和海洋子系統(tǒng)的統(tǒng)一性,本節(jié)主要圍繞貫穿流、繞極流、熱鹽翻轉(zhuǎn)環(huán)流等,簡述氣候變化下海洋環(huán)流的洋際交換和協(xié)同效應。受地理位置(氣候分區(qū))、陸地分隔、形狀(如,經(jīng)向跨度)等大地形的影響,全球海洋表層熱收支的不平衡通過海洋的連通性由洋盆間的海洋環(huán)流來補償。印尼貫穿流鏈接太平洋和印度洋,除了表層熱鹽環(huán)流由太平洋向印度洋輸運外,中層(約1 000 m)西邊界強流及其翻轉(zhuǎn)也起了重要作用[139]。模式分析表明,印尼貫穿流呈現(xiàn)顯著減弱趨勢[140],且通過洋盆間的波動過程與大西洋經(jīng)向翻轉(zhuǎn)環(huán)流減弱產(chǎn)生動力關聯(lián)[141]。印尼貫穿流對全球和區(qū)域氣候的重要性體現(xiàn)于其對洋際海洋熱量再分配和大氣環(huán)流的影響[142-146],然而,由于復雜地形和時空變化的多樣性,對其觀測具有較大挑戰(zhàn)[147],進而影響到有關多尺度變化的評估[148]。

南極繞極流是全球海洋最大的環(huán)流,它不僅鏈接三大洋盆,增強洋際交換和調(diào)控全球經(jīng)向翻轉(zhuǎn)環(huán)流的發(fā)展演化[149],而且通過顯著的等密度線傾斜將深海與大氣連通,同時,對大氣熱量和CO2的海洋吸收起著關鍵作用[150]。風強迫是繞極流輸運變化的主要動力[151],且繞極流對南半球環(huán)狀模變化的響應敏感[152],有分析顯示,受西風加強的影響[48],繞極流具有向南遷移跡象和總體增強趨勢[153-155],并通過加快深層暖水的涌升為南極冰融提供熱量[156]。

北大西洋是全球海洋通過海氣相互作用關聯(lián)大氣與深海的顯著區(qū)域。其中,最重要的海洋動力體現(xiàn)是北大西洋經(jīng)向翻轉(zhuǎn)環(huán)流,它是全球熱鹽環(huán)流的重要組成和源流,前面主要針對熱鹽翻轉(zhuǎn)環(huán)流洋盆尺度的變化變率和趨勢演變作了探討,這里主要簡述其通過洋際交換的協(xié)同作用與影響。熱鹽翻轉(zhuǎn)環(huán)流受到浮力(密度梯度)強迫、垂向混合、局地風驅(qū)動、邊界波動、灣流和深層西邊界流輸運及內(nèi)部Sverdrup平衡調(diào)整的影響[157],主要通過淺層、深層和貫穿3個組分和跨密度面混合一個過程連通全球三維海洋[158-164],并經(jīng)能量、水分、熱鹽和碳循環(huán)與熱輻射調(diào)整及深海交換過程影響區(qū)域氣候變率、半球間的遙相關和全球氣候變化[165-166],其中,由翻轉(zhuǎn)環(huán)流主導的極向熱傳輸?shù)陌肭虿粚ΨQ性,會對氣候產(chǎn)生重要影響[167]。同時,經(jīng)向翻轉(zhuǎn)環(huán)流與海洋深層的層化密切相關,該大尺度環(huán)流通過經(jīng)向的熱輸運以及調(diào)控與大氣CO2的交換,極大地影響著地球氣候系統(tǒng)的變化,在海平面上升、北極融冰、厄爾尼諾-南方濤動(ENSO)事件暴發(fā)、臺風(颶風)產(chǎn)生以及極端氣溫等災害中具有重大作用[168-169]。目前由于觀測數(shù)據(jù)的缺乏,針對中、深層次經(jīng)向翻轉(zhuǎn)環(huán)流變化機制機理相關的理論和模擬還十分薄弱[170],對經(jīng)向翻轉(zhuǎn)環(huán)流的整體認識仍有待系統(tǒng)加強。總之,有關海洋環(huán)流洋際交換的協(xié)同效應研究,應更多地關注海洋環(huán)流引起的海洋環(huán)境梯度配置以及氣候與環(huán)境改變[171],尤其是跨界面多圈層和多尺度變化及其反饋機制。

