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海洋热含量

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近几十年来，由于海洋吸收了人类引起的全球暖化产生的大部分多馀热量，海洋热含量有所增加。[1]

海洋热含量（英语：Ocean heat content，缩写：OHC）是指海洋吸收和储存的热能。为了计算海洋热含量，需要测量各地海洋不同位置和深度的温度，并积分整个海洋的热量面密度[注 1]，即可得出海洋总热量。[2]1971年至2018年间，海洋热含量的增加占全球暖化导致的地球过剩热能的九成以上。[3][4]海洋热含量增加的主要因素是温室气体排放增加。[5]:1228截至2020年，大约三分之一的过剩热量已传播到700公尺以下的深海。[6][7]2022年世界海洋热含量超过了2021年的记录，再度成为历史记录中最热的水平。[8]在2019至2022年间，北太平洋、北大西洋、地中海和南冰洋这四个地区打破了六十多年来的最高热量观测结果。[9]海洋热含量和海平面上升是气候变化的重要指标。[10]

海水容易吸收太阳能，并且热容量远大于大气气体。[6] 因此，海洋顶部几公尺所包含的热能比整个地球大气层还多。[11]早在1960年以前，研究船和研究站便已开始在世界各地对海面温度和更深处的温度进行了采样。此外，自2000年以来，由近4000个机器人组成的Argo计画拓展了测量能力，更能呈现了温度异常的情况和海洋热含量的变化。已知至少自1990年以来，海洋热含量就不断稳定增长，甚至加速增长。[3][12]2003-2018年间，在深度小于2000公尺的区域内，平均每年增加9.3泽焦耳（这相当于 0.58±0.08 W/m2 的能量增长速率）。测量的不确定性主要是来自测量精度、空间覆盖范围，及持续数十年不间断测量的三方面挑战。[10]

海洋热含量的变化对地球的海洋和陆地生态系统皆产生深远的影响；当中包含对沿海生态系统的多重影响。直接影响包括海平面和海冰的变化、水循环强度的变化以及海洋生物的迁徙和灭绝。[13][14]

计算

定义

基于季节和纬度的不同温跃层。 图片横轴表示温度；纵轴表示水温。

海洋热含量是“海洋储存的热量总量”，[15]因此需要先测量许多不同位置和深度的海洋温度才能计出海洋热含量。

对整个海洋的海洋热量密度进行积分，即可得出海洋总热量。[16]

两个深度之间积分如下：[17][2]

算是中 是海水的比热容，h2是深边界，h1是浅边界， 海水密度，是温度。在国际单位制中， 的单位为焦耳每平方米（J·m−2）。

务实上，可以透过一些近似函数简化测量与计算。海水密度是温度、盐度和压力的函数值。尽管在海洋深处寒冷且压力巨大，但由于水几乎不可压缩，且为稳定的液体状态，深海水密度已达到最大值。

温度与海洋深度的测量将描绘出上层混合层（0-200米）、温跃层（200-1500米）和深海层（>1500米）。这些界限深度只是粗略的近似值。阳光最大穿透深度约为200米；其中最上面的80米是光合作用海洋生物的生活区，覆盖地球表面超过70％的区域。[18]波浪作用和其他表面湍流有助于让上层性质更为均匀一致。

表面温度会随著纬度增加而递减；而世界上大多数地区的深海温度相对较低且均匀。[19]大约50％的海洋体积位于超过3000米的深度，其中太平洋是五个海洋区分中最大且最深的。温跃层是上层和深层之间的过渡区，涉及温度、养分流动、生物丰富度等多个层面。在热带地区，它是半永久性的；在温带地区，它是会随著季节变动；而在极地地区，它很浅，甚至不存在。[20]

测量

Argo阵列中活动浮标的全球分布[21]

海洋热含量的测量相当困难，尤其是在Argo剖面浮标部署之前。由于空间覆盖不足和数据质量不佳，有时很难区分长期全球暖化趋势和气候变异的影响。这些复杂因素的示例包括由于圣婴现象和重大火山爆发引起的海洋热含量变化。[10]

Argo是一个自21世纪初开始部署的机器人剖面浮标国际计划。[22] 该计划最初的3000个单元在2020年扩展到近4000个单元。在每个10天的测量周期开始时，浮标会下降到1000米的深度，漂流九天。然后，它会下降到2000米的深度，并在最后一天上升到表面时测量温度、盐度（电导率）和深度（压力）。在表面，浮标通过卫星中继传输深度剖面和水平位置数据，然后重复周期。[23]

从1992年开始，TOPEX/Poseidon和随后的Jason卫星系列观测到了垂直积分的海洋热含量，这是海平面上升的主要组成部分之一。[24] Argo和Jason测量之间的合作让海洋热含量和其他全球海洋特性的测量更为精准。[21]

