全球氣候變化下海洋環流多尺度演變:聯動協同與環境生態效應初探

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過程重點實驗室 廈門 361005)

0 引言

海洋是地球氣候系統的重要成員[1],海洋環流則是系統內物質能量輸運、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、經濟魚類密集、海洋生產力分區和海洋可再生能源開發的主要動力途徑[3-5],作為海洋與天氣氣候模式的重要塑造力[6-7],海洋環流更是海洋與氣候孕災、成災、災變與協同致災的直接動力基礎[8]。尤其海洋充當地球系統中最大的碳庫,在全球氣候變化中起著控制性作用。其中海洋環流通過熱量配置以及調控海洋對大氣中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,隨著世界大洋環流實驗(WOCE)的實施,各大洋西邊界流得到觀測,海洋環流要素得到量化,全球海洋環流的物理圖景逐步建立[10]。同時,有關海洋環流結構與變化,及其通過參與生物地球化學循環和海氣相互作用等過程影響海洋與氣候、生物生態和冰凍圈的認識也不斷豐富,取得了較大進展。深入認識海洋環流多尺度特征、趨勢演變及其海洋氣候與環境生態效應,是當前踐行人與自然和諧共生的生態文明思想和實現海洋氣候與環境生態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,不同洋盆各類型環流體系和分支具有獨特性,差異明顯[11]。為系統透析和深化對海洋環流本身復雜性及其氣候與生態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流鏈接,從全球海洋系統整體性視角,突出大尺度海洋環流的聯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流的洋域三維聯動效應、洋際交換協同效應以及氣候環境生態效應3個方面簡述海洋環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量可持續發展、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 氣候變化下海洋環流熱動力學驅動因子演變特征

海洋環流一般由海洋內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(包括內潮和湍動混合動力過程等)驅動[12-13]。為理解海盆尺度和全球三維海洋環流的多尺度運動,尤其是低頻尺度動力特征和趨勢規律,本節首先簡述氣候變化下海洋環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 年平均溫升較工業化前(1850—1900年)增加0.99℃,而2011—2020年相比工業化前增暖了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減小趨勢[15]。海洋是地球氣候系統最重要的組成部分。海洋吸積的熱量通過海洋經向環流輸送至中高緯度海域,是維持地球系統能量平衡的重要機制,調節著全球氣候變化。通過海洋不同氣候態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控作用[17]。

作為氣候系統的核心過程之一,水循環是聯系地球各圈層能量轉移的重要渠道,也是不同水體交換、遷移運動的驅動機制[18]。對淡水通量(蒸發與降水之差)的分析表明,氣候變暖雖傾向于增強全球水循環,然而極區體現了更強的物質能量與水分循環特征,導致高緯度地區更為淡化,中低緯度地區則趨于咸化。這種趨勢可弱化海洋經向鹽度梯度,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“干更干、濕更濕”模式驅動,海洋呈現“咸更咸、淡更淡”的發展態勢[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[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展。海洋酸化對海洋生物多樣性和生態系統功能產生了嚴重影響[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

季風為海陸熱力驅動下的大尺度環流,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流的位置、強度和持續時間[30]。數據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,熱帶大氣環流中緯向Walker環流呈減弱趨勢[43]。Hadley環流與Ferrel環流表現為減弱,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,地球氣候系統熱能量增加[53],系統臨界狀態明顯,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],大氣強迫體現為熱帶環流的普遍減弱,以及副熱帶環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,受環境梯度的影響,氣候變暖的擾動激發,使得中高緯度地區的響應日趨顯著,尤其地球氣候系統狀態平衡的能級和級聯調整與轉換過程中的不確定性、突發性和聯合致災危險性將可能在相應地區加劇,嚴重影響人類的生存和發展,因此,從地質學[56]和星系尺度(如,衛星尺度、行星尺度和恒星尺度),特別是結合月地、日地系統結構和穩定性[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流體系及三維聯動效應