4 氣候變化下海洋環(huán)流變異的海洋氣候與環(huán)境生態(tài)效應

圍繞熱鹽環(huán)流對氣候、生態(tài)和社會經(jīng)濟等的影響預估表明,翻轉(zhuǎn)環(huán)流的減弱降低了人類排放的CO2進入深海的強度,進而調(diào)控未來海洋對熱鹽的配置[172]和CO2的吸收[173-174]。熱鹽環(huán)流的減緩和停止會影響全球季風[175],引起北半球低溫氣候和全球海平面上升,至2150年,北大西洋沿岸海平面將上升約80 cm,對沿海和海岸帶的保護形成巨大挑戰(zhàn),同時由于生物生理熱鹽耐受所限,造成魚類等海洋資源缺失嚴重[176-178]。

氣候變化通過改變上升流系統(tǒng)物理、生物地球化學和生態(tài)特性,影響海洋生態(tài)系統(tǒng)的初級生產(chǎn)力,以及不同營養(yǎng)層次的生物產(chǎn)量和生物多樣性,如,物種豐度[179-180]。東邊界上升流系統(tǒng)是全球海洋經(jīng)濟和生態(tài)服務功能的重要貢獻者。對東邊界上升流系統(tǒng)強度、頻率和持續(xù)性的分析表明,溫室氣體的排放加大了晝夜溫差[181],從而增強了有利于上升流加強和持續(xù)的風場[182-185]。增強的上升流區(qū)會引發(fā)嚴重的海洋缺氧現(xiàn)象,影響海洋營養(yǎng)鹽和碳循環(huán)、生態(tài)生境和海洋生物生產(chǎn)力[186-187]。需指出的是,上升流過程還會進一步作用于氣候變化,減緩海洋暖化[181],降低海洋熱浪發(fā)生[188]。研究發(fā)現(xiàn),印度洋上升流區(qū)冷水的涌升以及表層的西向平流對印度洋偶極子(IOD)氣候模態(tài)的觸發(fā)具有重要作用[189]。并且,海洋環(huán)流通過涌升和下降過程影響深層次海洋熱輸送,模式分析顯示,氣候變暖背景下,暖水涌升和冷水下沉過程處于崩潰,而通過半球間的翻轉(zhuǎn)(暖水下沉)過程增強,使得深海趨于暖化[190]。另外,沿岸下降流在保持海水暖化的情形下,可增強海氣溫濕差異,加大臺風登陸的影響[191]。

大西洋和太平洋西邊界流在北半球環(huán)狀模建立與氣候影響中起著關鍵性作用[4]。分析表明,西邊界流還對海洋深層次暖化具有促進作用[192]。西澳大利亞邊界流強度在厄爾尼諾-ENSO 的調(diào)制下,對魚類等脆弱性生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生嚴重影響,由于氣候變化下極端ENSO 事件趨多[193],會進一步降低漁獲量和典型生態(tài)系統(tǒng)的恢復力,增強滅絕風險[194]。然而氣候變暖背景下針對不同氣候區(qū)、生境類型、營養(yǎng)層次和深度范圍的相關綜合風險評估還十分缺乏。

值得關注的是海洋環(huán)流對生態(tài)環(huán)境具有重要影響。海洋整體環(huán)流圈內(nèi)大海洋垃圾帶是Ekman動力學在表層環(huán)流的重要體現(xiàn)[195-197]。數(shù)值模擬分析顯示,受北太平洋副熱帶渦旋洋流系統(tǒng)的主導作用,日本福島核泄漏在海洋的傳輸路徑首先向東到達東太平洋,而后向南向西擴散至西太平洋[198]。包括核污水排放等后續(xù)相關的觀測和監(jiān)測研究具有重要的科學與實踐意義。

