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湖泊也有少女心,粉红色的湖!人类被迫远离,有一种鱼却能存活!
2018-05-24 17:11:12


    肯尼亚马加迪南部的大裂谷,一个巨大的琥珀,河床几乎全都是固体或半固体的苏打水,湖里沉淀了大量的天然矿物碱,碳酸钠的原料。马加迪湖是世界上少有的几个自然形成天然碱的湖泊,也是非洲最大的产碱地之一。

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  马加迪湖在旱季时湖泊面积约100平方公里,湖水含有浓度极高的碳酸钙,在湖床分泌的苏打水作用下变成粉红色,湖边还会形成一圈淡粉色的盐层。雨季时最多可扩大到900平方公里,最深可达到14米,却清晰可见淡水(略咸,不可食用)与苏打水(碳酸钠稀释)的分层。

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  经过数万年的风吹日晒,湖底盐层已经堆积至40米厚度,天然碱的厚度也在4-10米左右,因此也被称为腐蚀性最强的湖泊,因为地下水系统的蔓延,人类也不得不被迫远离至数百公里外生活。

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  马加迪湖的湖床几乎全由固体碱或半固体碱构成,将湖水染成鲜艳的粉红色。有若干冷水溪流和含碱成分高的热水溪流注入,而且湖底还有火山口,不断涌出被加热的高温苏打矿泉水,最热的地方甚至能直接煮熟鸡蛋。

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  但在这么一个危险的湖里却生存着一种鲫鱼,又名盐碱非洲鲫鱼。硅藻和一些状藻类是鲫鱼非常喜欢吃的食物,而在火山温泉口周围的藻类长得最好,但那也是温度最高的地方。正所谓富贵险中求,这里的非洲鲫鱼为一口吃的,就要经常冒着失去生命的危险。

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  因此,它们时常会面临痛苦的抉择,到底是为了自身的安全还是去满足口腹的欲望。因为很可能在绿藻刚下肚的瞬间,生命也就戛然而止了。但这难不倒它们,聪明的非洲鲫鱼想到了一个办法:飞快地游到温泉口周围大吃一口绿藻,然后火速游回到冷水中降温,这样即可吃到绿藻,又可避免自己被煮熟。

 


为什么今天的台风异常“淘气”?
2018-05-15 17:47:40


 

2017--台风活动异常之年

 

2017721日凌晨至22日下午,在短短34个小时内,第5678号台风相继在太平洋生成;它们分别是05号台风奥鹿06号台风玫瑰07号台风洛克08号台风桑卡(图1)。这是近23年来首次出现四台共存现象。历史上多台共舞的情况并不少见,但大多为二个台风或者三个台风共存。今年98日在大西洋同时存在三个飓风(图2)。其中飓风厄玛Irma)是大西洋历史上最强的飓风之一,其最大风速达到82/秒以上。对于这样的不平常的台风活动,一个自然的问题是气候变化对台风的生成和发展起到什么样作用。

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 1: 2017721日太平洋四台共舞


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2: 201798日大西洋三飓风同存

 

台风及其生成条件

 

台风(或更广泛地,热带气旋)是指热带大气低气压系统:在北半球逆时针方向旋转,南半球顺时针旋转。热带气旋可在全球许多热带海洋地区生成(图3),全球每年有90个左右。在不同的海区,热带气旋的称谓也有差别,被称为台风、飓风、热带风暴、气旋性风暴或气旋等。在西北太平洋,被称为台风;在大西洋北部,太平洋东北部,称为飓风;在孟加拉湾地区称为气旋性风暴;在南半球则称气旋。由于地球自转和大气引导气流的效应,热带气旋在北半球和南半球分别朝西北和西南方向移动。目前世界各国对热带气旋的定义和分类标准并不完全相同,国际上比较通用的标准是按照热带气旋的强度(即气旋最大风速)进行分类。根据萨菲尔-辛普森等级(Saffir-Simpson scale,可以将热带气旋分成三类:热带低压,热带风暴和飓风。当最大表面风速为10-17m/s时为热带低压。热带低气压的风速达到至少18m/s,它会被命名,并被归为热带风暴。热带风暴继续加剧并达到33 m/s的风速,则热带风暴被定为飓风。飓风进一步分为5类,1-5类的最高持续风速分别为33-4243-4950-5859-6970m/s以上。

 

虽然目前热带气旋生成的详细过程和原因还不太淸楚,但热带气旋的生成和发展需要下列条件:1)广阔的高温、高湿大气。热带洋面上的底层大气的温度和湿度主要决定于海面水温,因此热带气旋只能形成于海温高于26-27的暖洋面上;(2)低层大气辐合、高层辐散的初始扰动;且高层辐散必须超过低层辐合,以维持足够的上升气流令低层扰动不断加强;(3)弱的水平风速垂向差异(即垂直风切变)。如果高低空水平风速相差过大,潜热会被迅速平流,不利于热带气旋的维持;(4)足够大的地转偏向力。地球自转作用有利于气旋性涡旋的生成。地转偏向力在赤道附近接近于零,向南北两极增大,热带气旋通常发生在大约离赤道5个纬度以上的洋面上。

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3: 全球热带气旋生成地区和路径

 

台全球变暖对台风活动的影响

研究全球变暖和热带气旋的关系需要长时间的观测资料。北大西洋的热带气旋观测资料最长,始于1851年。由于上世纪70年代后才开展卫星观测,因此在其之前产生并消亡于大洋的热带气旋可能无法被记录。所以比较可信的热带气旋资料是登陆飓风的资料。图4展示了1851年之后登陆美国的飓风。自从1851年,登陆的飓风数量没有增加,反而减少,这表明全球变暖不利于飓风的生成和发展。这一观测事实也与数值模拟的结果一致。

