Basic Info

• Title: A global overview of marine heatwaves in a changing climate / 全球气候变化下海洋热浪的全球概览
• The author: Antonietta Capotondi, Regina R. Rodrigues, Alex Sen Gupta
• Journal: Communications Earth & Environment
• Publication date: 2024 年

1. What did the author do

作者对海洋热浪（Marine Heatwaves, MHWs）进行了全面综述，主要内容包括：

1. 重新评估海洋热浪的定义，以适应气候变化背景下的研究需求。
2. 分析了海洋热浪的三维结构及其演变特征，包括表层和次表层的温度异常现象。
3. 探讨了海洋热浪的主要驱动因素以及与其他极端事件（如低氧、高酸性）的复合效应。
4. 评估了海洋热浪的预测能力，分析了当前模型的优劣势，并提出改进方向。
5. 讨论了未来海洋热浪在频率、强度和影响范围上的变化趋势。
6. 强调了观测系统和数据整合对研究进展的重要性。

2. Why they do this

背景动机

1. 全球气候变化背景下海洋热浪的突出影响 随着全球变暖，海洋热浪（Marine Heatwaves, MHWs）的发生频率、强度和持续时间显著增加。这些热浪不仅影响海洋生态系统，如珊瑚白化、大量海洋物种死亡，还对依赖海洋资源的经济活动（如渔业和旅游业）带来了显著冲击。需要更深入地了解这些现象的成因与特征，以制定适应性管理和应对策略。

2. 生态与经济的双重挑战

   • 生态影响：海洋热浪对关键物种和栖息地的影响深远，如破坏珊瑚礁生态系统、减少渔业资源等，甚至可能导致生态系统功能的崩溃。
   • 经济冲击：由于热浪引发的资源减少和环境恶化，沿海地区经济活动受到严重影响，迫切需要提升对热浪事件的预测能力，为早期预警提供技术支持。

3. 研究现状的局限

   • 目前的研究主要集中在表层海洋热浪，而忽略了次表层温度异常的显著性和持续时间，这些现象可能对深海生物和生态系统造成更长期的影响。
   • 传统的固定基线方法在气候变暖背景下可能失效，导致对长期趋势的误判。
   • 对复合极端事件（如热浪与低氧、高酸性共同发生）研究不足，这限制了对这些事件全面影响的理解。

研究意义

1. 提升对海洋热浪的综合理解 本研究通过系统性综述填补了现有知识的空白，尤其是在次表层热浪特征、复合事件和未来预测等方面，为科学研究提供了重要的理论基础。

2. 为生态管理和政策制定提供科学依据 通过提升对海洋热浪的预测能力，能够帮助沿海社区和行业（如渔业、旅游业）制定更有效的应对策略，从而减少经济损失和生态风险。

3. 应对气候变化的全球挑战

   • 在气候变暖的大背景下，理解海洋热浪的演变规律有助于评估其对全球生态系统和人类社会的长期影响。
   • 本研究为海洋管理提供了一种更加精细化的工具，帮助缓解气候变化带来的负面效应。

关键问题

作者特别提出了以下核心问题，作为研究和综述的基础：

1. 海洋热浪的表层和次表层事件有哪些异同，如何通过新的观测手段更全面地表征这些事件？
2. 大尺度气候模态（如 ENSO）的作用如何改变海洋热浪的区域模式和长期趋势？
3. 海洋热浪与其他极端事件（如低氧、高酸性）的复合作用如何对生态系统和经济活动造成叠加影响？
4. 在气候变暖趋势下，如何改进预测系统，使其能够准确预测热浪的发生及其生态后果？

3. How they did it

1. 引言（Introduction）

1. 研究背景
   • 海洋热浪（Marine Heatwaves, MHWs）是指海表温度异常升高的极端天气事件，其频率、强度和影响范围在全球变暖背景下显著增加。
   • MHWs 对海洋生态系统（如珊瑚礁、渔业资源）和人类活动（如渔业、旅游业）产生了深远的影响，成为近年来海洋科学研究的重点领域。
2. 综述目的
   • 提出本文旨在总结海洋热浪的最新研究进展，涵盖其定义、驱动机制、复合事件、预测能力及未来趋势，梳理研究中的关键问题和未来方向。

