探索海洋气温变化的新成果
（一）研究海洋温度变化的新信息
1．研究海洋温度变化的新发现
⑴发现珍珠母贝能忠实记录海洋温度。[16]2016年12月19日，美国威斯康辛大学麦迪逊分校，物理学教授普巴·基尔伯特领导的一个研究小组，在《地球与行星科学通讯》杂志上发表论文称，他们发现，坚硬的矿物生物珍珠母贝，忠实地记录了古代海洋温度。
据美国科学促进会科技新闻共享平台报道，这项工作非常重要，为科学家提供了全新的、可能更准确测量古老海洋温度的方法。该方法非常简单，仅使用扫描电子显微镜和贝壳的横截面，就可以测量构成珍珠质微细片层的厚度。基尔伯特解释说：“片状物的厚度与海洋温度有关。温度越高，片层越厚。”
研究小组研究了珍珠母贝的化石样本，这些快速生长的咸水蛤科软体动物，生活在大约有2亿年历史的浅海环境中。即便是现在，这种双壳类海洋生物，依然在热带和温带沿海和浅陆架环境中生存繁衍。
新方法比以往的方法更准确。因为化石贝壳的化学成分能够通过成岩作用改变，成岩作用发生在沉积物下降到海床上形成沉积岩期间，化石贝壳可部分溶解并再沉淀为方解石，填充珍珠质中的裂纹。如果物理结构被成岩作用改变，珍珠质将不再分层，所以会知道值不值得分析那个区域，如果只保留一些珍珠层，它们的厚度可以很容易测量。
珍珠母贝这种软体动物家族，已经在世界海洋中生活了超过4亿年，留下了清楚的海洋温度记录，除了说明过去的气候，相关数据还可以帮助建模者预测未来的气候和环境变化。
⑵发现海洋升温现象频繁创历史新高。[17]2022年1月，由中国科学院大气物理研究所牵头、联合全球14个研究单位23位科学家组成的国际研究团队，在《大气科学进展》杂志上发表论文称，新数据表明，2021年海洋升温持续，成为有现代海洋观测记录以来海洋最暖的一年。同时，地中海、北大西洋、南大洋、北太平洋海区都接二连三地创造出历史高温新纪录。
研究团队同时发布了两个国际机构的2021年海洋热含量数据，分别是来自中国科学院大气物理研究所的IAP/CAS海洋观测格点数据和来自美国海洋和大气管理局国家海洋信息中心的NCEI格点数据。
最新的IAP数据显示，在2021年，全球海洋上层2000米吸收的热量，与2020年相比增加了14×1021焦耳，这些热量约相当于中国2020全年发电量的500倍。
研究人员指出，全球变暖90%以上的热量储存在海洋中，相比常用的地表温度而言，受自然波动的影响小，因而海洋热含量变化成为判断全球是否变暖的最佳指标之一。过去80年中，海洋每一个十年都比前十年更暖。海洋变暖随之会引起一系列严峻后果，包括推升全球海平面、降低海洋二氧化碳吸收效率、增加海洋热浪发生概率、强台风/飓风更多、极端降雨更多等等，对人类活动和生态系统有重要影响。
该论文还表明，海洋变暖在南大洋、中低纬度大西洋、西北太平洋等区域更为剧烈。为探究原因，研究团队使用了美国国家大气研究中心（NCAR）地球系统模型（CESM）的独立强迫实验，揭示了不同强迫因子对海洋变暖的贡献。实验表明，温室气体增加是驱动海洋变暖空间结构的主要原因，此外工业和生物气溶胶、土地利用等对海洋变暖也有一定的影响。
研究人员说：“海洋对大气温室气体增加的响应较为缓慢和滞后，过去的碳排放导致的海洋变暖等影响将持续至少数百年之久，这一现象凸显了海洋在全球气候变化中的重要作用。我们应需要充分将海洋变暖的影响纳入气候风险评估、气候影响和应对当中。”
2．提出预测海洋温度的时空结合新模型
