气候变化与中国近海初级生产

**章中国近海气候变化特征 1.1引言 近百年来，特别是自20世纪50年代以来，全球气候变暖愈发明显，并且一半以上的气候变暖是由人类活动排放温室气体造成的；自1971年以来，海洋除了吸收人为排放温室气体产生的约93%额外的热量，还吸收了约30%人为排放的二氧化碳（CO2）（秦大河等，2014；IPCC，2013）。观测表明，自1993年以来，海洋吸收热量的速率和海洋的热含量大约增加了1倍。1993～2017年，海洋吸收热量的速率和海洋的热含量大约是1970～1993年平均值的2倍（IPCC，2019a）。至2017年，全球表面温度上升了（1±0.2）°C（IPCC，2019b）。 由于海洋覆盖了大约71%的地球表面，储存了约97%地球上的水量，海水的比热容远大于大气和陆地，海洋吸收了大量因温室效应产生的额外热量，因此，海洋对全球气候变化有重要的调节作用，减缓了人致气候变化的速度及其影响。然而，这种情况正在发生变化，气候变化对海洋的影响正在加剧（蔡榕硕和谭红建，2020；蔡榕硕等，2020a；Bindoff et al.，2019；IPCC，2019a）。在全球温度升高和气候变得更暖的背景下，海洋和大气的运动正在加剧，并影响着地球气候系统的水循环和生物地球化学循环。研究表明，如果未来气候系统升温2～3C，全球水循环将大幅增强16%～24%（Durack et al.，2012）。 与陆地相同，海洋*主要的初级生产过程是初级生产者（植物）通过光合作用将CO2还原成植物有机碳的过程，启动了海洋生态系统的物质和能量的循环。海洋植物初级生产力与海洋动物生产力构成的海洋生物生产力是海洋生态系统的基本功能之一。其中，海洋浮游植物遍布于从沿岸海域到辽阔大洋的整个海洋之中，是海洋生态系统的基础。海洋浮游植物的初级生产力既是*基本的生物生产力之一，又是海域基础生产力和渔业资源潜力的重要标志之一。因此，研究与评估气候变化对海洋浮游植物及其初级生产（包含初级生产过程和初级生产力等）的影响是认识气候变化影响海洋生态系统的切入点和重要基础。 影响海洋浮游植物初级生产的主要因子，除了太阳光照和营养物质，还有与此紧密相关的海洋环境条件。这是因为浮游植物的生态位和初级生产与海水温度、盐度等环境要素的变化有密切的关系。自20世纪70年代末以来，海洋的变暖、海水层化的增强、溶解氧（DO）含量的降低及营养盐循环的变化，引起海洋净初级生产力的下降，以及海洋动物生物量和潜在渔获量的降低，导致海洋生态系统的服务功能减弱（蔡榕硕等，2020a；Bindoff et al.，2019；IPCC，2019）。在全球变暖背景下，中国近海及邻近海域（渤海、黄海、东海和南海及邻近海域，以下简称“中国近海”持续快速升温变暖，并有显著的生态异常，包括冷、暖型物种相对丰度及季节性演替规律的变化，海洋物种地理分布和组成的变迁，基础生产力的明显下降，海洋渔获量的大幅降低，以及赤潮等生态灾害的年代际增加（蔡榕硕和谭红建，2010；蔡榕硕等，2020b；黄邦钦，2020；Cai et al.，2016）。 为了评估气候变化对中国近海初级生产的影响、风险和适应对策，本书的章节内容安排如下：第1章，首先阐述气候变化的概念与定义，综述全球和区域海洋气候变化的基本特征，分析近几十年来中国近海海面温度、盐度、环流及海平面气压、气温和降水等典型气候要素的变化特征，为后续章节提供必要的前提和基础；第2章，应用各种海洋和大气再分析资料，研究气候变化通过东亚季风和黑潮等海洋与大气调控因子对中国近海海面温度的重要影响和机制；第3章，阐述有关生物和非生物物候、气候变化速度的概念与定义，分析并预估不同气候情景下未来中国东部地区及近海地理等温线和物候的变化，评估气候变化对中国近海生物和非生物物候的影响；第4章，应用卫星遥感数据，检测分析中国近海叶绿素a浓度的长期变化特征，归因分析气候变化对中国近海初级生产力的影响；第5章，应用IPCC全球耦合模式比较计划第五阶段（CMIP5）的模式数据，预估不同气候情景下未来中国近海环境要素的变化及其对初级生产力的影响；第6章，基于IPCC第五次评估报告（AR5）的气候变化综合风险理论和不确定性处理方法（Mastrandreaetal.