原文作者：Giuliana Viglione
突如其來的海洋熱浪會摧毀生態系統，科學家正全力以赴預測它們會何時到來。
十年前，死魚突然衝上了西澳大利亞的海灘。罪魁禍首是一大片異常溫暖的海水，令海藻林和大量具有商業價值的海洋生物（從鮑魚、扇貝到龍蝦）酷熱難耐。接下來的幾周裡，西澳某些最賺錢的漁場幾乎賠光，有些直到今天還沒有恢復元氣。
危機發生後，科學家開始評估損失，試圖搞清海洋異常變暖的原因。澳大利亞海洋科學研究所的物理海洋學家Jessica Benthuysen說：“
這次的事件對海洋生態系統造成了災難性打擊。
”
自那以後，研究人員在全球海洋地區觀察到了數十次類似的持續高溫，並叫它們
海洋熱浪
（marine heatwaves）。雖然科學家對該事件的定義有所不同，但他們一致認為，
熱浪定義包括海洋表層水的一段溫暖時期，持續至少五天，並達到遠高於正常範圍的臨界溫度
［1］。
紐卡斯爾大學的海洋群落生態學家Pippa Moore說，海洋熱浪的影響會重塑食物鏈。2013-2016年，人稱The Blob的海洋熱浪發生時，西北太平洋溫暖、低營養的海水重創了浮游生物的生長。然後，大鱗大麻哈魚（Oncorhynchus tshawytscha）數量驟降，
阿拉斯加灣死亡的海鳥多達一百萬只。
在過去幾十年裡，海洋熱浪還造成了巨量的珊瑚白化。
熱浪來了
名為The Blob的大規模海洋熱浪 2013年形成於北美西海岸，一直持續到2016年年中。該地圖顯示了 海表溫度的衛星測量資料，顏色顯示為2003年至2012年平均更高（紅）或更低（藍）。兩張圖對比了2014年4月和2015年3月的溫度。
左右滑動檢視海表溫度距平（°C）
和大氣中的熱浪一樣，海洋熱浪也在每況愈下：氣候變化使其發生頻率更高（見“發熱的水域”），持續時間更長，並將溫度一再推高。這一切都要求人們儘快找出原因，並學會如何預測它們。
此類預測將幫助漁業管理者決定是否要限制捕撈量，或是完全停止一些區域的捕撈。目前的預測方式還停留在起步階段。但隨著新的觀察資料集出現、模型的不斷改進，以及全球對這一現象的關注，科學家希望他們的預測能力能在未來幾年裡大幅提高。
研究者認為，提高預測能力大有好處，因為海洋向人們提供了價值數千億美元的食物和其他資源，而其中許多都受到了海洋熱浪的威脅。“我們亟需掌握這些事件何時會在哪裡發生，” 哥倫比亞大學地球觀測站的物理海洋學家Hillary Scannell說，這將幫助全球社會計劃好應對熱浪來襲。
高壓環境
在巴西，2013-2014年的夏季尤其難熬。嚴重乾旱摧毀了農作物，引發了聖保羅的水資源短缺。與此同時，海洋升溫，葉綠素濃度（衡量生物生產力的一個指標）急劇下跌。當時，聖卡塔琳娜州聯邦大學的物理海洋學家Regina Rodrigues開始挖掘資料。
她發現乾旱和海洋變暖有一個共同的原因：在夏季的大多數時候，一個高氣壓系統一直停留在該國的東南部
［2］。
這種長時間持續的高壓系統和大氣阻塞這種現象有關，也是導致海洋熱浪（和陸地熱浪）的最常見因素之一。大氣阻塞會導致雲層稀薄、相對無風。沒有云層，更多陽光輻射就能抵達海洋並將其加熱；同時，平靜的空氣也抑制了混合和蒸發。這些因素都會導致上層海洋熱量累積，這會改變風的模式，加劇或延長暖化。
在2019年發表的一項研究［2］中，Rodrigues和她的團隊發現，
大西洋西南部約60%的海洋熱浪事件
（包括2013-2014年的這次）
都是高壓系統帶來的
，這些高壓起源於數千公里外的印度洋某處，隨後透過大氣向南美移動。但因為大氣阻塞依賴於太多因素，這個複雜現象很難用數值模型進行重建。Rodrigues說：“它依賴於氣候系統的很多方面，很難做到準確。”
這些看似不相干的遙遠地區，透過“遙相關”
（teleconnection）
彼此關聯。
Rodrigues將其比喻為往湖中投下一塊石頭，並看著漣漪擴散。在她的研究中，她發現整個過程通常始於靠近地表的空氣開始變暖和上升。她說，印度洋上方的對流突入大氣，導致大氣波抵達南美，最終產生了海洋熱浪。