运用时空四维卷积模型预测海洋温度。[18] 2021年11月，中国科学院沈阳自动化所副研究员周晓锋等专家组成的研究小组，在《地球科学与遥感通讯》杂志上发表论文称，他们针对目前海水温度预测局限于海洋表面，且只考虑时序预测的问题，提出一种基于时空四维卷积网络的模型，以解决这些问题，从而推动海洋温度预测方法的创新。
周晓锋说：“时空四维卷积模型由三部分组成：四维卷积网络、残差网络、再校准模块。”海洋温度数据本身为经度、纬度、深度构成的三维栅格化数据，增加时间维度后，形成了四维矩阵。利用四维卷积网络，对海洋温度数据提取时间特征的同时，提取三维立体空间特征。四维卷积网络的意义就是实现时空双重特征提取。由于卷积运算是线性运算，他们在三维卷积的原理基础上进行改变，实现四个维度同时卷积。
对于普通的神经网络来说，深度层次越多，优化算法越难训练，训练错误便会越多。残差模块可以优化深度神经网络，而利用残差网络进一步加深网络，可进一步提取海洋温度的空间特征。
在整个海洋空间中，相邻区域的数据对于预测的贡献在空间上各不相同。有的位置温度多变，有的位置温度稳定；有的位置等温线密集，有的位置等温线稀疏。为了提高模型性能，研究人员给模型在残差模块后面加入了再校准模块。再校准模块的意义就是探索并量化各个区域特征的贡献程度，对前面计算得到的特征数据进行加权。重要特征赋予较高权重，不同位置也赋予不同权重，然后将特征进行加权求和，得到最终结果，由此提高模型的质量。
研究小组利用时空四维卷积模型，进行了横截面方向和剖面方向的两方面实验。实验显示，时空四维卷积模型可以准确预测水平方向0～2000米的海洋温度，且准确度并不受海洋深度影响，均在98%以上，并有大部分大于99%。对于剖面方向，时空四维卷积模型可以准确预测出季节性温跃层和主温跃层的位置和形状，准确度不受海洋位置影响，均大于99%。
此外，研究小组还把时空四维卷积模型与目前的预测方法做了对比，在平均绝对误差、均方误差、预测精度和R平方等各个指标上，新模型都达到了最优的效果。
研究人员表示，时空四维卷积模型利用海洋温度数据的双重特征提取，并对特征以及区域进行加权，实现了海洋内部温度的数据预测，打破了目前对于海表温度预测的局限性，并将温跃层的预测变为可能。
（二）研究海洋气候变暖现象的新发现
1．发现北大西洋变暖速度比预计更快[19]
2018年9月，美国加州大学圣地亚哥分校斯克里普斯海洋研究所科学家组成的研究小组，在《气候杂志》上发表论文称，他们研究发现，北大西洋的变暖速度比之前预计的更快，这将扰乱主要的海洋循环继而对全球气候产生影响。
研究人员根据未来温室气体和气溶胶的排放率，进行情景建模。其中一个情景，主要关注的是未来气溶胶的减少和大气中温室气体的持续增加。气溶胶冷却效果，约为目前人为造成二氧化碳升温效应的50%。由于冷却效应，气溶胶的减少将加速海洋变暖，引发北大西洋的大幅变暖，是二氧化碳排放量增加造成最显著的后果。
从历史上看，南大洋一直是主要的吸热器，约占海洋中人为温室热量摄入量的72%，部分原因是该地区的冷却气溶胶含量较低。而北大西洋恰好相反，在强烈的气溶胶冷却下，北大西洋没有吸收太多热量，这意味着北半球的大部分变暖发生在大气层而非海洋。新提出的模型预示着一个巨大的转变。随着冷却气溶胶的减少，这些气溶胶集中在北半球，随着时间的推移，海洋需要吸收更多的热量。研究人员预测，北大西洋的吸收份额，可能从6%增加到约27%。
北大西洋变暖速度的加快，可能会是影响大西洋经向翻转环流(A经向翻转环流)的关键因素。作为地球气候系统的重要组成部分，大西洋经向翻转环流是一个庞大的洋流系统，以墨西哥湾流为例，通过将温暖的表面水传送到高纬度地区，从而让这些水，在寒冷的北大西洋深层水的地方进行冷却、渗透、向南返程流动，最终水被传送到地面，水温变暖并完成循环。由于这股环流分配热量和能量，所以它在维持全球气候模式方面发挥重要作用，对于调节北欧和北美沿海地区的气候尤为重要。