对于全球热带气旋的变化,观测资料和数值模式的研究达成共识:全球变暖会降低全球热带气旋的数量,但会增加热带气旋的强度和热带气旋引起的降雨量。换句话说,全球变暖减少全球热带气旋的总数,但强的台风或飓风会越来越多。全球热带气旋总数减少的原因是由于全球变暖增加了大气的稳定性,不利于大气对流的发展。而热带气旋变强是由于全球变暖加强了热带气旋形成和发展时的热力学因素。

全球变暖也影响台风或飓风的路径。如有的研究表明,海洋变暖会减弱大西洋副热带高压,同时令副热带高压向东北方向移动(图5a)。副热带高压强度的减弱和位置的偏移,会引起向北或向东北方向的引导气流。向北或东北方向的引导气流使飓风向北或者向东北方向移动,不利于其在美国东南地区登陆。相反,如果海洋变冷,由此产生的副热带高压和大气引导气流促使飓风向西北方向移动,从而有利于在美国东南地区登陆(图5b)。

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4: 登陆美国的飓风数量。黑线是线性趋势,蓝线代表年代际变化

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5: (a)和冷(b)海洋对应的副热带高压。黑色虚线箭头表示飓风路径


多年代际气候变率对台风活动的影响

 

在年代际和多年代际时间尺度上,主要的气候变率有太平洋年代际振荡和大西洋多年代际振荡。在太平洋年代际振荡的正位相,热带中、东太平洋偏暖而中纬度北太平洋偏冷;其负位相则反之。太平洋年代际振荡在正(负)位相时,西北太平洋热带气旋数量増加(减少)(图6)。这是由于太平洋年代际振荡的正(负)位相增加(减少)了低层大气相对涡度并同时减少(增加)了大气的垂直风切变,二者都利于(不利于)热带气旋的生成和发展。

大西洋多年代际振荡反映了北大西洋海温多年代际变化,是由大西洋翻转流引起的。大西洋多年代际振荡不仅影响北大西洋热带气旋,也影响东北太平洋热带气旋。偏暖的北大西洋能够引起对流层上层的东风异常,该东风异常横跨中美州大陆延伸到东北太平洋。因此,暖的北大西洋减弱了北大西洋的垂直风切变,而令东北太平洋的风切变加强。所以大西洋多年代际振荡的正位相有利于北大西洋的飓风活动而不利于东北太平洋的飓风活动。大西洋多年代际振荡冷位相发生时,情况则相反。

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6: 西北太平洋6-8月热带气旋时间序列和Nino3.4指数。1979-19971998-2015)太平洋年代际振荡为正(负)位相

 

 

年际气候变率对台风活动的影响

在年际时间尺度上,厄尔尼诺-南方涛动(El Niño-Southern Oscillation, ENSO)是全球最强的气候现象。当厄尔尼诺(拉尼娜)发生时,热带东太平洋海温变暖(冷),因此会增加(减少)东北太平洋的飓风活动。此外,厄尔尼诺(拉尼娜)也通过遥相关增加(减少)北大西洋的垂直风切变,从而不利于(利于)北大西洋飓风的产生和发展。之前的研究表明,ENSO对西北太平洋台风数量的影响不明显,但是厄尔尼诺(拉尼娜)会使西北太平洋台风源地向东南(西北)方向偏移。

最近根据卫星观测数据的结果表明,ENSO和西北太平洋台风的关系有明显的加强,特别是1998之后二者的相关性增加到0.6(图6)。这是由于自上世纪90年代末之后,中部型厄尔尼诺事件增多,增加了垂直风切变和湿度对台风的效应,从而增强了ENSO和台风在年际尺度上的联系。

 

面临的问题和挑战

研究气候或海洋对台风影响的重要目的之一是改善并提高台风预报,以减少台风造成的生命财产损失。在过去几十年的研究中,台风路径的预报有显著的提高,但对台风强度和降雨量的预报改进不大,这主要归咎于台风观测资料的缺乏。当飓风在大西洋生成后,美国利用飞机穿越台风采集资料,这在一定程度上解决了当前大气资料不足的问题。但目前还缺乏台风之下的海洋观测,这也是造成当前台风强度预报改进不大的原因之一。新的海洋观测技术Glider(水下无人机)为改进台风期间的海洋观测提供了希望,但如何利用Glider开展观测还是亟待解决的问题。

控制台风变化的物理过程非常复杂,涉及到台风内部动力学、大尺度气候变化和小尺度天气过程等。目前的海气耦合模式很难同时模拟好大尺度和小尺度变化。有的模式可很好模拟气候变化但无法模拟台风;相反有能力模拟台风的模式却又无法模拟气候,如何使海气耦合模式即能模拟台风又能模拟大尺度的气候变化是我们有待解决的另一个问题。

 

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王春在

 

王春在,男,博士,中国科学院南海海洋研究所研究员,青岛海洋科学与技术国家实验室海洋动力过程与气候功能实验室研究员,中国科学院率先行动百人计划学术帅才(A类)首批入选者、中共中央组织部的千人计划、中国教育部长江学者。主要从事海洋-大气相互作用和气候变化及极端天气事件的研究,在《Nature》、《Nature Climate Change》等杂志共发表SCI学术论文和综述论文130多篇。SCI论文引用近4000次,3篇文章被Web of Science评为高引用文章,入选全球地学领域 Top1% 高引用科学家。担任多个国际著名学术刊物(如《Journal of Geophysical Research-Oceans》、《Journal of Climate》)的主编或副主编。