氣候系統的這一內在相關性令預測變得非常複雜。
研究者不能只對海洋中特定的一小塊相關區域建模，而得將全球各處發生的現象都考慮進去。
Robert Schlegel說，釐清導致海洋熱浪的氣候條件是非常艱鉅的工作。他是法國索邦大學Villefranche海洋研究所的資料科學家。包括Schlegel在內的許多研究人員正在嘗試利用統計學和機器學習方法理解海洋熱浪的主要成因。
深度驅動
有些時候，海洋熱浪的驅動因素藏在海洋內。
西澳大利亞附近發生的事件就屬於這種，當時南向的利文流（Leeuwin Current）增強了。隨著這股海流的加強，它從印度洋帶來了比往常更多的暖水，使數百公里的海岸沐浴在長達數月的熱浪中［3］。
2015-2016年間，澳大利亞和紐西蘭之間的塔斯曼海出現熱浪也是類似的原因，其持續時間和強度都創下了該海域的紀錄。2017年的一項研究［4］追蹤了該事件的成因，發現東澳大利亞海流加強，將溫暖的熱帶海水帶到了這些國家的海岸。該研究的共同作者、塔斯馬尼亞大學的海洋和氣候科學家Neil Holbrook說，這類海洋成因的事件對塔斯曼海的影響比大氣導致的事件影響更深。
這些更深層的事件對氣候科學家提出了不一樣的挑戰。當前對海洋熱浪的所有了解幾乎都僅限於海洋表面發生了什麼，研究人員可以用衛星裝置繪製溫度地圖，追蹤近實時進展。但是表層底下是一個複雜洋流的世界。“我們能看到並界定表面的熱浪，” 加拿大達爾豪斯大學的物理海洋學家Sofia Darmaraki說，“但表層只是海洋熱浪的冰山一角。”
追蹤水下情況的觀測網路相對較少。
一些區域有浮子和浮標提供資料，但另一些區域完全沒有。
水下熱異常如何發生、持續和變化，是海洋熱浪研究中最大的待解問題之一。
而由於絕大部分海洋生物棲息在海表以下，這也是科學家亟需探索的一個關鍵領域，Scannell說，“我們尚未徹底摸清水下熱浪對生態系統的影響。”
海洋熱浪常對生態系統造成破壞，導致大範圍的珊瑚白化。來源：The Ocean Agency/Ocean Image Bank
Benthuysen和其他澳大利亞研究人員正嘗試填補一些空白，他們使用一種稱為基於事件取樣（event-based sampling）的策略。澳大利亞的綜合海洋觀測系統（IMOS）與合作伙伴維護著一支隨時待命的海洋滑翔器編隊（水下遙控裝置）。當海洋熱浪發生時，IMOS團隊可迅速調集滑翔器入水，收集關於溫度和鹽度的重要資料。
今年初進行了一個此類測試，因為西澳附近的水域開始再次變暖。研究者用滑翔器追蹤海洋熱浪的進展，這次熱浪最終發展繼十年前一次災難性事件後該海域出現的最嚴重的海洋熱浪。滑翔器遊了500多公里，捕捉到2月初一個熱帶氣旋對該水體產生的冷卻效應。3月和4月，研究團隊又部署了兩臺滑翔器從塔斯馬尼亞海岸出發，幫助繪製塔斯曼海持續熱浪的規模。這兩臺滑翔器顯示，海洋表層的溫度異常要高於最上層水域。
研究者說，這些滑翔器收集到的資料或能改善動態預報模型的預測，這些模型可以模擬海洋和大氣活動背後的物理學。“收集近實時資料，確保將其納入短期模型，這有望指導決策制定，並及時溝通可能發生的情況。”
有限預報
新南威爾士大學的氣候科學家和海洋學家Alex Sen Gupta說，現在的預報系統還不能提前很早預測極端天氣。“
海洋預報學其實比天氣預報學落後很多。
”
Sen Gupta說，有些模型也許能提前幾天或一週預報異常事件。但在這之外，氣候系統的混亂本質意味著單個事件更難預報。對許多利益相關者來說，現在的模型不夠成熟，也不夠精細，無法為他們需要制定的政策提供資訊，用來應對可能的熱浪。
新加坡國立大學的海洋生態學家Jahson Alemu I 指出，現在的預測模型解析度比多巴哥島小不了多少，這使得決策和向公眾預報風險都很困難。Alemu I也是專注於加勒比海洋問題的非政府組織SpeSeas的主管。
目前，研究者多依靠基於過去模式的統計模型，來大致推斷在某個時間段內是否可能發生熱浪。但是這些模型只是權宜之計，學界仍在等待足夠成熟的動態模型來預測這類事件。“
