过去一百多年来，人类活动引起大气温室气体浓度快速上升，驱动了大范围的气候变暖。为了更准确地预测并应对气候变化，我们迫切需要了解温室气体浓度上升将造成多剧烈的地球升温？以及地球现在处在升温的何种阶段?作为温室效应热量盈余的主要吸收者,海洋变暖的特征及规律将为我们回答以上两个问题提供重要参考。

图1. “婴儿期”（副热带强化）及“成年期”（副极地强化）海洋变暖特征。A：卫星观测的海洋变暖形态（副热带强化）。B：古气候重建的海洋变暖形态（副极地强化）。C：计算机模拟的“婴儿期”海洋变暖形态。D：计算机模拟的“成年期”海洋变暖形态。在气候变暖“婴儿期”，温室效应热盈余集中于上层海洋，受表层海水辐聚影响，副热带海洋更容易出现“强”的升温。随着深海温度的升高，气候变暖发展到“成年期”，副极地海洋（上升流区域）将具有“更强”的升温。背景色代表海洋升温异常；黑色等值线代表正压流函数，该函数显示了副热带与副极地环流的位置以及基本结构。图片修改自Yang等（2023）。

1.卫星数据记录了副热带强化的海洋升温

自1981年以来，卫星温度计已连续记录海洋温度变化四十余年。该数据显示了副热带海洋的强烈升温以及赤道东太平洋的降温（图1A）。由于该形态与太平洋年代际震荡（PDO，图2）的负相位相似，因此被科学家广泛解读为PDO的相变信号。但Yang等(2023)注意到，在最近的PDO正相位时期（2014-2018），副热带海洋的强烈升温依然存在。此外，卫星记录的副热带海洋升温在全球各大洋盆中均较明显。这与PDO的形态有很大不同，引起了研究人员的注意和思考。

图2. 太平洋年代际震荡（负相位）的形态特征。

卫星记录的海洋温度变化呈现出“西向强化”的特征：在大洋西侧，海洋升温信号更强且范围更广。这与副热带海洋环流（subtropical gyre）的结构极为相似。这使科学家意识到卫星观测的海洋温度变化可能并非PDO，而是与海洋环流有关。

副热带海洋主要由反气旋式环流控制。受地球自转影响，反气旋式环流具有表层海水辐聚的特征。辐聚的海水会驱动副热带海洋更快地热起来。因此，卫星记录的海洋升温形态，极有可能是海洋动力过程控制的气候变暖响应，而非PDO。

2.古气候证据表明副极地强化的海洋升温

卫星观测的海洋变暖形态与地球过往暖期的海温变化相矛盾。中上新世（约三百万年前）是最近一次大气温室气体浓度接近现代观测值（约400 ppmv）的时期。当时全球平均气温比工业革命前高2～3度，海平面比现在高10～20米。通过地质代用指标（UK37'，Mg/Ca等）以及数值模拟重建的中上新世海温变化（图1B）表明，最强烈的海洋升温出现在副极地海区，而非副热带。

这种高纬放大的升温异常主要由温度变化的基本规律主控。具体而言，温度变化与热辐射以及饱和湿度呈现非线性关系。这导致基础温度越高，海水升温引起的热辐射以及蒸发越强，升温则越困难。此外，在相对较冷的气候条件下，极地海冰会限制副极地海温变化；气候变暖后，海冰退缩，副极地海温不再受冰点约束，会有更自由的升温空间。由于以上几点原因，气候变暖往往使寒冷地区出现更强烈的温度变化；而在热带地区，气候变暖的后果则更主要体现为湿度的增加。

3.副热带强化的海洋升温是气候变暖“婴儿期”的表现，而副极地强化的海洋升温则是气候变暖“成年期”的特征

为什么卫星观测的海洋温度变化与古气候变化相“矛盾”？为了回答该问题，科学家使用计算机模拟了不同阶段的气候变暖形态。结果表明，在气候变暖“婴儿期”，温室效应热盈余集中于上层海洋（图3A），受辐聚洋流控制，副热带海洋更容易出现较强的变暖。该形态与卫星观测的海洋变暖形态（图1A与1C）相似。当气候变暖发展到“成年期”，随着深海温度的上升（图3B），与深海相连通的副极地海洋将出现最为强烈的升温。这与古气候重建的结果接近（图1B与1D）。因此，卫星数据所反映的显著副热带海洋升温只是“婴儿期”的海洋变暖特征。计算机模拟表明，气候变暖从“婴儿期”发展到“成年期”，需要上千年时间，尤其是在南大洋。

图3: 计算机模拟的“婴儿期”及“成年期”纬向平均海洋温度异常。气候变暖“婴儿期”，温室效应热盈余集中于海洋上层，海水辐聚区（副热带海洋）更容易出现强的升温。当气候变暖发展到“成年期”，随着深海温度的上升，与深海连通的副极地海洋将具有更强的升温。背景色代表海洋升温异常；黑色等值线代表海流的基本结构，即流函数。流函数定位了海洋上升流及下降流的位置。图片引自Yang等（2023）。

4.启示与意义

过去几十年来，地球温度不断打破历史最高值记录，给人类以及地球上其他形式的生命带来了危机。即便如此，我们的研究表明，地球正在经历的变暖仍然是温室效应升温过程中的早期阶段——“婴儿期”。

工业革命以来，二氧化碳浓度上升约130 ppmv，全球地表温度升高约1.3度。为避免重大损失，《巴黎协定》呼吁要控制全球平均气温上升幅度在2度以内。在不降低温室气体浓度的情况下，该目标显然是无法实现的。Yang等（2023）研究表明，即便未来大气温室气体浓度不再增加，地球温度仍然会持续上升很长时间，最终会达到2～3度的全球变暖。因此，要想逆转长期升温趋势，不仅要实现碳中和，未来还要想办法降低大气二氧化碳浓度。

IPCC报告预测，在最坏的情况下，到本世纪末，全球海平面上升约1米左右。但考虑到“成年期”的副极地海洋升温将远远超过副热带，这将严重威胁南北极冰盖的稳定性，导致海平面发生剧烈（10米以上）而不可逆转地上升，就像中上新世曾经发生的情形一样。

试想，我们是否能接受这样的情景出现？

本研究第一作者为南方海洋科学与工程广东省实验室（珠海）（简称“南方海洋实验室”）前沿中心古气候与海平面变化组杨虎首席研究员，合作者包括德国AWI极地与海洋研究所Gerrit Lohmann教授、王强研究员，美国伍兹霍尔海洋研究所黄瑞新教授以及南方海洋实验室主任陈大可院士、极地海洋与气候变化创新团队刘骥平教授、杨清华教授。成果于5月24日在线发表于Nature旗下期刊《Communications Earth & Environment》。研究得到南方海洋实验室前沿中心建设经费和国家自然科学基金等科研项目支持。

原文标题：Satellite-observed strong subtropical ocean warming as an early signature of global warming

原文作者：Hu Yang, Gerrit Lohmann, Christian Stepanek, Qiang Wang, Rui Xin Huang, Xiaoxu Shi, Jiping Liu, Dake Chen, Xulong Wang, Yi Zhong, Qinghua Yang, Ying Bao, and Juliane Müller

原文链接：https://doi.org/10.1038/s43247-023-00839-w