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原创   王春在 海洋国家实验室

https://mp.weixin.qq.com/s/tL_BRhwCm_gJKfn5btH3sA

气候变化下的热带太平洋 ----世界难题,中国机遇
2018-05-10 17:03:35



一、热带太平洋及其气候效应

 

 热带太平洋海域宽广,海洋和大气的热力、动力状况复杂多变,是全球气候系统的发动机和调节器。从热力的角度,全球海温最高的巨大水体-暖池(Warm Pool-位于热带西太平洋,其高温可引起强对流,是大气纬向的沃克环流(Walker Circulation)和经向哈德莱环流(Hadley Circulation)的源地,二者对热量、动量、水汽等在全球的再分配至关重要。已有研究表明,在有些年份,暖池异常偏东,西太热含量减小,南海夏季风爆发偏晚,中国往往出现北旱南涝的降水分布;反之,则出现北涝南旱

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从动力的角度,热带太平洋的海洋环流系统精细、复杂,在大洋内区包含表层的南(北)赤道流(SECNEC)、南(北)赤道逆流(SECCNECC),以及次表层的赤道潜流(EUC)、北赤道潜流(NEUC)、赤道中层流(EIC);在西边界流区包含表层的黑潮(KC)、棉兰老流(MC)、印尼贯穿流(ITF)、新几内亚沿岸流(NGCC),以及次表层的吕宋潜流LUC)、棉兰老潜流(MUC)、新几内亚沿岸潜流(NG-CUC)。三维海洋环流是热量、质量、生物化学要素等在全球循环的海洋通道,其多尺度变异可对暖池、热带太平洋动力结构、厄尔尼诺-南方涛动(ENSO)等产生重要影响。


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1953-2012年印度-太平洋SST趋势和暖池分布(Weller et al, 2016

 

从海气耦合的角度,热带太平洋是全球海气耦合最活跃的区域之一,也是ENSO事件的发生地。ENSO是热带海气耦合在年际尺度上最显著的模态,其具有冷、暖两个位相,分别称为厄尔尼诺和拉尼娜,每2-8年发生一次。在1982/831997/98极端厄尔尼诺事件发生期间,海温暖异常被发现自西向东传播,这与通常的认识(自东向西传播)完全相反。极端厄尔尼诺发生时,赤道东太平洋的海温暖异常超过了3°C,导致热带辐合带(ITCZ)大规模地向赤道偏移,并造成厄瓜多尔、秘鲁北部以及我国发生灾难性的洪涝;同时,作为南半球最大的降雨带,南太平洋辐合带(SPCZ)在此期间向赤道方向最大偏移量高达1000公里,导致南太平洋周边多个国家遭受了洪水、干旱或极端的台风灾害。值得注意的是,1997/98极端厄尔尼诺事件还伴随着秋季发生的极端正印度洋偶极子事件;紧接着在1998/99年发生了极端拉尼娜事件,诱发了美国西南部及赤道东太平洋地区的干旱、西太平洋及美国中部地区的洪水以及更多登陆的台风和飓风。ENSO事件伴随着次表层海洋结构、大气辐合中心以及遥相关型的变化,对全球气候、生态系统和农业等都有显著影响。

 

从遥相关的角度,经向上,赤道太平洋的海温异常可触发向北的太平洋-北美型波列(PNA)、太平洋-日本型波列(PJ),以及向南的太平洋-南美型波列(PSA),以球面罗斯贝波的形式将热带的信号传播到中高纬,引起当地的气温和降水变化;纬向上,热带太平洋的海温异常可通过大气桥(包括沃克环流变化、Gill型大气响应、气压梯度引起风场异常等过程),引起热带大西洋(比如ENSO成熟期后的春季往往对应着热带北大西洋增暖)、热带印度洋(比如ENSO可引起印度洋海盆一致增暖模态)的海温变化。 

 

总之,热带太平洋平均态和多尺度变异(ENSO等)对全球气候有着重要的调制作用,其动力机制、气候效应、预测模拟以及未来变化等是海洋学家持续研究和关注的焦点及前沿科学问题。

 

二、气候变化下的热带太平洋

 

观测、再分析和模式资料均证实,从19世纪末开始全球气候逐渐增暖:如果以温度来衡量,1901-2012年间全球平均表面温度(包含海表面温度(SST)和陆地表面气温)增长了0.89±0.2°C;以冰冻圈的冰雪量来衡量,1971-2009年全球平均冰雪量减少速率为0.63±0.38 mm/yr ;以海表面高度来衡量,1901-2010年全球平均海表面高度升高了0.19±0.02m。虽然全球变暖存在较强的年际、年代际变化比如1998-2012年间的全球增暖速率有所停滞,但从多年代际或者趋势的角度看,整个地球系统的增暖还会持续。已有研究表明,人类活动产生的温室气体(CO2CH4N2O等)增加是造成全球变暖的主要因素:温室气体浓度的变化会显著影响气候系统的能量收支,进而导致地球不断地通过辐射得到能量。而在多种温室气体之中,CO2 又起到最关键的效果:20153月,大气CO2浓度已突破400ppm,超过了工业革命前浓度(278±2ppm)的40%

 