2. 海洋热浪的定义与关键特性

海洋热浪的定义

1. 传统定义

   • 海洋热浪（Marine Heatwaves, MHWs）被定义为：

     • 时间标准：日均海表温度（SST）异常连续超过 5 天。
     • 温度标准：这些异常需超过气候基线 90% 百分位值（基于 30 年气候数据的统计计算）。
     • 区域性差异：气候基线根据不同区域的历史气候数据调整，反映当地正常温度波动范围。

   • 优点：传统定义具有标准化优势，便于全球范围内对比不同区域的 MHW 特性和趋势。

   • 局限性：

     • 固定基线问题：随着气候变暖，全球海洋温度基线逐步升高，这可能导致部分区域持续处于“热浪状态”，使传统定义失去科学意义。
     • 未考虑生态影响：单纯的物理定义忽略了生态系统的响应。例如，珊瑚礁可能在较低的温度升高下发生白化，而传统定义可能无法捕捉这一关键影响。

2. 动态基线的改进建议
   • 动态基线方法：将气候基线调整为随时间变化的动态百分位值，剔除长期升温趋势，捕捉真正的异常事件。
     • 动态基线能更准确反映 MHW 的相对强度和频率变化，适用于长期变暖背景。
   • 生态阈值方法：结合生态响应数据（如珊瑚白化或鱼类行为阈值）重新定义 MHW，更适合评估对生态系统的直接影响。

海洋热浪的关键特性

1. 时间特性

   • 持续时间：MHW 的持续时间从几天到几个月不等，部分区域（如东北太平洋的“Blob”事件）甚至持续数年。
   • 季节性规律：MHW 事件通常在夏季最为强烈，与局地大气和洋流模式密切相关。

2. 空间特性

   • 区域性分布：
     • 热带区域：MHW 更频繁，受 ENSO（厄尔尼诺-南方涛动）等气候模态驱动显著。
     • 中高纬度区域：MHW 强度更高，但频率较低，与局地大气过程（如高压系统）相关。
   • 传播模式：MHW 可从表层向深层传播形成次表层热浪，也可能沿洋流扩展至其他区域。

3. 强度与频率

   • 强度定义：SST 异常的幅度直接衡量热浪强度。
     • 弱热浪：接近 90% 百分位阈值。
     • 极端热浪：远超 90% 百分位（如“Blob”事件）。
   • 频率变化：近年来全球 MHW 的发生频率呈上升趋势，特别是在热带和西太平洋区域最为显著。

4. 表层与次表层特性

   • 表层特性：大部分 MHW 研究集中于表层，因其直接受太阳辐射和风场变化影响。
   • 次表层特性：次表层 MHW 可持续更长时间，但难以监测，其影响通常对深海生态系统至关重要。

3. 海洋热浪的驱动机制

1. 大气驱动

• 大气高压系统：
  • 持续的高压系统会导致云量减少、太阳辐射增加，从而驱动海洋表层温度升高。
  • 高压系统的稳定性还会限制大气的水平和垂直混合，加剧局地升温。
• 风场变化：
  • 弱风环境下，海洋表层的垂直混合减少，限制了深层冷水的上升补偿作用，从而使热量积累在表层。
  • 风场异常与大气波动相结合会进一步加剧局地海洋热浪。
• 干旱与降水异常：
  • 干旱期间，降水减少导致海洋表层蒸发冷却作用减弱。
  • 在某些区域，降水异常（如热带气旋）可能通过改变热通量促进局地海洋热浪形成。

2. 海洋驱动

• 洋流输送与局地环流：
  • 暖流（如黑潮和墨西哥湾流）的异常输送会增加局地海表温度，从而引发热浪。
  • 局地洋流（如次表层涡旋）通过水平输送与垂直混合影响热浪的深层扩展。
• 温跃层变化：
  • 温跃层的抬升或增强限制了深层冷水的上涌，使热量被困在表层，延长了热浪的持续时间。
  • 温跃层对次表层热浪的形成至关重要。
• 内波与次表层过程：
  • 内波的传播和破碎可以导致深层温度异常，对次表层热浪形成有显著影响。
  • 此类过程通常难以观测，但可能对深海生态系统产生深远影响。