，2010），评估气候变化对中国近海浮游植物的影响、适应和脆弱性，总结分析气候变化对中国近海初级生产的影响、风险和适应对策，探讨相关的气候治理问题。 1.2全球和区域海洋气候变化概况 1.2.1气候变化的概念与定义 本小节首先阐述有关气候变化的概念与定义：①什么是气候；②什么是气候变化；③什么是全球变化。传统上，气候是以气温、气压、湿度和降水量等气象要素的平均状态来表征的。20世纪初，人们认为30年平均的气象（候）要素值是稳定的，即气候是不变的。后来，人们逐渐认识到30年平均的气象（候）要素值并不是固定的，而是变化的。这可以看成狭义的气候变化。人们还认识到，气候变化是地球上大气、海洋、冰雪、陆面（岩石圈）和生物圈的相互作用引起的，进而形成了现代地球气候系统的概念。 既然气候是变化的，那么如何来衡量气候变化？为此，人们经常采用气象要素的异常（如距平值或方差值）来研究气候变化。例如，2019年冬季气温异常（距平值）偏高，则是指2019年冬季气温与历史时期20年或30年（1981～2010年）冬季平均气温相比偏高，其中，2019年冬季气温与历史时期20年或30年冬季平均气温之差即为距平值。 因此，当我们计算并列出全球或区域表面气温距平值的百年变化序列时，就可以看到这百年来全球或区域表面气温的变化情况。人们发现除了上述气象要素，海洋、冰雪、陆面和生物圈的代表性要素的长期平均值也是变化的，气候变化的概念随之逐步延伸到其他的领域中，不再仅限于大气科学。例如，海水温度、盐度和流场等要素30年的平均值也是变化的。同样，我们也可以采用海水温度、盐度和流场的距平值来研究海洋的长期变化现象。因此，当我们将原有的气候变化的定义延伸至海洋等其他学科或自然现象要素（如海水温度、盐度和海平面高度）变化的总结、归纳与分析中，我们就得到了广义的气候变化。 20世纪中叶以来，人们观测到地球的表面温度不断上升和气候持续变暖，并且观察到地球上冰川退化、雪线升高、海平面上升、生物多样性减少和近岸海域富营养化等具有全球性意义的变化，这就是全球变化。其中，地球气候变暖则是人类面临的*具挑战性的全球性问题，并成为全球变化的核心问题。人们虽已认识到气候是变化的，但仍然存在较多的争议。比较有代表性的争议大致有两种：一是气候有没有变暖；二是变暖是什么引起的。其中，有种观点不同意或不认为气候变暖是温室气体引起的，这种观点主要是认为过去不同地质年代，地球上曾有过更高的温度和CO2浓度；还有种观点认为气候变暖是由自然变率引起的。 气候变化有不同的时间尺度，简单而言，包括：地质时期（1万年以前）、历史时期（1万年以来）及1850年工业化以来的现代时期。因此，人们对于气候变化及其成因有不同的认识属于正常现象，特别是对于近百年来的气候变暖及其成因有较多的争议。但是，自20世纪90年代以来，IPCC发布了五次气候变化评估报告和多个特别报告，提供了越来越多的气候变暖及其影响的证据，并明确了20世纪50年代以来一半以上的气候变暖主要是人类活动排放的温室气体所造成的。当前国际社会强调的主要是指人类活动排放温室气体引起的气候变化（如升温变暖、海平面上升），而不是自然变率引起的气候变化，这取得了国际社会广泛的共识。例如，2015年12月全世界190多个国家在巴黎气候大会上通过了《巴黎协定》，该协定旨在将人为引起的全球地表的升温幅度[较工业化前水平（采用1850～1900年平均）]控制在2°C以内，并力争控制在1.5°C以内。《巴黎协定》的意义在于取得了国际社会应对气候变化的共识和奠定了行动的基础，提高了减缓并适应气候变化的可能性。 