2．研究显示北冰洋迎来气候变暖的全新时期[20]
2020年9月，美国科罗拉多州国家大气研究中心劳拉·兰德勒姆和玛丽卡·霍兰德等专家组成的研究小组，在《自然·气候变化》杂志上发表研究成果，他们的研究显示，长期冻结的北极地区已经开始进入全新的气候系统，其特征是北冰洋冰层融化、温度上升和降雨天数的增加，这三个数值已远远超出了以往的观测范围。
研究小组专门考察了北冰洋海冰面积、气温和降水模式的变化。他们发现，海冰减少的变化程度远超过去几十年。换句话说，在气候变化的推动下，至少有一个信号意味着“新北极”已经出现，即海冰的减少。
随着时间的推移，海冰减少的情况只会变得更糟糕。在极端气候下，夏季海冰覆盖面积最晚将在21世纪70年代降至100万平方公里以下。大多数科学家认为，这意味着北极“无冰”状态出现的时间将会提前。
据了解，海冰会对北极的温度产生深远的影响。冰有一个明亮的反射性表面，有助于将太阳光从地球上散射出去。厚厚的海冰还有助于使海洋隔热，在冬天将热量“锁”在地下，并防止热量“逃逸”到北极寒冷的空气中。随着海冰变薄和消失，海洋在夏天能够吸收更多的热量。而在冬天，热量将会轻易穿过变薄的冰层散逸到空中，从而使大气变暖。
而海冰减少的研究结果证实，一个新的北极已经出现。如果全球气温继续以目前的速度上升，本世纪末之前，全球气候系统将会变得“面目全非”。海冰的变化是一个明确的迹象，这表明气候变化不是未来的问题，它已经极大程度上重塑了今天的地球。同时，这也为北冰洋以及整个北极地区的生态系统带来巨大困扰和担忧。
3．发现北极局部变暖速度远快于世界其他地方[21]
2022年8月11日，芬兰气象研究所科学家米卡·兰塔宁及其同事组成的一个研究小组，在《通讯·地球与环境》杂志网络版发表论文称，北极变暖速度与全球平均值相比，确实比之前人们认为的更快。极地加速变暖表明，该地区对全球变暖的敏感程度高于当前的评估。
北极在全球气候系统中发挥着重要的调制作用。但过去的报告称，极地变暖速率平均而言是全球其他地方的2～3倍，是全球地表气温增高最剧烈的地区，这一现象被称为北极放大效应。目前，世界各国和气象组织，都对北极气温的变化高度关注。
该研究小组此次分析了北极圈1979～2021年间的观测数据，估计这一时期内，北冰洋的大部分以每十年0.75℃的速率暖化，至少是全球平均值的4倍。在北冰洋的欧亚部分，邻近斯瓦尔巴和新地岛，变暖速度高达每十年1.25℃，已经7倍于世界其他地方。研究团队认为，由于海冰损失增加，北极放大效应会随时间加剧。
研究人员表示，气候模型预测可能普遍低估了1979～2021年间的北极放大效应，他们呼吁更详尽地研究北极放大效应的机制，以及它们在气候模型中的表现。
（三）研究气候变暖影响因素的新信息
1．探索导致气候变暖因素的新发现
发现东西伯利亚大陆架浅海带是气候变暖的源头之一。[22] 2015年7月9日，《俄罗斯报》报道，俄科学院远东分院太平洋海洋研究所，极地地球化学实验室主任伊戈尔·谢米列托夫主持的研究小组，近日在接受俄媒体记者采访时指出，东西伯利亚大陆架浅海带对全球气候影响是相当大的，北极地区的科考工作，得出了令人惊奇的结论。实际上，美国和欧洲主要大学的学者早就认为，东西伯利亚大陆架浅海带是全球气候变暖的重要源头。