3. 大尺度气候模态的作用

• ENSO（厄尔尼诺-南方涛动）：
  • 厄尔尼诺现象期间，热带东太平洋区域 MHW 发生频率和强度显著增加。
  • 拉尼娜现象则增加了西太平洋和印度洋区域的热浪概率。
  • ENSO 的变化通过调节海洋热通量和环流模式对全球热浪分布产生深远影响。
• PDO（太平洋年代际振荡）与 AMO（大西洋多年代际振荡）：
  • PDO 和 AMO 对不同区域的海温模式具有长期调节作用，影响热浪的区域性特征。
  • 例如，PDO 的正位相往往伴随北太平洋热浪的显著增加。

4. 复合作用与局地增强

• 大气与海洋过程的交互：
  • 大气高压系统与洋流异常常共同作用，导致热浪的强度和持续时间显著增加。
  • 局地风场变化可能通过改变表层混合与垂直输送，增强热浪的局地性特征。
• 气候变暖背景：
  • 长期的气候变暖趋势增加了热浪形成的基础条件，使极端事件更容易发生。
  • 温度长期上升还改变了热浪的区域分布模式，使热浪逐渐从热带扩展到中高纬度区域

4. 复合极端事件

复合极端事件的定义与背景

1. 定义 复合极端事件是指海洋热浪（MHWs）与其他极端海洋现象（如低氧、高酸性或低叶绿素浓度）同时发生的现象。

   • 复合特性：这些事件通常通过叠加效应对生态系统和社会经济造成更严重的影响。
   • 独特性：复合事件的发生不仅依赖于单一驱动机制，还涉及大气、海洋和生态过程的综合作用。

2. 背景

   • 气候变暖增加了复合事件的频率和强度，使得单一极端事件的生态与经济风险进一步扩大。
   • 研究复合事件的机制与影响对于理解多重压力下的生态响应和制定应对策略具有重要意义。

复合极端事件的类型与特征

1. 主要类型

   1. 热浪与低氧：
      • 海洋热浪通过抑制表层混合和改变溶解氧分布，导致局地水体缺氧现象。
      • 例如，“Blob” 事件（2014-2016 年北太平洋）期间，低氧区域的扩展加剧了生态压力。
   2. 热浪与高酸性：
      • 热浪会加速海洋酸化过程，尤其在局地碳循环敏感区域（如珊瑚礁和河口地带）。
      • 高酸性与升温的复合作用会显著降低海洋生物（如贝类和甲壳类动物）的存活率。
   3. 热浪与低叶绿素浓度：
      • 热浪通过改变营养盐供应和水体分层，减少叶绿素浓度，抑制初级生产力。
      • 这种现象尤其显著于热带和亚热带区域，可能导致鱼类种群减少。

2. 叠加效应

   • 空间叠加：复合事件往往发生在生态系统敏感区，如珊瑚礁、河口和大陆架。
   • 时间叠加：这些事件的同时发生或紧密相连，延长了生态系统的恢复周期。

案例分析

1. “Blob” 热浪事件（2014-2016 年）
   • 背景：该事件是北太平洋历史上最强的海洋热浪之一。
   • 复合效应：
     • 与低氧现象共同作用，导致局地生物多样性显著下降。
     • 高酸性环境进一步加剧了珊瑚和贝类的死亡率。
     • 大型鱼类和哺乳动物（如海狮和鲸类）出现种群减少和迁徙行为异常。
2. 热带珊瑚礁区
   • 背景：热带区域因其气候敏感性，是复合事件高发的热点区域。
   • 复合效应：
     • 热浪与酸化同时作用，导致珊瑚礁大规模白化。
     • 生态系统服务功能（如渔业和保护沿海免受侵蚀）大幅下降。

复合极端事件的驱动机制

1. 气候变暖背景

   • 长期的气候变暖趋势为复合事件提供了基础条件，尤其在热带和中纬度区域最为明显。

2. 多重驱动机制

   • 大气高压系统：导致海洋热浪发生，同时抑制垂直混合，增加低氧事件的可能性。
   • 洋流异常：改变热量和碳的输送模式，促成高酸性与低叶绿素浓度的现象。
   • 气候模态（ENSO、PDO）：调节复合事件的区域分布和频率。例如，厄尔尼诺事件期间，热浪和低氧现象在东太平洋同时增强。