全球变暖已在世界范围内产生重要影响,比如在极端天气或者气候事件的变化方面:从极端温度的角度讲,1950年开始全球大部分陆地的高温和低温极值都有明显的升高,即极端寒冷事件减少而极端温暖事件增多;从极端降水的角度讲,虽然陆地强降水事件的变化具有区域不一致性,但总体上1950年之后强降水事件有所增加;并且在厄尔尼诺发生期间,热带海洋上的极端强降水事件也有增多。在大气环流的变化方面,沃克环流在20世纪中呈现减弱的趋势,哈德利环流的下沉区向极地扩展,东亚夏季风在1920年后减弱。此外,全球变暖背景下极端厄尔尼诺事件增加、北大西洋热带气旋活动增强、干旱事件频发,为人类社会带来了更多的灾害。

 

全球变暖背景下,热带太平洋平均态的响应还存在很大争议。根据观测和再分析资料,不同数据得到的20世纪热带太平洋SST的增暖趋势不同:HadISST资料、KaplanSST资料反映出类拉尼娜型增暖(La Niña-like warming;赤道西太平洋SST增暖大于东太平洋,SST的纬向梯度增强),ERSST资料、ICOADS资料反映出类厄尔尼诺型增暖(El Niño-like warm-ing;赤道东太平洋SST增暖大于西太平洋,SST的纬向梯度减弱);根据模式模拟资料,不同模式得到的响应类型也不相同:Cane-Zebiak耦合模式的结果支持类拉尼娜型增暖,而大部分参与World ClimateResearch Programme(WCRP) Coupled Model Inter-comparison Projects (CMIP) phase3phase5等计划的海气耦合环流模式(fully-coupled GCMs)则显示出类厄尔尼诺型增暖。

 

      机制方面,类拉尼娜型增暖主要从海洋的角度出发:由于赤道东太平洋存在很强的上升流,其垂向对流输运效果会抵消大部分的大气辐射加热,进而相对于赤道西太平洋增暖较小,随后这种东、西增暖差异在Bjerknes正反馈的作用下得以放大;类厄尔尼诺型增暖主要从大气的角度出发:根据简单的水汽收支理论,沃克环流在全球变暖背景下减弱,海洋随之调整,表现为赤道东太平洋上升流减弱,赤道温跃层倾斜减小,整个赤道温跃层整体变浅,大气的辐聚中心向东扩展,进而有利于东部增暖加强;如果同时考虑大气和海洋的作用,海洋的动力过程(上升流、平流输运等)与大气的反馈过程(云的反馈过程、蒸发反馈等)会互相制约,各种物理过程的相互作用,最终决定SST的增暖类型;当各种物理过程比较平衡时,有可能出现一致增暖,即赤道太平洋东、西增暖的程度类似。


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ENSO循环 左图:太平洋平时状态(赤道风将温水向西吹、冷水沿南美洲海岸上涌);

右图:圣婴现象(温水向南美洲吹送,冷水不再上涌而使海洋变暖),此时太平洋东西气压亦随之变动,即所谓南方涛动)。

 

未来ENSO整体的振幅或者频率究竟如何变化,虽已历经几十年的研究以及几代模式的发展,仍然没有统一的结论,唯一只有文章明确提出厄尔尼诺Modoki的发生频率会增加。在多模式模拟结果没有一致性的情况,更多的精力被投入到研究ENSO事件中某一具体过程或着ENSO影响的变化上。目前已有的认知包括,极端厄尔尼诺事件和ITCZ向赤道偏移现象、SPCZ向赤道大幅度摆动现象、海温暖异常向东传播的厄尔尼诺事件,以及厄尔尼诺引起的降水异常,在全球变暖背景下都会显著增加。其机制如何?根据已有研究,这些增加并不依赖于SST变率的变化,而是与背景场的关系更为密切。具体来看,在全球变暖场景下,模式模拟的赤道太平洋的增暖大于赤道以外,同时赤道东太平洋的增暖大与赤道西太平洋,造成背景SST的经向梯度(赤道以北减赤道中心)、纬向梯度(西减东)均减弱,大气的辐合中心更容易移动,有利于ITCZ向赤道的偏移和SPCZ向赤道的极端摆动;另一方面,背景SST的纬向梯度减弱,导致了信风减弱,相应的赤道太平洋西向的背景流场减弱,这意味着即使厄尔尼诺事件中温度异常的强度不变,也更容易出现背景流场的反向,也就是会有更多的暖异常向东传播;根据诊断计算结果,在ENSO事件中,赤道太平洋SST背景场的增暖会引起更强的降水响应,与之相比,SST变率的变化只是次要因素;此外,模式模拟的未来海洋大陆的增暖要大于赤道中太平洋,导致东风异常更易产生,并诱发更多的极端拉尼娜事件。总体而言,如果未来温室气体的排放持续下去,那么与ENSO相关的灾难性天气、气候事件将会发生的更加频繁。

 

三、世界难题,中国机遇

 

为应对气候变化,175个国家于2016422日在纽约签署了《巴黎气候变化协定》,承诺将全球平均气温较工业化前水平升高控制在2摄氏度之内,并为把升温控制在1.5摄氏度之内而努力。《巴黎气候变化协定》对2020年以后的全球气候变化治理做出了新的制度安排,是一项具有里程碑意义的全球应对气候变化协定,对国际气候变化气候谈判走势和新全球气候治理模式的发展起着关键性的引导作用。美国新一届总统特朗普201761日宣布,美国将退出《巴黎气候变化协定》,引发全球强烈反应。在这种情况下,中国应当也有能力主导全球气候变化的研究、评估和预测等关乎人类可持续发展的重要科学问题。

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2015年巴黎气候大会标志

 