谢米列托夫说，以前人们普遍认为，东西伯利亚大陆架浅海带蕴藏丰富的甲烷水合物，被冰土严实地包裹着。然而，事实是，这些终年积冰在北极大陆架的水下部分，已出现了700余处大洞，它们中的一些直径达1公里，形象地说，这些大洞就像是独特的筛子。
他接着说，甲烷水合物位于大陆架下面数十米深处，如果它们与温水相遇，就会遭到破坏。在深水区，甲烷氧化成二氧化碳，而后钻出海面。在浅水区，大量甲烷没有足够时间氧化，直接逃逸进大气层，在更大程度上影响全球气候。
谢米列托夫还指出，地球大部分甲烷，在人类出现以前就集中在北极上空。地球上甲烷浓度，在其温暖期及间冰期较冰川时代要高10%。众所周知，北极地区是全球气温变化最快的地方，北冰洋一些地区的气温，近年来上升了3℃～5℃，这些地区正好是东西伯利亚大陆架所处的海洋区域。
2．探索减弱气候变暖因素的新发现
发现变冷的太平洋深处或能帮助减弱气候变暖现象。[23] 2017年12月，美国伍兹霍尔海洋研究所物理海洋学家杰克·盖比、哈佛大学气候科学家彼得·惠布斯共同负责的一个研究小组，在近日举办的美国地球物理学会上报告称，被称为“小冰河期”的全球变冷趋势在几个世纪前结束，但它一直存在于太平洋最深处。更重要的是，这一海洋学的时间胶囊，或许能帮助减弱当前由人类驱动的变暖。
海洋是一个巨大的热量储存库，吸收了约90%的人类所致气候变暖产生的热量。不过，这种热量并未均匀、迅速地渗透进海洋深处。作为被称为温盐环流的全球洋流网络的一部分，北大西洋表面的冷水“俯冲”到深处，并且在好几个世纪的时间里，蜿蜒流至在很多方面可谓是地球冷藏柜的北太平洋深处。
这意味着太平洋的深层海水，应当能反映有着几百年历史的表层温度趋势。盖比表示：“从1350年到现在，这些深层海水应当是在变冷，尽管表层在变暖。”
一系列重建的全球表面温度模型表明，几个世纪前，全球异常寒冷。关于冰冻的泰晤士河的画作可以证明。在中世纪暖期于15世纪结束后，变冷趋势开始出现，直到人类驱动的变暖在19世纪出现。通过将历史记录的表面温度填充到海洋模型中，盖比和惠布斯得以预测这些趋势在海洋多深处显现出来。
为测试模型，他们需要来自深海的长期温度变化的证据。但超过2000米水深的记录非常稀少，并且在20世纪之前似乎是不存在的。不过，事实并非完全如此。
19世纪70年代，一艘名为“挑战者”号的英国科考船在全球进行科考期间，用5年时间记录了海洋温度。研究人员通过用绳子下放到海底的温度计，获得了760条超过2000米水深处的记录。盖比和惠布斯将这些数据，同20世纪70年代以来的指标进行了比对。盖比说：“我们精确地看到了模拟中发现的结果：太平洋深处在变冷，大西洋深处在变暖。”
实际上，海洋深处扮演了过滤器的角色，它消除短期的温度波动，并且保持长期趋势。如果盖比的模型是正确的，随着小冰河期的海水到达，太平洋深处在接下来的几十年里将继续变冷。
（四）研究气候变暖带来的自然和社会影响
1．探索气候变暖对海洋自然环境造成的影响
⑴研究显示气候变暖将导致全球海平面上升。[24]2016年4月，美国马萨诸塞大学阿莫斯特分校地球科学家罗布·德孔托，与宾夕法尼亚州立大学古气候学家大卫·卜立德等组成的研究小组，在《自然》杂志上发表论文称，他们通过建立模型进行预测的研究显示，温室气体排放量的持续增加，在未来几十年将引发南极冰盖的一场无法阻挡的崩塌，从而导致全球海平面快速上升，其影响比原有估计更大。
这项研究与越来越多的其他研究同时表明，南极冰盖并不像人们之前想象的那样稳定。此前的研究已指出，过去海平面上升的主要推动因素来自南极冰盖融化，未来这也很可能仍是主要因素。不过对具体影响有多大，不同研究的说法不一。