對海洋三維環流的認識,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系統影響的基礎和關鍵。本節圍繞海盆尺度大洋環流的緯向配置、垂向交換和經向輸運特征,分析氣候變暖背景下大洋環流體系的三維聯動效應和趨勢變化。整體洋盆的環流體系一般由位于副熱帶(熱帶環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流圈(如副熱帶環流、亞極地環流和南半球的巨型環流[59])支配,其西邊界則為西邊界流系統,其中低緯度西邊界流源于赤道流系及其分岔。為體現洋盆尺度環流的三維動力結構與聯動效應,這里討論的環流類型主要包括大洋內部整體環流圈以及赤道流、潛流、上升流、下降流、大洋邊界流等。

數據與模式分析發現,南北半球副熱帶環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流圈增強了約10%[62]。北太平洋副熱帶環流圈的增強主要源于風應力的加大[63]。衛星和ARGO 數據分析顯示,南太平洋副熱帶環流圈在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流圈[65]。北大西洋副熱帶環流在20世紀90年代中期存在由強變弱的突變,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,南大西洋副熱帶環流圈趨于增強,并具有極向擴展趨勢[67]。另外,南半球環狀模正位相和西風加大背景下,南半球的巨型環流圈趨于增強[68-69]。總體上,海洋副熱帶環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流,且在季節和年際變化尺度具有諸多共有特點[70]。模式結果顯示,受Walker環流減弱的影響,赤道環流趨于減弱[71]。然而,就熱帶大洋平均環流而言,對其的能量(以全球積分總動能為表征)分析表明,在表層風驅動增強下可表現出顯著增強趨勢,由于缺乏深層環流數據且僅考慮風強迫下(未考慮浮力強迫、潮汐引發的湍動混合等[72-73])的機械能輸入與轉換部分,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流圈的同時,也增強了南大洋緯向環流。另外,海洋暖化可加速全球海洋77%的上層環流,而對深層環流主要起減緩作用[75]。

赤道太平洋因其大的緯向跨度,在全球氣候系統中具有重要地位。其平均態的微小變動足以驅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。有數據分析顯示,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(雖為多種機制驅動,這里可看作為表層環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,由于基礎數據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,大洋環流的緯向三維配置特征規律還存在很大不確定性。研究結果總體表明,低緯度海洋環流可能趨于弱化,而熱帶和副熱帶上層海洋環流主要以增強為主,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常可通過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,受數據限制,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、變性和生消的動態演化和深層次特征規律研究尚待深入系統開展。

上升流系統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系統的特點,信風使得海洋熱量和質量在海盆西部累積,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、生物地球化學循環以及食物網鏈動力學耦合綜合影響上升流生態系統,并具有顯著的年際和年代際變率[85]。特別是,由于熱量和質量在緯向上的再配置,加之赤道低與副熱帶環流區高的溫躍層經向模態,以及不同的營養鹽分布和高緯度混合與鋒區影響,使得不同東邊界上升流生態系統具有經向依賴性[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持續期加大、強度增加趨勢[86-87]。然而,大洋東邊界上升流生態系統在風場動力強迫、營養鹽深度調控、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],不同區域上升流系統氣候變化有待系統研究。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的生態重要性,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],由于數據的不足,下降流相關研究較少。鑒于海洋環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 經向輸運