《巴黎气候变化协定》所规定和引导的未来升温趋势会对未来极端气候事件的发生产生什么样的影响是一个非常重要的课题。解决这一课题将会让我们更加清晰的认识到该协定的重要性。那么如何来研究气候变化下的热带太平洋和印度洋?从物理海洋和气候的角度,最主要的研究手段是采用模式研究,而这也恰恰是制约气候变化领域取得突破的难题:模式模拟的准确性。由于模式中存在着未知的不确定性,以上章节提到的现象其可信程度只能被定为中等。以热带太平洋为例,模式模拟出的极端ENSO及其极端影响的变化是建立在赤道东太平洋增暖更多、信风减弱的基础上,而这一点显然与最近20年观测得到的信风增强有所出入。

 

具体来说,首先,除了每个模式自身固有的模拟偏差,冷舌过冷现象(赤道东太平洋海温偏低,过于集中在赤道海区,且过多地向西延伸)几乎在所有模式中存在,一直没有解决。而这些模式偏差究竟带来多少影响,目前尚不清楚;其次,我们对于ENSO与年循环之间的相互作用、ENSO的触发及转换、随机天气事件与ENSO的耦合,以及ENSO的先兆、增长与消亡机制等方面均缺乏足够的认知,更不用说在气候模式中正确的模拟以上过程;第三,根据模式模拟结果,平均态的变化会影响ENSO事件中一系列的正、负反馈过程,而这些正、负反馈过程互相叠加,直接决定了ENSO的变率。虽然很多反馈过程都会对全球变暖产生响应,但若叠加起来看总体的变化,不同模式模拟的结果差异很大,多模式间对于ENSO变化的模拟没有一致性。这是由于ENSO的变化本身真的较小,还是由于模式偏差或者模式对ENSO的模拟不足所致,需要进一步探讨。提高模式模拟的准确性,减少模拟偏差,是需要持续投入精力进行研究的关键问题。

 

其解决方法,一方面要建立专业的模式研发团队。虽然我国中科院大气所、国家海洋局一所等单位已有自己开发的模拟较好的耦合模式,但以物理海洋和气候相互作用作为重点和特色的全球环流模式,甚至地球系统模式,还是空白。未来我国想在气候变化领域起到主导,必须有自主研发的、能在国际上得到广泛认可的、模拟效果更好的地球系统模式。另一方面,模式的进步离不开观测。我国需要进行持续的海洋和大气观测,且不能只局限于近海或西边界流区,还要观测到混合等精细的尺度。更多的观测才可以更好地确定准确的、长时间的平均态及其变化,进而更好的模拟ENSO等气候模态。第三,一个国家的观测能力有限,我国应该积极主导全球合作计划,带领多国进行全球范围的观测。此外,目前我国很多海洋观测仪器依赖进口,像glider等仪器甚至还对中国禁运。我国应提高海洋观测技术,自助研发一批高水平的观测仪器,将中国技术和中国标准推向世界,从工程和科研领域全面主导气候变化的话语权。

 

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 蔡文炬简介 

蔡文炬,男,博士学位,澳大利亚国籍,国家千人计划入选者。现任澳大利亚联邦科学与工业研究组织(CSIRO)首席科学家,中澳南半球海洋研究中心(CSHOR)主任,青岛海洋科学与技术国家实验室鳌山人才领军科学家,CLIVAR科学指导委员会成员。蔡文炬是海洋与气候领域国际知名专家,近五年在NatureNature  Climate  ChangeNature  Geoscience等权威杂志发表论文60余篇,Google citation h-指数为46

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原创 

来源:蔡文炬 海洋国家实验室

https://mp.weixin.qq.com/s/nochBwWHmujqYqr8oTdWug 

海水变“醋”,是给人类敲响的警钟
2018-05-10 15:09:10

 

    前些年,海洋酸化是这样在人们口中流传的:“受海洋酸化影响,珊瑚将于百年内消失。”这听起来更像是一种促销口号,据说此话一出,“赢得”了众多收藏家的青睐,纷纷出手抢购珊瑚藏品,掀起了一股珊瑚收藏热,然后不少商家大发其财。你可能会认为海洋酸化只是“无良”商家敛财的一种手段,其实不然,海洋酸化影响甚重,已渗入到生活的多个方面。


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    在前段时间海洋国家实验室理事单位中国海洋大学参与的中国第七次北极科考中,就将北冰洋酸化问题列入考察任务里。海洋酸化现象是空气中的二氧化碳溶于海水后形成碳酸,使海水的PH值下降,这对部分海洋生物来说,无疑是一种沉重的打击。

    拿商家口中的“海洋酸化‘杀死’珊瑚”来说,这话虽然有点绝对,但并不是没有可能。简单来说,珊瑚或珊瑚礁群的主要化学成分是碳酸钙,海水酸化会“腐蚀”它们的碳酸钙外壳,从而对它们造成致命伤害。在海洋里,碳酸钙的形式被称之为霰石,是动物用来构建和维护壳的,当钙和碳酸离子低于一定水平时,霰石就会开始溶解,直到暴露出“肉体”,而暴露就等于自杀,特别是在生物的早期阶段,像蛤蜊、牡蛎、蟹类、龙虾等甲壳类动物等都会深受其害。