在2013年的一份报告中，政府间气候变化专门委员会曾评估认为，南极冰盖融化只会在2100年导致全球海平面上升几厘米。然而随着科学家开发出海洋和大气如何影响南极冰盖的更好模型，他们预测这块大陆的未来将变得越来越可怕。
研究小组开发出的气候模型，能够计算出正在变暖的洋流导致的海冰损失，这会“吃掉”冰盖下部，并计算出上升的大气温度融化冰盖上部的情况。
研究人员指出，冰盖表面形成的融水池塘通常会随着裂缝流干，而这可能引发链式反应，最终打碎冰架，并导致新暴露的冰崖在自身重量下坍塌。
研究人员发现，通过将所有这些过程包含在内，他们能够更好地模拟长期以来让科学家感到困惑的关键地质周期。通过将由大气变暖驱动的冰盖融化以及冰崖坍塌结合在一起，研究小组在他们的模型中重现了过去几百万年里的数个关键地质周期。
在本次研究中，研究人员利用冰盖模型计算认为，如果温室气体排放一直保持在如今的速度，南极冰盖融化的影响要更大，到2100年将导致全球海平面上升1米以上，而到2500年可能会导致海平面上升15米以上，这会改变整个地球的面貌。
研究人员表示，这项计算结果，是对未来气候变化影响下海平面上升的最坏场景预测，其中一些因素可能会发生变化，有待更进一步的深入分析。计算结果也显示，如果能大力减缓气候变化，将全球升温幅度控制在与工业革命前相比不超过2℃，那么未来海平面也可能只出现很小的变化，对人类社会的影响也会大幅降低。
⑵研究表明海平面上升会使极端洪水事件快速增加。[25]2020年4月16日，由美国地质调查局、伊利诺斯大学芝加哥分校、夏威夷大学等机构相关专家组成的研究团队，在《科学报告》杂志上发表论文称，他们研究发现，如果海平面继续按预期上升，美国沿海地区的极端洪水事件每五年就会增加一倍。目前“一生一遇”的极端水位每50年出现一次，但到21世纪结束前，美国大部分海岸线的水位可能每天都会超过这个水平。
研究团队此次调查了美国海岸线202个验潮站测得极端水位的频率，并将这个数据与海平面上升的情景相结合，模拟了未来洪水事件的可能增加速度。
在研究使用的验潮站中，73%的验潮站发现，50年一遇的极端水位与日均最高水位之间的差距还不到一米，而大部分预测显示，到2100年的海平面上升幅度会超过一米。研究团队的模型预测，到2050年，当前的极端水位会从50年一遇的所谓“一生一遇”洪水事件，变成在美国70%的沿海地区一年一遇的事件。而在2100年结束前，此次测量中93%的地区，预计每天都会超过现在“一生一遇”的极端水位。
这些数据表明，当前的极端水位在接下来的几十年里会很常见。低纬度地区将是最危险的地区，那里发生海岸洪水的频率预计每五年会翻一倍。对于夏威夷和加勒比海岸带最危险的地区而言，海平面每上升一厘米，那里出现极端水位的频率可能也会增加一倍。
近年来，气候变化已引起极端洪水事件频发，而极端洪水事件会对人类重要基础设施以及人员生命安全造成极大损失，甚至将是人类未来面临的最大威胁之一。研究团队认为，与此相关的海岸灾害，如海滩和悬崖侵蚀，可能会随洪水风险的增加而加速发生。
⑶研究表明未来北冰洋或因气候变暖频繁掀起巨浪。[26]2020年7月12日，加拿大环境与气候变化科学技术局气候研究部专家卡萨斯·普拉特主持的一个研究小组，在《地球物理研究杂志·海洋》网络版上发表的一项研究成果表明，全球变暖会导致北冰洋海浪气候发生巨大变化，未来该地区可能会频繁地出现巨浪，严重影响沿海地区居民及基础设施的安全。