基于此，本书主要关注20世纪中叶以来，人类活动引起的气候变化及其对中国近海初级生产的影响、风险及适应对策。本章主要回顾概述全球和区域海洋表面的温度、盐度和流场等广义的海洋气候变化特征，并采用海洋再分析资料，重点分析近几十年来中国近海海面温度（SST）和海面盐度（SSS）的变化特点，再应用大气再分析资料，分析中国近海的海平面气压、气温、降水和淡水通量等若干经典气候要素的变化特征，为本书后续章节研究气候变化对中国近海初级生产的影响、风险及应对，提供必要的前提和基础。 1.2.2全球和区域海洋气候变化的基本特征 本小节主要针对海洋表面的温度、盐度和流场等要素，概述广义的全球和区域海洋气候变化的基本特征。 观测表明，近百年来全球平均陆地表面温度呈波动上升趋势，特别是自20世纪60年代以来，全球平均陆地表面温度的上升趋势明显加快；并且观测到的全球平均陆地表面温度的上升幅度大于全球平均陆地和海洋表面温度（GMST）的上升幅度。相对于1850～1900年，2006～2015年全球平均陆地表面温度上升了1.53C（1.38～1.68C，可能范围），而GMST增加了0.87C（0.75～0.99C，可能范围）（IPCC，2019b），如图1.1所示。 近几十年，全球海洋上层发生了显著的变暖，但是升温的速率和幅度有很大的区域性差异（IPCC，2014）。例如，1971～2010年海洋上层（700m以浅）热含量增加了约17X1022J，近表层（0～75m）海水温度的上升速率*快，达到0.11[0.09～0.13]°C/10a（秦大河等，2014；IPCC，2013）；并且，1993～2017年海洋上层（2000m以浅）的增暖速率至少为1969～1993年的2倍，呈现出显著的变暖增强趋势（IPCC，2014，2019a）。1970～1993年，海洋0～700m层和700～2000m层变暖的平均速率分别为（3.22±1.61）ZJ/a和（0.97±0.64）ZJ/a；而在1993～2017年，分别增加至（6.28±0.48）ZJ/a和（3.86±2.09）ZJ/a。1970～2017年，海洋0～700m层和700～2000m层变暖的速率分别为（4.35±0.8）ZJ/a和（2.25±0.64）ZJ/a；2005～2017年，分别增加至（5.31±0.48）ZJ/a和（4.02±0.97）ZJ/a。此外，1970年以来，2000m以下的深海也在持续变暖（蔡榕硕等，2020a；IPCC，2019a）。 虽然全球海洋正在逐步变暖，但海洋表面温度的上升呈现出波动式上升的特点。例如，1998～2012年，全球表面温度的上升似乎出现减缓的现象，即所谓的全球变暖减缓现象（global warming hiatus），升温速率远低于20世纪70年代末以来的快速变暖速率（Easterling and Wehner，2009；Met Office，2013；Stocker et al.，2013）。但2014年之后，全球表面温度继续呈现明显的上升态势（IPCC，2019a，2019b）。近六十多年来，地球表面升温变暖的趋势是十分显著的（蔡榕硕和付迪，2018；蔡榕硕等，2019；Cai et al.，2017a）。 然而，在不同的大洋和海域之间，海洋表面的升温有较明显的差异。例如，1950～2009年印度洋增温*为显著，平均SST增加了0.65C，大西洋增加了0.41C，太平洋增加了0.31C。过去百年间，特别是自20世纪60年代以来，全球海洋尤其是大洋副热带西边界流区域（如黑潮和湾流区）表现出显著的升温趋势，其SST的上升速率是全球海洋平均的2～3倍（Cai et al.，2017a；Wu et al.，2012）；并且，西北太平洋边缘海尤其是中国近海（指渤海、黄海、东海和南海，图1.2a中黑色方框所示海域，0°～45°N，100°E～