热含量上升的原因

地表气温增加的速率比海洋表面温度快。这是因为海洋比大气更能吸收热量。
从1960年到2018年，地球气候系统各组成部分的能量累积情况（地球热库）以ZJ为单位。其中，上层海洋（0-300米，浅蓝色线条，以及0-700米，浅蓝色实心）占了最大的热量增益。[3]
自 1958 年以来海洋顶部 2000 米的全球热量含量[25]
海洋学家乔许·威利斯（Josh Willis）讨论了水的热容量，进行了一个实验来展示热容量：使用了一个水气球，并描述了水的储存热量能力如何影响地球的气候。

地球的热带表面水体吸收大量的太阳辐射热，并推动了海洋热的传播链，一路到达极地。海洋表面还会与下层对流层进行能量交换，因此对地球能量收支中的云层反照率、温室气体和其他因素也有交互作用。[6] 随著时间的推移，不平衡的能量收支使得热量通过热传导、下沉流和上升流，流入海洋各处。[26][27]

海洋是地球最大的热库，同时兼具能量的储存与释放的作用，可以调节行星的气候。[28] 海洋热含量主要透过蒸发向大气的释放，这也促使了行星的水循环。[29] 海洋表面温度较高时，集中的释放可生成热带气旋、大气河流、大气热浪以及其他极端天气事件，这些事件可以深入内陆地区。[16][30]

海洋还作为碳的储存和释放地，其在地球碳循环中的作用与陆地地区相当。[31][32] 根据亨利定律的温度依赖性，升温的表面水体较难吸收大气中的气体，包括来自人类活动的二氧化碳和其他温室气体。[33][34]

近期观察与变化

2020年上700米海洋热异常的地图，以1993年到2020年的平均值为基准。[35] 由于风和洋流等运输驱动因素，一些地区积累的能量比其他地区多。

近年来的众多独立研究发现上层海洋区域的海洋热含量十年的上升趋势，并且已经开始向更深的地区扩散。[36]

研究表明，自1971年以来，上层海洋（0-700米）已经升温，同时中等深度（700-2000米）可能也发生了升温，而深海（2000米以下）的温度可能也有所增加。[5]:1228 这种热量吸收是由于地球能量收支中持续存在的升温不平衡所导致的，刨根究底，是由人类活动排放的温室气体造成。[37]:41 从1960年代初到2010年代末，海洋吸收的人为排放二氧化碳的速率大约增加了两倍，这与大气二氧化碳的增加成正比。[38] 非常肯定，人为二氧化碳排放导致的海洋热含量增加在人类时间尺度上基本上是不可逆转的。[5]:1233

基于Argo测量的研究表明，海洋表面风，尤其是太平洋的信风，会改变海洋的热垂直分布。[39] 这导致洋流的变化，这也与圣婴现象和反圣婴现象有关。根据随机自然变异的波动，反圣婴年份将有大约30%的热从上层海洋层运输到更深的海洋中。此外，研究表明，观察到的海洋升温约有三分之一发生在700至2000米的海洋层。[40]

模型研究显示，在反圣婴年份，洋流在风循环变化后将更多的热量输送到更深的层次中。[41][42] 海洋热量吸收增加的年份通常与太平洋十年涛动的负相位有关。[43] 这对于气候科学家来说十分有趣，他们使用这些数据来估算海洋的热量吸收情况。

北大西洋大部分地区的上层海洋热量以热传输汇聚（洋流交汇的位置）为主。[44] 此外，2022 年关于人为海洋暖化的一项研究表明，1850年至2018年间北大西洋沿 25°N 的变暖有62% 存在于700m以下的水中。大部分海洋多馀的热量都被储存在那里。[45]

自1970年代以来，海洋2000公尺内平均升温，但海洋升温的速率因地而异，亚极北大西洋升温速度较慢；而南冰洋由于人为排放的温室气体，吸收了不成比例的大量热量。[5]:1230

相对于其他海域，2000米以下的深海升温在南冰洋地区最为显著。[5]:1230

影响

参见：全球变暖的效应

海洋暖化造成了珊瑚白化，[46] 也导致了海洋生物的迁徙，[47]并使海洋热浪更加频繁。[48] 大气环流和海洋洋流将行星内部能量重新分布，产生内部气候变异，通常以不规则振荡的形式呈现，[49] 并有助于维持温盐环流。[50] [51]

自1900年至2020年，海洋热含量的增加导致的热膨胀占全球海平面上升的30-40％。[52][53] 海洋热含量还加速了海冰、冰山和潮水冰河的融化。冰的损失降低了极地的反照率，放大了区域和全球的能量不平衡。[54] 北极海冰的融退也因此迅速而广泛。[55]同样在北极地区的峡湾，如格陵兰和加拿大的峡湾中也出现了冰融退。[56]对于南极海冰和广阔的南极冰棚，其影响因地区而异。由于海水的升温，影响正逐渐增加。[57][58] 2020年，特威茨冰棚及其西南极邻居的瓦解对于海平面上升贡献了约10%。[59][60]

2015年的一项研究得出结论，太平洋海域的海洋热含量增加被突然转移到了印度洋。[61]

深海的升温还有可能进一步融化并释放出在那里自然积累的大量甲烷冰的一部分。[62]

参见

注释

  1. ^ 热量面密度即同一高度平面下的热量密度。热量面密度因次是能量/距离

参考文献

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外部链接

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