过去60年观测到的大规模复合海洋状态变化：从表层到中深层的系统性证据

《Nature Climate Change》：Observed large-scale and deep-reaching compound ocean state changes over the past 60 years

　　本刊推荐：为揭示多重复合气候压力因子（CIDs）对海洋的协同影响，研究人员基于观测数据首次构建了全球海洋复合CIDs涌现评估框架。研究发现过去60年间热带大西洋、地中海等关键海域从表层至1000米深处均出现显著的温度-盐度-溶解氧复合变化，其中地中海三重涌现区域占比高达96%。该研究为理解海洋系统性变化及其对碳循环、渔业资源的连锁影响提供了关键科学依据。

　　

当我们谈论气候变化对海洋的影响时，往往聚焦于海平面上升或海水变暖等单一现象。然而真实的海洋正同时遭受着温度升高、酸度增加、氧气减少等多重压力的协同冲击。这种被称为"复合气候压力因子（Climatic Impact-Drivers, CIDs）"的现象，正在悄然改变海洋的物理化学环境，进而对全球生态系统产生深远影响。尽管已有研究关注个别海洋参数的变化，但对多重复合压力如何从海表延伸至深海、如何相互作用并影响海洋生物的认识仍存在巨大空白。

在此背景下，由中国科学院大气物理研究所牵头，联合法国墨卡托海洋国际等机构的科研团队，在《Nature Climate Change》发表了突破性研究。该研究首次基于观测数据系统评估了过去60年全球海洋复合CIDs的时空演变规律，揭示了从表层到1000米深处海洋系统的整体性变化。研究团队创新性地将信号涌现时间（Time of Emergence, ToE）方法应用于温度、盐度、溶解氧和pH值等多参数分析，构建了一套完整的复合CIDs评估框架。

关键技术方法方面，研究团队整合了多源观测数据集：采用中国科学院大气物理研究所（IAP）提供的1960-2023年全球海洋温度、盐度和溶解氧网格化数据（水平分辨率1°×1°，垂直119个标准深度层），以及哥白尼海洋环境监测服务的1985-2021年海表pH数据。通过信号涌现时间（ToE）算法，以25年LOWESS滤波识别长期变化信号，定义信噪比绝对值超过1为涌现阈值，并采用蒙特卡洛方法评估不确定性。研究特别关注了表层（0米）、透光层（0-200米）和中层（200-1000米）三个关键深度区间。

全球复合CIDs涌现的时空格局

研究显示，不同CIDs的涌现时间尺度存在显著差异。海表pH变化涌现最快，截至2023年几乎全球海表（近100%）都出现了相对于1985-1989年基准的酸化信号涌现，这主要归因于持续增加的人为二氧化碳排放。而温度、盐度和溶解氧的长期变化自1990年代初开始在全球20-60%的海域涌现（相对于1960-1989年基准）。

尤为重要的是，双重涌现（温度-盐度或温度-溶解氧组合）和三重涌现（温度-盐度-溶解氧组合）显示出明显的垂直分布特征。在透光层顶部，双重涌现面积占比约32%（13-48%），而到中层底部仍保持约11%（7-16%）的显著比例，表明复合变化已深入海洋内部。

区域热点与海洋过程关联

空间分布上，复合CIDs涌现呈现出明显的区域集中特征。亚热带北大西洋、热带大西洋、地中海和阿拉伯海等海域成为复合变化的热点区域。

地中海表现最为突出，透光层内双重和三重涌现区域占比高达96%。北大西洋副热带环流区（93%）和热带大西洋（71%）紧随其后。这些区域的变化与特定的海洋动力过程密切相关：北大西洋的暖化、脱氧和"盐度堆积"现象受到海气交换增强、水体层化变化和跨海盆输运的共同驱动；而阿拉伯海的三重涌现则与季风环流变化、红海高盐水入侵以及氧最小区（OMZ）的扩张加深密切相关。

海洋暴露度评估与生态影响

基于涌现强度、持续时间和变化幅度三个指标，研究团队构建了海洋对复合CIDs的暴露度评估体系。

结果显示，北大西洋副热带中央海区在透光层表现出中高程度的双重涌现暴露度（主要与暖化和盐化相关）。而地中海、北大西洋副热带环流及其西边界流（如墨西哥湾流）的透光层和中层则显示出高度的三重涌现暴露度。这些区域的共同特征是涌现持续时间长、强度大且变化幅度显著。

研究进一步揭示了复合CIDs之间的多元相互作用机制，包括联合关系（如温度盐度异常共同影响海洋层化和密度）、因果关系（如暖化导致溶解氧溶解度降低）以及复合关系（多种机制共同作用）。这些非线性相互作用可能产生协同、拮抗或叠加效应，深刻影响海洋生态系统。

对关键海洋过程的影响评估

为量化复合CIDs涌现的实际影响，研究团队分析了其与海洋生物碳泵、渔业活动及国际公海保护区的空间关联。

研究发现，当前全球有机碳输出量的48.28%来源于中高程度单一CIDs暴露区域，13.17%来自双重涌现区域，2.83%来自三重涌现区域。渔业方面，51.47%的高强度捕捞区域（大于0.01小时/平方公里）面临单一CIDs暴露，14.33%面临双重涌现威胁，3.01%位于三重涌现海域。特别值得关注的是，国家管辖范围以外海域（BBNJ）已有6%（表层）至38%（中层）的区域经历着双重或三重复合CIDs涌现，这对正在制定的公海保护协议具有重要指导意义。

研究结论与展望

这项研究首次从观测角度证实了过去60年间全球海洋经历了大规模、深达千米的复合状态变化。约25%的深海区域已显著暴露于两种以上CIDs的复合影响之下，标志着海洋正在向新的气候状态转变。复合CIDs框架不仅提供了理解海洋物理化学变化的新视角，更为评估气候变化对海洋生态系统的连锁影响提供了科学基础。

研究人员强调，当前基于CMIP6模型的比较显示，在模拟次表层盐度和溶解氧变化方面存在较大不确定性，因此单纯依赖模型集合平均进行未来风险评估需谨慎。随着复合CIDs的持续演变，亟需加强多参数生物地球化学观测，并将复合关系纳入物种分布模型和气候包络模型，以更准确预测其对海洋生物多样性和渔业资源的长期影响。

该研究建立的复合CIDs评估框架可作为科学政策接口工具，指导海洋保护区的设立、环境影响评估的实施，以及基于生态系统的渔业管理策略的制定。在海洋暖化持续加剧的背景下，理解并应对复合海洋变化已成为确保海洋可持续性和人类社会福祉的紧迫任务。