統計學模型的前提是過去出現的模式會重複出現
，”澳大利亞聯邦科學與工業研究組織（CSIRO）的海洋科學家Alistair Hobday說，
在一個氣候快速變化的世界裡，這樣的模型將會失效，動態模型才是未來的方向。
Hobday在CSIRO領導的一個專案專門預測海洋熱浪。12月的時候這個團隊釋出了首個利用機器學習技術生成的統計學預報，該技術整合了海表溫度和上層海洋儲存熱量的歷史資料和模型。預報警告稱，西澳海岸在1至4月間很有可能出現海洋熱浪。
事實上，年初海岸溫度的確升至異常高點。Hobday說，今年的統計學預測是一種概念驗證——研究團隊特地選擇了一個海洋熱浪可能出現的較大區域和長時間段。但明年他的團隊計劃對這一區域釋出動態預報，就海洋熱浪風險提供更精細的報告。
晦暗的未來
氣候科學家只對一類海洋熱浪的預測比較有信心：
氣候變化肯定會加強和加劇這類事件的發生。
隨著人們持續向大氣排放溫室氣體，氣候模型預測，全球溫度升高會加劇海洋熱浪的方方面面。Holbrook說：“你預計到氣候變化會讓極端事件增加。事情只會變得更糟。”
一些變化已經發生了。
1925到2016年間，全球每年的海洋熱浪天數增加了50%以上。
從1982年有衛星記錄以來，近三分之二海洋出現的海洋熱浪增強了［5］。而且科學家預測這些趨勢將會持續下去。一些研究顯示，即使在適度變暖的情景下，幾乎所有的海洋都會在今後幾年經歷更頻繁、持續時間更長的熱浪［6，7］。
過去幾十年間的許多極端事件也因氣候變化變得更糟了。2020年的一項研究［7］分析了1981年以來影響最大的7次海洋熱浪，結論是除了一次以外，所有海洋熱浪多少是由人為導致的變暖引起的（見“40年海洋熱浪”）。研究團隊用前工業時期大氣二氧化碳濃度執行的模型與當今濃度執行的模型進行了比較。
領導這項工作的伯爾尼大學氣候科學家Charlotte Laufkötter說，研究結果表明，其中一些事件太強了，以至於它們完全可以歸因於人因氣候變化。“
在前工業化時期，它們是不可能出現的。
”
科學家預測，在下個世紀的某個時間，許多海洋的暖化程度將超過定義這類事件的溫度閾值——
讓世界上許多地區陷入永久性的海洋熱浪狀態。
Laufkötter 說：“如果變暖到了那個程度，它就不再是什麼極端事件了，而是新常態了。”
參考文獻：
1。 Hobday， A。 J。et al。 Prog。 Oceanogr。
141
， 227–238 （2016）。
2。 Rodrigues， R。 R。， Taschetto， A。 S。， Sen Gupta， A。 & Foltz， G。 R。Nature Geosci。
12
， 620–626 （2019）。
3。 Feng， M。， McPhaden， M。 J。， Xie， S。-P。 & Hafner， J。Sci。 Rep。
3
， 1277 （2013）。
4。 Oliver， E。 C。 J。et al。 Nature Commun。
8
， 16101 （2017）。
5。 Oliver， E。 C。 J。et al。 Nature Commun。
9
， 1324 （2018）。
6。 Frölicher， T。 L。， Fischer， E。 M。 & Gruber， N。Nature
560
， 360–364 （2018）。
7。 Laufkötter， C。， Zscheischler， J。 & Frölicher， T。 L。Science
369
， 1621–1625 （2020）。
原文以Fevers are plaguing the oceans — and climate change is making them worse為標題發表在2021年5月5日《自然》的新聞特寫版塊上
© nature
doi: 10.1038/d41586-021-01142-4
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