生态与社会经济影响

1. 生态影响

   • 物种多样性：复合事件对敏感物种的生存和种群结构产生巨大冲击。例如，珊瑚礁、贝类和甲壳类动物是高风险群体。
   • 生态系统功能：初级生产力下降可能导致整个食物网的不平衡，影响高营养级物种（如捕食者）的存活。

2. 社会经济影响

   • 渔业资源损失：复合事件导致鱼类种群减少，直接威胁沿海渔业收入和粮食安全。
   • 旅游业下降：珊瑚礁白化等现象减少了观光吸引力，间接影响当地经济。

5. 海洋热浪的预测能力

1. 当前的预测方法与能力

• 1.1 短期预测 短期预测通常基于气候模态（如 ENSO）和大气-海洋耦合过程的动力模型进行。

  1. 基于统计模型的预测
     • 利用观测数据构建线性回归或经验正交函数（EOF），研究气候模态（如 ENSO、PDO）的状态与热浪事件之间的关系。
     • 优点：方法简单且对热带区域（如东太平洋）的预测较为可靠。
     • 局限：无法捕捉随机性强的大气过程（如高压系统）的影响。
  2. 基于动力模型的预测
     • 动力预测模型（如耦合海气模式）整合了海洋和大气的物理机制，模拟未来 SST 异常的演变。
     • 优点：能够提供更长时间尺度（数月）的预测，适用于区域和全球范围。
     • 局限：对中高纬度地区的预测能力较弱，因随机性大气过程难以准确建模。

• 1.2 长期预测 长期预测依赖于全球气候模式（如 CMIP 模式）的多场景模拟，分析热浪事件在不同气候变化情景下的趋势。

  1. 情景预测
     • 通过设定不同排放情景（如 RCP2.6 和 RCP8.5），评估未来几十年全球或区域 MHWs 的频率和强度变化趋势。
     • 发现：高排放情景下 MHWs 的增长趋势更显著，热带区域尤为明显。
  2. 基于多模型集合（Multi-model Ensemble）
     • 多模型集合方法结合多个气候模型的输出，以减少单一模型的不确定性。
     • 优点：增强了对全球热浪模式和区域差异的理解。
     • 局限：需要改进对次表层热浪和复合事件的模拟能力。

2. 预测的局限性与挑战

• 

• 2.1 对区域性事件的预测

  1. 热带区域预测能力较强：
     • 因 ENSO 等气候模态的周期性变化对热带 SST 异常的调控作用显著，模型对这些区域的预测精度较高。
  2. 中高纬度区域预测较弱：
     • 中高纬度的 MHWs 更多由随机性大气过程（如短期高压系统）驱动，难以通过现有模型精确预测。

• 2.2 次表层热浪

  • 由于次表层 MHWs 的观测数据有限，且驱动机制复杂（如洋流输送和温跃层变化），现有模型对次表层热浪的预测能力较低。

• 2.3 复合极端事件

  • 复合事件（如 MHW 与低氧、高酸性）的预测尚不成熟，因为这需要整合物理、化学和生物模型，对多变量的交互进行更精细的建模。

6. 未来变化趋势

1. 基于气候模型的预测
   • 在高排放情景（如 RCP8.5）下，MHWs 的频率、强度和覆盖范围将显著增加，热带区域的增长尤为明显。
   • 次表层热浪的趋势主要体现在中高纬度区域，可能对深海生态系统产生深远影响。
2. 区域变化
   • 热带地区的表层热浪增速最快，而北大西洋和印度洋局部区域的热浪频率和强度也将显著上升。

7. 研究空白与未来方向

1. 未解问题
   • 次表层热浪的驱动机制和生态影响仍需深入研究。
   • 对复合极端事件的生态和社会经济后果的评估不足，特别是在气候变化加剧情景下。
2. 未来研究建议
   • 加强全球和区域观测网络建设，提高次表层数据的覆盖率。
   • 开发更高分辨率的动态预测模型，并整合生物地球化学模块，提升对复合事件的模拟能力。
   • 探讨气候变暖背景下 MHWs 的长期生态后果，为适应性管理和保护策略提供依据。