綜上所述,全球變暖背景下,海洋環(huán)流造成的海洋氣候與環(huán)境生態(tài)的關鍵風險在于,其通過界面交換、收支過程、緯度配置與海洋通風調(diào)節(jié)海洋高緯度和深層次暖化,調(diào)控海洋酸化[199],同時,海洋環(huán)流作為海洋碳循環(huán)和海洋含氧量變化的關鍵物理過程[200-201],會嚴重影響海洋生態(tài)系統(tǒng)的健康、生物多樣性維持以及海洋生產(chǎn)力發(fā)展[202-203],并引發(fā)海洋熱浪、臺風、極地融冰、海平面上升、海洋缺氧與珊瑚白化等氣候環(huán)境與生態(tài)災害[204-206]。然而,由于對環(huán)流本身觀測事實和歷史演變特征規(guī)律認識的不足,針對海洋環(huán)流變異與影響的關鍵風險評估仍存在很大的不確定性。目前,尤其應防范海洋熱帶化背景下極端災害風險的極向擴展,對于我國,致災危險性的北移,如熱帶、副熱帶中高緯度地區(qū)可能是今后極端災害防控的重要關注點。

5 存在不足

作為熱量、動量、氣體、水分、營養(yǎng)物質(zhì)、海洋生物、污染物和輻射物等能量物質(zhì)輸運的關鍵動力載體,海洋環(huán)流是海洋系統(tǒng)外源脅迫、熱鹽和生物地球化學平衡的大尺度動力學體現(xiàn),調(diào)節(jié)著天氣和氣候環(huán)境變化,維持和影響著海洋生命體系和生態(tài)系統(tǒng)的結構安全與功能健康。海洋中的運動受到多種強迫因子的脅迫驅(qū)動,并具有顯著的多時空尺度特征。認識海洋環(huán)流的三維體系結構以及季內(nèi)擾動振蕩、季節(jié)差異、年際和年代際變率與氣候演變趨勢等多尺度特征是海洋變化與氣候環(huán)境效應研究的關鍵科學問題。為了深入理解海洋環(huán)流的環(huán)境生態(tài)與氣候?qū)W意義,綜合本文有關氣候變化下海洋環(huán)流的洋域三維聯(lián)動效應、洋際交換協(xié)同效應以及氣候環(huán)境生態(tài)效應3個方面主要科學問題的研究現(xiàn)狀,提出相關研究的不足和未來需求方向。從而為我國海洋動力學研究與發(fā)展提供必要的科學依據(jù),也為我國海洋領域應對氣候變化以及全球變化下海洋與氣候綜合風險治理能力的提升提供科技支撐。

5.1 觀測研究

自20世紀初,海洋環(huán)流的觀測經(jīng)歷了海洋物理狀態(tài)片段性描述向全球化和長時序監(jiān)測方向發(fā)展的歷程,且以歐美發(fā)達國家海洋科考為主,海流測量方法和儀器也日益成熟。隨著熱帶海洋與全球大氣(TOGA)、世界大洋環(huán)流實驗(WOCE)、氣候變率及其可預報性(CLIVAR)、全球海洋觀測系統(tǒng)(GOOS)和全球海洋觀測計劃(ARGO)等全球性核心觀測計劃以及熱帶太平洋觀測系統(tǒng)2020(TPOS2020)和印度洋海洋觀測系統(tǒng)(Ind OOS)、西南太平洋海洋環(huán)流與氣候試驗(SPICE)和西北太平洋海洋環(huán)流與氣候試驗(NPOCE)等區(qū)域性觀測計劃的陸續(xù)實施,物理海洋學在海洋邊界流系統(tǒng)觀測、海洋內(nèi)部經(jīng)向翻轉(zhuǎn)環(huán)流及其跨等密度面混合等方面獲得了長足進展[207-215],并為海洋與全球能量平衡以及水分和碳循環(huán)等研究提供了堅實的海洋動力學基礎數(shù)據(jù)。我國也不斷參與和發(fā)起其中相關觀測計劃,取得了豐富的成果。然而,目前仍不能滿足氣候變化和全球變暖的熱動力機制機理分析與環(huán)境生態(tài)影響及風險預評估要求,同時,針對不同尺度過程、多維度層次(特別是中高緯和深層次[216])、特殊環(huán)境和精度要求的精細化觀測還十分不足。主流設備的進口依賴性較強,設備的可靠性、通用性和安全性等總體性能有待進一步提高。另外,通過定點測流、船載走航、漂浮測流、移動深潛、衛(wèi)星遙測反演等多平臺綜合性監(jiān)測、觀測、探測和勘測體系尚待完善,傳感、平臺和數(shù)據(jù)處理等技術的信息化、智能化、集成化和標準化程度仍待持續(xù)提升,同時,空天地海一體化、網(wǎng)絡化構建需逐步提上日程,進而不斷增強我國深海、遠洋和極地探測能力[217],助力我國在“深空”“深?！薄吧畹亍薄吧钏{”(簡稱“四深”)領域的綜合競爭力。