東西邊界流受到風驅動、斜壓強迫、地形影響與年際和年代際氣候變率調控[92],具有多尺度特征[93],并在海洋經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域氣候產生的嚴重影響,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,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控,并無趨勢性變化[98]。但在季風驅動和地形地貌的影響下,印度洋邊界流可通過季節性上升和下降流對生物地球化學循環和生物生態系統產生顯著影響[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能量的失衡。而地球系統的能量平衡則主要由經向環流來維持。其中,熱鹽環流是海洋中經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],大西洋翻轉環流(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流的代表,它是地球系統年代際氣候變率和氣候突變的重要機制[107-109],同時,大西洋翻轉環流被認為是地球氣候系統(網絡)重要的臨界要素,大西洋溫鹽環流與其他臨界要素之間的關聯和遙相關是分析地球氣候系統穩定性(如,躍遷和崩潰等)的關鍵科學問題[110]。分析表明,大西洋翻轉環流年代際變化明顯,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調關系[111-113]。氣候變化下全球大洋熱鹽環流演變的評估尤為重要。數據與模式預估分析顯示,大西洋經向翻轉環流具有減弱傾向[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環流的減弱[117],而南大西洋底層水的暖化使得上層翻轉環流圈增強了約5%～10%,進而可能抵消其減弱趨勢[118]。近期有分析表明,過去30年北大西洋經向翻轉環流狀態穩定[119-120]。目前,有關大西洋經向翻轉環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,印太翻轉環流增強約30%[123],其中印度洋一致性增暖對其具有重要貢獻[124]。太平洋淺層經向翻轉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,不同緯度熱傳輸的異常變化與風驅動下西傳的Rossby波有關[125]。數據和模式分析表明,整體而言,全球大洋熱鹽環流自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流屬于多平衡態系統[127-128],其氣候變化綜合評估仍依賴于觀測數據的豐富和數值模擬手段的加強[129-131]。

總而言之,全球變暖可基于地球氣候系統熱力配置,提高強迫因子分異驅動和負反饋(耗散配置)機制,如導致氣候變暖暫緩[132],海洋環流聯動效應和多尺度變化是其重要的動力體現,尤其是海洋熱帶化和副熱帶環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],并通過海洋熱鹽環流等洋際交換的協同效應[135-136],不斷降低海洋經向和緯向熱力梯度,減小海洋垂向熱力差異[137],增進地球氣候系統臨界狀態轉變,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建立和深入開展。下面圍繞海洋環流的洋際交換及協同效應做進一步探討。

3 氣候變化下海洋環流的洋際交換及協同效應

印度尼西亞海、南極繞極區、阿古哈斯回折區和白令海峽為洋際交換提供了重要樞紐通道[138]。鑒于地球氣候系統的整體性和海洋子系統的統一性,本節主要圍繞貫穿流、繞極流、熱鹽翻轉環流等,簡述氣候變化下海洋環流的洋際交換和協同效應。受地理位置(氣候分區)、陸地分隔、形狀(如,經向跨度)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也起了重要作用[139]。模式分析表明,印尼貫穿流呈現顯著減弱趨勢[140],且通過洋盆間的波動過程與大西洋經向翻轉環流減弱產生動力關聯[141]。印尼貫穿流對全球和區域氣候的重要性體現于其對洋際海洋熱量再分配和大氣環流的影響[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[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流,它不僅鏈接三大洋盆,增強洋際交換和調控全球經向翻轉環流的發展演化[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大氣與深海的顯著區域。其中,最重要的海洋動力體現是北大西洋經向翻轉環流,它是全球熱鹽環流的重要組成和源流,前面主要針對熱鹽翻轉環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同作用與影響。熱鹽翻轉環流受到浮力(密度梯度)強迫、垂向混合、局地風驅動、邊界波動、灣流和深層西邊界流輸運及內部Sverdrup平衡調整的影響[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],并經能量、水分、熱鹽和碳循環與熱輻射調整及深海交換過程影響區域氣候變率、半球間的遙相關和全球氣候變化[165-166],其中,由翻轉環流主導的極向熱傳輸的半球不對稱性,會對氣候產生重要影響[167]。同時,經向翻轉環流與海洋深層的層化密切相關,該大尺度環流通過經向的熱輸運以及調控與大氣CO2的交換,極大地影響著地球氣候系統的變化,在海平面上升、北極融冰、厄爾尼諾-南方濤動(ENSO)事件暴發、臺風(颶風)產生以及極端氣溫等災害中具有重大作用[168-169]。目前由于觀測數據的缺乏,針對中、深層次經向翻轉環流變化機制機理相關的理論和模擬還十分薄弱[170],對經向翻轉環流的整體認識仍有待系統加強。總之,有關海洋環流洋際交換的協同效應研究,應更多地關注海洋環流引起的海洋環境梯度配置以及氣候與環境改變[171],尤其是跨界面多圈層和多尺度變化及其反饋機制。