    除了对海洋生物的腐蚀,海洋酸化更多的危害是破坏食物链,破坏海洋生态系统。有研究发现随着海水酸性的增大,重金属镉会在海洋生物中富集。

    一项实验以过滤后的海水养殖蓝青口、血蛤、文蛤三种海产品为研究对象,其中作为对照组的海水pH值为8.1。研究人员通过不断用周围空气或是空气和二氧化碳的混合物向养殖的塑料箱中充气,使海水pH值分别维持在8.1、7.8和7.4。他们发现三个物种在二氧化碳酸化过的海水比在pH值保持为8.1的对照组中都会积累更高浓度的镉,而且镉的平均浓度在贝类的套膜处比鳃和闭壳肌更高。镉含量的增大不仅会危害海产品的养殖,还会对海水环境和食用者的健康造成危害。

    “祸出同因”,同全球气候变暖一样,海洋酸化也是由温室气体二氧化碳的过度排放。据世界气象组织称,今年上半年,全球陆地和海洋平均气温创有气象记录以来的最高值,2016年正在成为史上最热年。另有数据显示,迄今为止二氧化碳在地球大气中的浓度早已超过了具有象征性的警示线400个百万分比浓度。

    在抑制海洋酸化上,控制二氧化碳的排放量已是个老生常谈的解决办法,这是根本,仍需严格执行。利用海草甸也能帮助甲壳类生物克服海洋酸化带来的影响。此外,我们必须寻找新的方案。

 

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来源:海洋国家实验室

http://mp.weixin.qq.com/s/Ul-QBgGwFNJPnTwHky-oSQ


你误会的厄尔尼诺!
2018-04-26 16:31:28


提到厄尔尼诺,你脑海中想到的第一个词是什么?灾难,噩梦还是死亡?在许多人眼中,厄尔尼诺就是死神,凡它出现,必定车毁树倒,人们苦不堪言。其实,厄尔尼诺并没有我们想象的如此可怕,有时,它也会给我们的生活带来许多好处。


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圣婴的传说

厄尔尼诺是西班牙语圣婴的音译。据说,居住在秘鲁附近的印第安人十分注意海洋与天气之间的关系,如果圣诞节期间,沿海的海水比往常温暖,不久之后,便会天降大雨,并伴有海鸟迁徙等奇怪现象发生。迷信的印第安人将这种自然现象当成一种神迹,称为圣婴


三句话读懂厄尔尼诺

也许你知道厄尔尼诺的大名,也许你知道它会给人类带来灾难,但你知道它是如何发生的吗?三句话,包你立刻了解厄尔尼诺!

在南太平洋东部, 自南向北流动着一条著名的秘鲁寒流。

每年的 1 0 月至次年的 3 月时值南半球夏季。太平洋上的西北季风使秘鲁寒流变性为暖流。

这股悄然而至不固定的暖流被称之为厄尔尼诺暖流。每年的 3 月以后, 随着南美洲西海岸水温逐渐变冷而随之消失。


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罪行大盘点

1972年,全国范围内的干旱,我国北方地区粮食大量减产,受灾人口达到10.6%,是我国建国以来最严重的干旱灾害之一。

1982-1983年,中美洲、非洲南部、东南亚等地高温干旱,中国、美国、日本等洪涝灾害,全球经济损失超过130亿美元。

1997-1998年,近50年来最强的厄尔尼诺,至少造成全球2万人死亡,全球粮食减产20%左右,经济损失高达340多亿美元。


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 “坏孩子也有优点

作为人人都害怕的坏孩子,除了每过几年就找麻烦,它偶尔也会给你们带来好处。再不乖的孩子也是有优点的啊!

下面,就让我们一起来看看坏孩子做过的好事吧!

 

抑制了西太平洋和南海的台风活动。

在秘鲁南部沿海,扇贝和虾会大幅增加。

为厄瓜多尔和秘鲁北部的干旱地区带来降水。

增加气候的可预测性。

非洲南部降水减少,地下水位降低,减少饮用水被污染的机会,降低霍乱发生的风险。


 

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来源:海洋国家实验室

http://mp.weixin.qq.com/s/77nE9aeFr6anVNZdBK27iQ 


“冰上丝绸之路”:破冰北太平洋
2018-04-19 14:32:30


北冰洋连通三大洲两大洋,是全球纬度最高的大洋,大部分终年被冰雪覆盖。这里不仅是对全球气候变化响应最敏感的区域之一,还在全球大气和海洋环流变化中起着重要的调控作用,是全球变化的一个驱动器。作为全球冷热循环的重要冷源,该区海冰的季节性交替变化以及与北太平洋和北大西洋的水交换是全球气候变化的重要驱动力。从地理位置上,北冰洋主要包括中心海盆与陆架边缘海,后者主要包括巴伦支海、波弗特海、楚科奇海、东西伯利亚海、拉普捷夫海、喀拉海、林肯海等。北冰洋通过狭窄的白令海峡(Bering Strait)与太平洋连接,通过弗拉姆海峡(Fram Strait)与大西洋连接。作为高纬地区贯通大西洋和太平洋的水道,其地质构造演变历史对全球大洋环流的演化和热量分布起着重要的作用。

 

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作为二十一世纪海上丝绸之路的北上分支冰上丝绸之路的重要基础和载体,北极的战略地位日显突出,备受世界瞩目。伴随着全球变暖,北极海冰退化趋势明显,北冰洋航道也有望在近年实现夏季通航,这不但有利于开发北冰洋海底丰富的油气及矿产资源,还将深刻影响未来世界海运和贸易格局。

 

 一、北冰洋及其气候效应

 

北冰洋对全球气候变化尤为敏感。该区季节性海冰变化通过对太阳辐射的反射机制调控着北极高纬地区的能量平衡。在全球变暖背景下,迅速消融的海冰更加放大了北极气候变暖现象,这直接导致北极海洋和陆地动植物分布和分异度、水圈(冰、海洋洋流、淡水输入等)、海岸带过程等自然变化,也直接影响北半球气候异常以及人类活动。北极地区还在未来全球碳循环中扮演着重要角色。因此,北极海洋的气候变化机制及其对北半球区域气候、环境,乃至全球气候变化的影响已经成为当前极地科学研究的核心命题。