5.2 理論分析和應用研究

地球氣候系統(tǒng)異常復雜,海洋環(huán)流受到諸多驅(qū)動因子脅迫,由于數(shù)據(jù)的尚待豐富,目前針對海洋環(huán)流多尺度動力過程,圍繞其動力結構、外源脅迫、因應同頻、相因共振、作用通道、耦合疊加、選擇性響應、層次(尺度)限制、動力機制、反饋時效以及未來趨勢演變等產(chǎn)生的不確定性缺乏深入剖析,全球變暖所引發(fā)的海洋變化趨勢中容易忽略波導和渦流所引起的背景環(huán)流變化的復雜多樣性[218-220],重要的是,全球氣候一致性變化進程中,尤其氣候變暖背景下中高緯度地區(qū)各要素的不穩(wěn)定和不確定等非線性特征突出,多尺度演變特征和區(qū)域性差異顯著,正確認識全球氣候一致性變化、方向、路徑和進程與海洋環(huán)流多尺度演變之間的因應本質(zhì)是關鍵。當前,海洋環(huán)流氣候變化臨界特征明顯,相關結果結論尚需謹慎揭示與闡釋,尤其應結合全球氣候一致性變化與進程,認識全球海洋環(huán)流多尺度演變的復雜性波動響應和歸趨。同時,對垂向渦度通量和流速[221]、湍動混合等精準量化不足。在氣候變化下信號擾動振蕩疊加放大傳輸?shù)拇蟪叨刃?、作用貢獻量、對比分類分析和危險性風險程度評估[72,222]方面欠缺確定性或作用隸屬的測度理論方法。此外,對深層次海洋環(huán)流和垂向交換機制以及極區(qū)等中高緯海洋環(huán)流的認識還相當有限[49,223-224]。預報模型中的數(shù)據(jù)同化為海洋狀態(tài)演變的精準描述提供了保證[225],然而,精細化數(shù)據(jù)的匱乏會引起模型初始化偏差,造成分析結果結論的不確定性,妨礙對氣候變化下環(huán)流動力演變的深入認識和理解以及綜合環(huán)流理論的完善。目前,協(xié)同運用觀測數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)驅(qū)動重建,是提升模式性能的重要手段[226]。而圍繞三維海洋環(huán)流體系的整體認識以及針對包括人類活動在內(nèi)的外源脅迫、自然變率和氣候變化歸因的多圈層耦合的氣候模型有待完備,有關海洋觀測[227]和預測的國際合作和多學科交叉研究尚待進一步加強。因而,有關海洋環(huán)流的觀測、科學分析和研究結果結論的不確定性對全球變化下區(qū)域海洋與氣候動力學的認識和理解以及區(qū)域海洋與氣候變化綜合風險評估帶來諸多挑戰(zhàn)和機遇。

6 研究建議

結合以上研究現(xiàn)狀和不足,提出當前海洋環(huán)流有效觀測、復合理論方法和高分辨率模型相關科學問題的幾點研究建議。

(1)加快專精特新海洋觀測儀器研發(fā),加強國際合作,規(guī)劃升級全球海洋與氣候聯(lián)合立體探監(jiān)測網(wǎng)絡異構平臺,提高中高緯深遠海的海陸空實時綜合觀測與研究水平。