在这项研究中，研究小组用5个气候模型，对1975～2005年和在RCP 8.5情景（到2100年升温5℃的情景）下2081～2100年两段时期，北冰洋的海浪气候与海洋风和海冰浓度的关系进行了模拟。他们发现，未来北冰洋区域几乎每个地方的海浪高度都会有所增加，预计本世纪末阶段，有些地区每年近海的最大浪高可能会增加6米，比20世纪末期高出2～3倍。此外，沿海地区的极端海浪事件也会变得更加频繁，由过去每20年发生一次变为每2～5年就会发生一次。换句话说，到本世纪末，北极地区沿海洪水的发生频率可能会增加4～10倍。
普拉特指出，北极地区是全球气候变化研究的热点地区，其中有些地方气候变暖的程度是世界其他地区的3倍。但这些变化会对该地区产生什么样的影响？相关信息并不多。此次他们的研究提供了更多信息，表明气候变化会对北冰洋的海浪气候产生巨大影响，而海洋条件的恶化将直接影响沿海社区、能源基础设施、航运甚至生态系统和野生动植物的安全，对此应予以高度关注。
2．探索气候变暖对海岛生态环境造成的影响
气候变暖将对太平洋岛屿物种带来严重威胁。[27]2017年7月12日，澳大利亚新英格兰大学科学家莱利特·库玛和马亚特·特兰尼领导的研究团队，在《科学报告》杂志上发表的一项成果，揭示出太平洋岛屿上因受气候变暖影响而可能最易灭绝的陆生脊椎动物。
气候是制约生物生长、分布、繁衍的主要因素之一。随着气候问题的升温，气候变暖对物种的影响，逐渐成为人们关注的焦点——其不但会造成生物物候期的改变，还会加快物种的灭绝速率。目前，科学家正试图探寻气候变化大背景下生物多样性的脆弱，以及如何采取保护措施。
此次，该研究团队在23个太平洋岛国中，鉴定出150种被世界自然保护联盟数据库收录的易危、濒危或极危陆生脊椎动物物种。研究人员将该信息与涵盖1779个太平洋岛屿的数据库结合起来，根据各岛屿对气候变化的敏感性，鉴定出灭绝风险可能最大的物种。
研究人员发现，其中59个对气候变化影响具有极高敏感性的岛屿，拥有12种当地特有物种，而178个具有高敏感性的岛屿，拥有26种特有物种。此外，他们还在这些岛屿上鉴定出大量因为气候变化而面临极高风险或高风险的极危物种，包括金狐蝠、大锥齿狐蝠、斐济带纹鬣蜥和玛利安娜狐蝠。研究人员表示，针对这种情况，宜按轻重缓急分配可用资源，保护最脆弱的物种。
3．探索气候变暖对文化遗产造成的影响
气候变暖导致海平面上升会严重威胁世界遗产地。[28]2018年10月16日，德国基尔大学环境科学家莱纳·雷曼及其同事组成的一个研究团队，在《自然·通讯》杂志发表研究报告称，他们建立了一项风险指数，分析了到本世纪末，气候变暖导致海平面上升对沿海世界遗产地造成灾害的状况，基于该指数可对这些世界遗产地进行排名。研究显示，由于海平面上升，位于地中海地区的联合国教科文组织世界遗产地，包括威尼斯、比萨大教堂广场、罗得中世纪古城，正面临海岸侵蚀和沿海洪水的严重威胁。
地中海地区有多处地方被列入联合国教科文组织世界遗产名录，其中许多都位于沿海地区。海平面上升会对这些遗产地构成威胁，需要通过地方层面上的风险信息，才能制定出适应性规划。
该研究团队此次把模型模拟与世界遗产地的数据相结合，建立了一项风险指数。这项指数，针对地中海地区49处沿海的联合国教科文组织世界遗产地，评估了到本世纪末海平面上升对其所造成的沿海洪水和海岸侵蚀威胁。
研究团队发现，37处遗产地可能会遭受百年一遇的洪灾；42处遗产地已经面临着海岸侵蚀的威胁。到2100年，整个地中海地区出现洪水和侵蚀的概率分别会上升50%和13%。除了突尼斯的阿拉伯老城，以及土耳其的桑索斯和莱顿遗址这两处遗产地以外，该地区其它遗产地均面临其中一项风险。
研究点名指出了亟须制定适应性规划的地区。科学家们建议，鉴于这些遗产地都是标志性景点，或可用来提高公众应对气候变化的意识。