4 氣候變化下海洋環流變異的海洋氣候與環境生態效應

圍繞熱鹽環流對氣候、生態和社會經濟等的影響預估表明,翻轉環流的減弱降低了人類排放的CO2進入深海的強度,進而調控未來海洋對熱鹽的配置[172]和CO2的吸收[173-174]。熱鹽環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,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物理、生物地球化學和生態特性,影響海洋生態系統的初級生產力,以及不同營養層次的生物產量和生物多樣性,如,物種豐度[179-180]。東邊界上升流系統是全球海洋經濟和生態服務功能的重要貢獻者。對東邊界上升流系統強度、頻率和持續性的分析表明,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的風場[182-185]。增強的上升流區會引發嚴重的海洋缺氧現象,影響海洋營養鹽和碳循環、生態生境和海洋生物生產力[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],降低海洋熱浪發生[188]。研究發現,印度洋上升流區冷水的涌升以及表層的西向平流對印度洋偶極子(IOD)氣候模態的觸發具有重要作用[189]。并且,海洋環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(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 的調制下,對魚類等脆弱性生態系統產生嚴重影響,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系統的恢復力,增強滅絕風險[194]。然而氣候變暖背景下針對不同氣候區、生境類型、營養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流對生態環境具有重要影響。海洋整體環流圈內大海洋垃圾帶是Ekman動力學在表層環流的重要體現[195-197]。數值模擬分析顯示,受北太平洋副熱帶渦旋洋流系統的主導作用,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相關的觀測和監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,海洋環流造成的海洋氣候與環境生態的關鍵風險在于,其通過界面交換、收支過程、緯度配置與海洋通風調節海洋高緯度和深層次暖化,調控海洋酸化[199],同時,海洋環流作為海洋碳循環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系統的健康、生物多樣性維持以及海洋生產力發展[202-203],并引發海洋熱浪、臺風、極地融冰、海平面上升、海洋缺氧與珊瑚白化等氣候環境與生態災害[204-206]。然而,由于對環流本身觀測事實和歷史演變特征規律認識的不足,針對海洋環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、營養物質、海洋生物、污染物和輻射物等能量物質輸運的關鍵動力載體,海洋環流是海洋系統外源脅迫、熱鹽和生物地球化學平衡的大尺度動力學體現,調節著天氣和氣候環境變化,維持和影響著海洋生命體系和生態系統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動,并具有顯著的多時空尺度特征。認識海洋環流的三維體系結構以及季內擾動振蕩、季節差異、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境效應研究的關鍵科學問題。為了深入理解海洋環流的環境生態與氣候學意義,綜合本文有關氣候變化下海洋環流的洋域三維聯動效應、洋際交換協同效應以及氣候環境生態效應3個方面主要科學問題的研究現狀,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展提供必要的科學依據,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,海洋環流的觀測經歷了海洋物理狀態片段性描述向全球化和長時序監測方向發展的歷程,且以歐美發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)、世界大洋環流實驗(WOCE)、氣候變率及其可預報性(CLIVAR)、全球海洋觀測系統(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2020(TPOS2020)和印度洋海洋觀測系統(Ind OOS)、西南太平洋海洋環流與氣候試驗(SPICE)和西北太平洋海洋環流與氣候試驗(NPOCE)等區域性觀測計劃的陸續實施,物理海洋學在海洋邊界流系統觀測、海洋內部經向翻轉環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等研究提供了堅實的海洋動力學基礎數據。我國也不斷參與和發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境生態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、衛星遙測反演等多平臺綜合性監測、觀測、探測和勘測體系尚待完善,傳感、平臺和數據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提升,同時,空天地海一體化、網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”“深海”“深地”“深藍”(簡稱“四深”)領域的綜合競爭力。

