image: 极地附近的海水存在于南极大陆边缘的海冰和冰架之下。海洋与海冰、冰架之间的相互作用导致南极的冰冻圈很容易受到南大洋增暖的影响。 view more
Credit: 该图片由Jingwei Zhang在2023年1月9日拍摄于Pleneau Island。
近日，《Science Bulletin》2023年第9期表了由澳大利亚联邦科学与工业研究组织蔡文炬院士领衔撰写的综述文章，共同作者包括来自中国、澳大利亚和美国的14位专家学者。该文章系统总结了南大洋增暖及其气候效应的研究进展，并提出下一步的重点突破方向。中高纬南大洋（30°S以南）盛行强劲的西风，能在整个环南大洋海域引发上升流并将海表面以下2~3公里的海水输运到海表面。该涌升的海水可追溯到几百年前北大西洋海水的下沉，这些冷和咸的海水在几百年后首次接触大气，可从大气中吸收大量的热和碳，进而对全球气候产生显著影响。但未来南大洋究竟能吸收多少由温室气体带来的热量，存在着很大的不确定性。比如基于全球最新一代气候模式集合（CMIP6），各模式在同样的温室气体排放场景下对南大洋吸热和增暖的模拟差异明显，吸热最多和最少的结果之间相差2倍。“如此大的差异性令人担忧，因为南大洋吸热的多少对于南极海冰、冰盖和冰架的融化（下图）、气候系统的热量平衡、南北半球的降水分配以及全球海平面上升等有决定性的影响” 蔡院士说到。
该团队通过总结最新研究进展、分析CMIP6多模式输出等方式深入探讨了未来南大洋吸热不确定性的成因。他们研究发现，该不确定性不仅仅与模式间的气候敏感性差异有关（气候敏感性指模式中地球表面温度提升1℃需要的辐射热量）。前人研究表明，南大洋吸热主要通过平均环流“被动”的对多余热量进行输运，而全球变暖导致的平均环流变化及其引发的热量调整贡献较小。该团队最新的分析则显示，模式在南大洋平均环流未来变化上的模拟差异对南大洋吸热的差异性结果贡献很大，甚至超过了气候敏感性差异带来的影响。比如全球变暖将导致南大洋的西风加强并向极扩展，但不同模式模拟的西风变化幅度有显著差别。西风加强后可以引起海洋上升流强度和分布的变化，后者继续作用于南极冰盖和冰架的融化，融化后的淡水注入到海洋并改变了海洋的垂向层结，反过来又能影响南大洋对热量和碳的吸收。“类似这样非常复杂的相互作用还有很多，有些我们对其过程和机理知之甚少，更不用说在模式中准确表达，这是造成南大洋吸热不确定性的重要因素” 蔡院士说到。
此外，该团队还发现全球变暖背景下其他海区背景场或气候模态的变化可通过遥相关过程影响到南大洋增暖并带来不确定性，比如地球气候系统最强的年际变异模态—厄尔尼诺。厄尔尼诺广为所知的是能引起西太平洋周边国家的干旱以及东太平洋周边国家的洪涝，但其实厄尔尼诺也可以减弱南大洋的西风，并造成南极陆架海域的增暖以及海冰、冰盖和冰架的融化。全球变暖背景下厄尔尼诺振幅的变化存在很大差异，出人意料的是，该差异对未来南大洋吸热的差异性有显著影响。“这些新发现使人们愈发意识到，预测南大洋吸热和增暖是气候科学中最复杂的问题之一” 蔡院士说到。
该文章指出，想要明晰全球变暖背景下南大洋的吸热和增暖水平，需要在模式中准确的模拟海冰、冰盖及冰架与增暖的相互作用、环流变化与碳循环的相互作用、热带-极地相互作用等物理过程，而当前理解这些科学问题本身就存在很大挑战，因此南大洋未来吸热的不确定性在很长时间内仍会持续；下一步需要国际社会在高时空分辨率观测、模拟以及机理认知上共同努力以取得该方向实质性的进展。
文章详情请见原文：
Cai Wenju, Gao Libao, Luo Yiyong, Li Xichen, Zheng Xiaotong, Zhang Xuebin, Cheng Xuhua, Jia Fan, Ariaan Purich, Agus Santoso, Du Yan, David M. Holland, Shi Jia-Rui, Xiang Baoqiang, Xie Shang-Ping. Southern Ocean warming and its climatic impacts. Science Bulletin, 2023, 68(9): 946-960
https://doi.org/10.1016/j.scib.2023.03.049
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Science Bulletin