基于海洋環(huán)流理論發(fā)展、生態(tài)動力學模型與氣候變化模式性能提升對觀測數(shù)據(jù)的要求,開展中高緯度關鍵海域動力環(huán)境綜合監(jiān)測、探測和觀測,重點包括海洋輻射和污染物分布、微生物多樣性以及大氣氣溶膠沉降等調(diào)查,注重中深層環(huán)流變化、深層動力混合、海洋次表層過程、跨界面交換與輸運通量等的探測與觀測實驗以及海洋氣候和環(huán)境生態(tài)安全臨界點實時監(jiān)測。致力于發(fā)展空天地海一體化觀測網(wǎng)絡集成與多功能整合。

(2)深化氣候變化下中高緯海洋環(huán)流變異與海洋氣候和環(huán)境生態(tài)系統(tǒng)互作互饋機制機理理論研究,深入認知和探究全球氣候一致性和非均勻性(包括方向、路徑和進程等)變化與海洋環(huán)流多時空尺度演變因應本質(zhì)及臨界特征規(guī)律,為提升海洋環(huán)流與氣候環(huán)境生態(tài)效應的氣候診斷、歸因和預估能力提供理論基礎和技術支撐。

豐富中高緯度多外源脅迫、多尺度海洋環(huán)流動力學和海陸氣相互作用理論研究,深化深層水交換和跨尺度,如風和潮汐導致的湍動混合[158],擾動激發(fā)、耦合、傳播聯(lián)動的海洋深層次機制研究,結合大數(shù)據(jù)結構與密集驅(qū)動,更側(cè)重復雜響應反饋機制機理和因果關系[228]的數(shù)學物理新理論、新方法和新技術創(chuàng)新,同時,基于系統(tǒng)論和復雜科學理論,建立和完善全球氣候變化下海洋環(huán)流系統(tǒng)的臨界特征規(guī)律和臨界隸屬測度理論與應用。針對模型分辨率和小尺度過程體現(xiàn),發(fā)展人工智能海洋氣候數(shù)據(jù)處理、機器學習和數(shù)字孿生新工具、模式參數(shù)化和同化方案新技術,提高信噪比,不斷改進提高超算系統(tǒng)模型、算法和算力,有效提升氣候模式性能,為復雜氣候系統(tǒng)變化的檢測和歸因提供科技支撐。

(3)促進多學科交叉融合,服務“雙碳”戰(zhàn)略目標實現(xiàn),重點開展中高緯海洋環(huán)流與海洋氣候和環(huán)境生態(tài)安全綜合研究,為全球氣候變化和區(qū)域適應與應對路徑一體化方案提供科學依據(jù)。

開展氣候影響下中高緯度大洋環(huán)流變化,特別是崩壞和氣候突變、趨勢演變等與海氣相互作用、深遠海極區(qū)極端和復雜環(huán)境變遷、生態(tài)系統(tǒng)演替及海洋氣候與環(huán)境生態(tài)安全綜合研究。重點圍繞海洋碳循環(huán),尤其是海洋增匯,如碳泵機制和海洋含氧量變化等海氣動力過程,深遠海水交換的動力環(huán)境、大洋能量傳遞的極區(qū)影響、上升流區(qū)生態(tài)系統(tǒng)演變以及海洋動力影響下生態(tài)災害(赤潮、綠潮等)、臺風登陸、污染物(尤其是溢油、垃圾和輻射物質(zhì))[229]輸運等海洋環(huán)境安全問題,綜合物理、化學和生物學科前沿,開展海洋與氣候環(huán)境交叉學科新技術方法(如,生物基因技術、同位素技術、動態(tài)仿生仿真等)研究。構建海洋與氣候變化檢測診斷、歸因溯源、預測預估、影響區(qū)劃和風險治理的一體化路徑方案與技術體系,有效提高防災減災救災和急難險重突發(fā)公共事件處置保障能力,為我國海洋高質(zhì)量發(fā)展、海洋氣候與環(huán)境生態(tài)安全保障提供必要的科學參考和科技支撐服務,有效助推新時代海洋命運共同體構建,提升具有中國特色的全球海洋治理話語權。