海洋热浪

定义现象：Hobday框架

什么构成海洋热浪？

在2016年之前，对海洋热浪并没有统一的科学定义——研究人员使用不同的指标对事件进行定性描述。Hobday等人[1]通过提出一个严格的、基于阈值的定义来解决了这个问题，类似于大气热浪的定义：MHW是海面温度（SST）连续至少五天超过气候基线90%（按标准30年参考期计算）的时期。相隔不到两天的相邻事件被视为连续。这个定义是相对于气候学的，这意味着它捕捉的是相对于特定地点生物历史上所经历的异常温暖——承认在一个亚极地北大西洋来说“热”的温度在热带地区可能很普通。90%的阈值是经过深思熟虑的：它捕捉具有真正生态意义的事件，同时过滤掉季节性周期的常规变化。

分类I–IV：强度等级

Hobday等人[2]在2018年扩展了原始定义，提出了一个基于飓风分类的四类强度分类系统，以便公众交流和历史比较。I类（中度）事件超过90%的阈值，但未达到该阈值与气候平均值之间差异的两倍。II类（强）事件是该异常值两倍；III类（严重）是三倍；IV类（极端）是四倍或更多。2011年西澳大利亚宁加洛的海洋热浪，导致大规模珊瑚白化并杀死了鲨鱼湾22%的海草草甸，被归类为III类。2023年东北大西洋海洋热浪的部分地区达到了IV类——这是这些水域历史上前所未有的分类。

里程碑式的海洋热浪事件

太平洋“大斑点”（2013-2015）

“大斑点”于2013年末在阿拉斯加湾形成，当时异常高压阻碍减少了风驱动的混合和地表热量损失，使得太阳辐射在一个加厚的温暖混合层中积聚。到2014年春季，温暖异常从阿留申群岛一直延伸到下加利福尼亚，覆盖面积比美国本土大。生态后果是连锁反应的：假毛藻硅藻爆发——产生神经毒素软骨藻酸——从加利福尼亚延伸到阿拉斯加，污染了贝类、海鸟和海洋哺乳动物。太平洋沙丁鱼和凤尾鱼种群在温暖、低生产力水域和疾病的双重压力下崩溃。数百只营养不良的加州海狮幼崽搁浅在海滩上，因为它们的母亲找不到食物。Straub等人[5]记录了海藻对海洋热浪的各种死亡反应，包括在部分东北太平洋地区海带的局部灭绝，这些海带在那里生长了数十年。“大斑点”随后与2015-16年新兴的厄尔尼诺现象合并，加剧了全球的热应力。

2023-24年全球海洋热异常

从2023年4月开始，全球平均海面温度几乎每天都偏离卫星测高记录，达到比1982-2011年平均值高出+0.9°C的异常值——这在一单个海洋盆地中都是非同寻常的，但在全球范围内却同步发生。驱动因素包括正在发展的厄尔尼诺现象、2022年汤加火山爆发后气溶胶载荷的减少（暂时抑制了表面反射），以及先前已被模拟证实会增加大西洋海面温度的撒哈拉沙尘减少。对热带珊瑚礁的后果在观测记录中是前所未有的：NOAA珊瑚礁监测站于2024年2月宣布了第四次全球白化事件，在大堡礁（自2016年以来第五次）、加勒比海、红海、印度洋和太平洋都记录到了白化现象。Oliver等人[3]记录了海洋热浪天数增加的长期趋势；2023年将这一趋势压缩成一个单一的、加速的演示。

驱动海洋热浪的机制

海洋热浪通常是通过风混合减少（否则会将较冷的表层水带到表面）、云量抑制（增加到达表面的太阳辐射）以及异常大气环流模式（如阻碍性高压系统）的组合而形成的。在热带地区，海洋热浪通常与ENSO阶段、马登-朱利安振荡和区域环流异常有关。在热带外地区，急流的蜿蜒形成持久的高压阻碍，可以将温暖的海洋表面条件维持数周到数月。海气反馈可以加剧海洋热浪：温暖的海面温度抑制大气对流和蒸发冷却，有助于一旦形成就维持异常。

气候变化作为放大器

Frölicher等人[4]使用大量CMIP5气候模型模拟来预测全球变暖将如何改变海洋热浪统计数据。他们的结果令人震惊：与工业化前基线相比，在RCP8.5情景下，到2100年，全球平均海洋热浪将持续112天，覆盖2100万平方公里。在升温2°C的情况下，与工业化前基线相比，全球海洋热浪天数将增加41倍。Oliver等人[3]证实了历史趋势：1925年至2016年间，海洋热浪频率约增加了54%，而平均持续时间增加了17%。关键在于，由于海洋正在变暖，90%的阈值本身也在上升——但观测到的海面温度上升速度更快，这意味着超过阈值的事件频率呈非线性加速。