5.2 理論分析和應用研究

地球氣候系統異常復雜,海洋環流受到諸多驅動因子脅迫,由于數據的尚待豐富,目前針對海洋環流多尺度動力過程,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生的不確定性缺乏深入剖析,全球變暖所引發的海洋變化趨勢中容易忽略波導和渦流所引起的背景環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各要素的不穩定和不確定等非線性特征突出,多尺度演變特征和區域性差異顯著,正確認識全球氣候一致性變化、方向、路徑和進程與海洋環流多尺度演變之間的因應本質是關鍵。當前,海洋環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的大尺度效應、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,對深層次海洋環流和垂向交換機制以及極區等中高緯海洋環流的認識還相當有限[49,223-224]。預報模型中的數據同化為海洋狀態演變的精準描述提供了保證[225],然而,精細化數據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流動力演變的深入認識和理解以及綜合環流理論的完善。目前,協同運用觀測數據和數據驅動重建,是提升模式性能的重要手段[226]。而圍繞三維海洋環流體系的整體認識以及針對包括人類活動在內的外源脅迫、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域海洋與氣候動力學的認識和理解以及區域海洋與氣候變化綜合風險評估帶來諸多挑戰和機遇。

6 研究建議

結合以上研究現狀和不足,提出當前海洋環流有效觀測、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,加強國際合作,規劃升級全球海洋與氣候聯合立體探監測網絡異構平臺,提高中高緯深遠海的海陸空實時綜合觀測與研究水平。

基于海洋環流理論發展、生態動力學模型與氣候變化模式性能提升對觀測數據的要求,開展中高緯度關鍵海域動力環境綜合監測、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查,注重中深層環流變化、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境生態安全臨界點實時監測。致力于發展空天地海一體化觀測網絡集成與多功能整合。

(2)深化氣候變化下中高緯海洋環流變異與海洋氣候和環境生態系統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)變化與海洋環流多時空尺度演變因應本質及臨界特征規律,為提升海洋環流與氣候環境生態效應的氣候診斷、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、耦合、傳播聯動的海洋深層次機制研究,結合大數據結構與密集驅動,更側重復雜響應反饋機制機理和因果關系[228]的數學物理新理論、新方法和新技術創新,同時,基于系統論和復雜科學理論,建立和完善全球氣候變化下海洋環流系統的臨界特征規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,發展人工智能海洋氣候數據處理、機器學習和數字孿生新工具、模式參數化和同化方案新技術,提高信噪比,不斷改進提高超算系統模型、算法和算力,有效提升氣候模式性能,為復雜氣候系統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”戰略目標實現,重點開展中高緯海洋環流與海洋氣候和環境生態安全綜合研究,為全球氣候變化和區域適應與應對路徑一體化方案提供科學依據。

開展氣候影響下中高緯度大洋環流變化,特別是崩壞和氣候突變、趨勢演變等與海氣相互作用、深遠海極區極端和復雜環境變遷、生態系統演替及海洋氣候與環境生態安全綜合研究。重點圍繞海洋碳循環,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境、大洋能量傳遞的極區影響、上升流區生態系統演變以及海洋動力影響下生態災害(赤潮、綠潮等)、臺風登陸、污染物(尤其是溢油、垃圾和輻射物質)[229]輸運等海洋環境安全問題,綜合物理、化學和生物學科前沿,開展海洋與氣候環境交叉學科新技術方法(如,生物基因技術、同位素技術、動態仿生仿真等)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公共事件處置保障能力,為我國海洋高質量發展、海洋氣候與環境生態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。