 

从遥相关联系上,北冰洋的海-冰-气耦合系统的变化会通过大气对非极地地区产生重要的影响,并具有全球尺度和不同时间尺度的特点。极地大气环流与北半球其他地区的大气环流状况存在着密切的相互作用,北冰洋海表面状况异常变化所产生的极地气候变化能够造成东亚季风和我国气候异常。研究表明,北冰洋海冰分布格局会影响10~20天时间尺度上欧亚大陆包括我国的天气事件;与北极气候变化(北极涛动-Arctic Oscillation,AO)相关的东亚季风直接制约我国的降水、地表水循环,甚至洪涝灾害的发生。另一方面,受海冰-海洋-大气相互作用导致的耦合放大效应以及其与亚北极之间日益增强的联系,北冰洋-北太平洋之间的洋际交换(interbasin exchange)在北极气候变化中也扮演着重要角色。跨北冰洋的“水路”联系和洋际交换不仅是驱动北极(海冰、海洋和大气)变化的主要机制,而且也是导致北半球中、高纬度地区气候和环境变化的主要因素之一。总之,北冰洋的海洋动力过程及其与全球气候过程的联系,将对我国的气候和环境产生复杂而特殊的影响,关系到我国未来国民经济的可持续性发展。

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二、北冰洋的快速气候变化与碳循环

 

观测和气候模拟的结果均证实,近半个世纪以来,北冰洋环境正在发生迅速变化。主要表现是表层海水温度(SST)升高、夏季海冰覆盖面积(sea-ice extent)和海冰储量下降,淡水输入增加、盐度下降和海洋酸化(Ocean acidification)出现并日益加重。

现代北冰洋正在升温,近30年来北极地区是全球增暖最显著的区域,北极平均温度近百年来几乎以两倍于全球平均速率的速度升高。北极最大的地表气温升温出现在秋季、夏末海冰消失的海域,表明这些海域在夏季吸收了比以往更多的热量。气候变暖对北冰洋最直接的影响是海冰覆盖面积不断减少;基于遥感观测资料,北冰洋的海冰自上世纪70年代以来下降了40%,夏季北极海冰正以每10年超过10%的变化幅度快速减少。甚至有专家预测,到2030年夏季北冰洋将没有海冰。海冰退化,海面压力降低,中上层水淡化和变暖,吸收CO2能力增加,臭氧耗损和紫外线辐射增强。在全球变暖背景下,迅速消融的海冰更加放大了北极气候变暖。因此,北冰洋海冰覆盖面积的减少对气候变化有显著的正反馈作用,导致全球增暖在极地被放大。与古气候记录对比表明,未来高纬地区的升温仍然会高于中低纬度地区。海冰退化还将导致海洋酸化、水体层化加强,浮游生态系统变异,进而对北冰洋的海洋生物地球化学过程产生重要影响。不仅如此,海冰还可以把从近岸裹挟的陆源沉积物一直带到夏季海冰退缩的边缘。海冰携带的沉积物以黏土和粉砂为主,颗粒有机碳含量较高。位于西伯利亚海域的拉普捷夫海以其快速的海冰生成速率、高含量的海冰悬浮颗粒浓度和陆源比例成为海冰影响陆源物质输运的典型区域。

北冰洋和亚极地(sub-arctic)海冰区是海洋吸收大气CO2的重要汇区。北冰洋具有很强吸收大气CO2的能力(约1Gt C/ a),其夏季冰缘区的长光照和高生产力促进了对大气CO2的吸收,北冰洋深水环流和垂直交换作用也有利于表层碳向深水转移。从历史数据资料来看,北冰洋的碳吸收总量在持续增大;随着海冰覆盖度的减少,尤其是巨大的北冰洋陆架区很可能成为全球CO2的重要“汇”。与此同时,对CO2的吸收导致北冰洋表层水成为全球海洋酸化最为显著的海域。根据模式结果,北冰洋可能成为最先出现文石饱和度(Ω文石)小于1的世界大洋。在全球变暖背景下,北冰洋受酸化的影响将增加,这对海洋钙质生物会产生深远的不利影响。

另外,在全球变暖背景下,北冰洋沉积碳的输入与埋藏也正在发生着巨大变化。北冰洋周边陆地大体积的淡水注入、巨大的大陆架沉积体系,随季节而变的海冰覆盖和输运情况,这决定了北冰洋沉积有机碳独特的区域海洋环境和保存埋藏特征。北冰洋的沉积碳埋藏主要取决于生物泵(biological  pump),而生物泵过程的一个主要限制因子是海冰的覆盖。随着全球变暖,夏季海冰的融化加剧,陆架区无冰海域面积增加,持续时间延长,加上北冰洋周围流域盆地营养元素风化作用的加强,河流营养物质输入通量增加,北冰洋更多的海域可能成为世界上高生物生产力的海区。不仅生物生产力提高,而且陆架区由于营养丰富,生物多以大的颗粒为主,加上低的水温条件,使得北冰洋陆架沉积有机碳有很高的埋藏速率和保存效率。