对潜水员的生态影响

珊瑚白化与结构死亡

珊瑚白化发生在海面温度升高（通常比夏季最高温度高出1-2°C，持续数周以上）导致珊瑚与其细胞内共生藻（共生藻科）的共生关系破裂时。白化的珊瑚会排出它们的藻类，失去主要的能量来源，如果热异常持续存在，就会死亡。Hughes等人[6]记录了2016年大堡礁的白化事件如何导致北部区域约50%的浅水珊瑚死亡——这是珊瑚礁有记载历史上前所未有的集体死亡事件。他们的分析表明，白化现在发生在比1990年代低约1°C的温度下，因为珊瑚在从以前的事件中恢复之前就暴露了。海洋热浪通过在缓慢变暖的基线上提供急性热应激，是大多数白化事件的直接触发因素。

海带森林和海草草甸

海带森林是地球上生产力最高、生物多样性最丰富的生态系统之一，它们对温度极其敏感。冷温带海带森林中的大多数大型藻类物种的耐热上限为18-22°C，而海洋热浪的温度可能超过这些阈值几度。Straub等人[5]回顾了海藻对海洋热浪的各种反应——从抵抗、部分死亡到局部灭绝——并记录了西澳大利亚（2011年）、南加州（2014-15年）和塔斯马尼亚（正在发生）地区的区域海带森林崩溃。海草草甸为礁鱼提供了重要的育苗栖息地，在2011年宁加洛海洋热浪期间鲨鱼湾出现了大规模死亡，并且尚未恢复到事件发生前的空中覆盖范围。这些基础栖息地的丧失通过食物网级联影响巨型动物——鲸鲨、蝠鲼、海龟——这些动物吸引着潜水员前往温带和亚热带目的地。

远洋生态系统紊乱

海洋热浪使上层海洋分层，抑制营养物质上涌，并降低食物链基础的浮游植物生产力。浮游动物生物量下降，这反过来又减少了小鱼群的猎物供应，从而减少了大型捕食者的猎物。对于在生产性开放海域潜水的潜水员来说——加拉帕戈斯群岛、亚速尔群岛、科科斯岛、马尔代夫外环礁——海洋热浪条件预示着从鲸鲨、远洋蝠鲼到吸引海豚和旗鱼的饵球鱼群，一切都将减少。远洋巨型动物在持续的海洋热浪期间会将其分布向两极或更深、更冷的水域移动，直接降低了在既定热点地区的潜水邂逅率。

• 鲸鲨：聚集在生产性上涌区域周围；这些区域在海洋热浪期间会崩溃。
• 远洋蝠鲼：追随浮游动物群落；生产力降低会改变它们的空间分布。
• 翻车鱼：在深海进食后升至温暖的表层水域以调节体温——海洋热浪扰乱了它们的垂直迁移模式。
• 群居远洋鱼类（金枪鱼、杰克鱼、琥珀鱼）：压缩到更薄的含氧、热容忍层中，有时会在温暖的次表层水上方形成壮观的表层聚集——但这表明下方生态系统处于压力之下。

预测海洋热浪：潜水行程规划工具

NOAA珊瑚礁监测站实时发布全球5公里分辨率的升温周度（DHW）产品。DHW整合了12周内的累积热异常：一个DHW相当于一周的海面温度比气候最大月平均值高出1°C。白化通常从4个DHW开始，8个DHW以上则预计发生大范围死亡。澳大利亚气象局和CSIRO发布澳大利亚地区的海洋热浪追踪产品。NOAA和欧洲中期天气预报中心（ECMWF）的季节性海面温度展望提供1-6个月的高于正常海面温度的概率预测，为行程规划提供提前预警。

预测：前方更热的海洋

轨迹是明确的。Oliver等人[3]表明，如果达到1.5°C的升温（《巴黎协定》目标），海洋热浪频率将比工业化前高约五倍；在2°C时，高41倍；在3.5°C时，高90倍。实际上，这意味着在本世纪后期，在高排放情景下，大多数热带珊瑚礁地区的海洋表面将在一年中的大部分时间处于“海洋热浪”状态。到那时，Hobday[1]基于阈值的定义将变得自相矛盾——一个事件不可能相对于其本身就是海洋热浪的基线而异常温暖。Frölicher等人[4]将此称为“永久海洋热浪”状态。

到2100年，在高排放情景下，全球海洋将相对于20世纪末的基线处于永久海洋热浪状态——我们今天所说的极端将成为常态。

— Frölicher, Fischer & Gruber, Nature, 2018 [4]