全球变暖和陆地环境变化还会造成冻土层(permafrost)退化、土壤风化和沿岸侵蚀加强、陆坡稳定性结构变化,进而导致大量固定在冻土层中的古老和现代有机质被释放出来,通过径流输入、海冰搬运、海流输送使陆源有机碳在北冰洋进行大规模、长距离和短期沉积的再分配。研究预测,北极近表层冻土面积将由20世纪末约1000万平方千米下降到21世纪末的不到100万平方千米。冻土层的退化,使得大量陆源土壤沉积有机质通过河流、陆地冰融水和海岸侵蚀等方式进入海洋,这将对北冰洋碳循环和生物地球化学过程产生深刻影响。其实,不只是陆地,北冰洋海底冻土(sub-sea permafrost)相比于陆地苔原冻土更加敏感和脆弱,其融化将导致海底甲烷的大量释放;基于现场观测资料发现,与大气相比,已有超过80%和50%的东西伯利亚海的底层和表层水体甲烷(CH4)处于过饱和状态,这或对北极变暖及其未来状态具有不可忽视的意义。总体上看,在北冰洋海冰退化和环流变化加剧、周边冻土层融化加速、河流淡水输入增加、作为北冰洋营养盐重要来源的北太平洋入流水异动等一系列变化的影响下,北冰洋依托海冰的区域碳循环、物质“源-汇”过程和生态系统正发生深刻变化,并且这种变化和影响仍在持续。

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北冰洋变暖与海底甲烷释放

 

三、北冰洋的古气候变化

 

北冰洋的气候与海冰、洋流、水团结构、生物生产力的变化过程,及其与周围海洋、陆地冰川、陆源物质和淡水输入的相互作用,从过去到现在都发生着复杂的变化,这对北冰洋乃至北极-亚北极地区气候和环境演变有深远影响。北冰洋的海底沉积物组成与结构除受到气候、水文和生物过程的共同作用外,海冰或周缘陆地冰盖的变化也对其产生影响,使其成为揭示复杂的古海洋与古气候演化历史的重要信息载体。

30年来,获取北冰洋及其邻域更长时间尺度、更高分辨率的沉积记录一直是北极大型国际研究计划的一个重要目标。随着沉积物取样技术、分析测试技术的不断提高和新的替代指标的不断发展,基于沉积记录的有关北冰洋形成与发展、海冰和冰盖演化、碳循环和海洋酸化、资源潜力等领域的研究取得了一系列令人瞩目的成果。最显著的进展是IODP302航次关于北极冰川形成时间的突破。很长一段时间,科学界认为新生代时的冰期不是同时出现和发展的,南极的冰川开始形成于始新世/渐新世边界,约43Ma,而认为北半球冰川的开始不早于约14Ma。然而,IODP302航次从北冰洋中央罗蒙诺索夫海岭获得的沉积记录将北冰洋变冷和冰川初始形成时间推回至约45Ma前,并表明地球从暖期到冰期的过渡是两极几乎同时发生的现象,北极地区的海冰形成甚至早于南极。最近的25Ma里,北极冰盖的形成、变化与南极冰盖基本同步;北极地区是由温室一般的温暖环境转变成今天的寒冷世界。例如,在距今55Ma年前,北极表面水域温度约为18至23°C,相当于今天亚热带地区的水平;这些重大发现改写了北冰洋环境变迁的历史。在第四纪冰期/间冰期气候旋回中,北极地区大型冰盖(ice sheet)覆盖范围随着冰期-间冰期气候的转换发生扩张和收缩,而冰盖扩张范围和体积在冰期/间冰期的差异在北冰洋周围大陆比南极地区要明显的多。沉积记录揭示的北半球第一个主要的冰期发生在氧同位素 MIS 22期Marine Isotope Stages),而在MIS 16,12,6和2期时冰盖扩张的范围最大。晚第四纪冰期-间冰期北冰洋的气候变化与北大西洋深海沉积记录基本一致,北冰洋海冰(冰盖)的消长以及北太平洋-北冰洋-北大西洋之间的水体交换对该地区乃至全球气候变化具有重要影响。

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作为全球最宽阔的陆架海系统,北冰洋陆架的巨厚沉积物记录了气候环境变化信息,对这些信息的了解有助于对高纬地区乃至全球气候变化和未来演变趋势的评估。根据北冰洋陆架沉积记录资料,全新世以来该区沉积物的输入、分布和归宿受海平面变化、河流输入、冰川融化、海冰输运、沿岸侵蚀及海流等因素的综合影响。在距今8ka~7ka之间,受海平面上升和海侵作用的影响,北冰洋陆架沉积格局发生显著变异,由以河流输入和沿岸侵蚀作用的“-汇”模式发展为以海洋沉积作用为主的沉积模式,陆架流系成为控制沉积物输运的主导因素。有关海冰输运沉积物的研究需关注中心海盆的沉积记录,缺乏沿岸侵蚀作用的精确信息,如何平衡陆架和中心盆地之间陆源沉积物输运也将是今后需要重点关注的问题。另一方面,作为气候系统的放大器或开关,海冰的重要性越来越受到重视。通过沉积记录重建,可以获得过去1万年以来百年尺度上北冰洋陆架海冰覆盖情况(sea-ice extent)的高分辨率信息。数据显示,晚全新世(大约4.5ka)以来,尤其是小冰期期间,随着气候变冷,西伯利亚的陆架海区(Siberian Arctic Shelf)海冰覆盖的强度随之增加。全新世海冰的变化幅度在不同地区呈现出不同的周期性。例如,晚全新世千年尺度的海冰变异的趋势及相应的生产力变化主要受控于表层海水水文条件和太平洋入流水带来的热量变异,而在中全新世出现海冰百年尺度的高频变化则可能主要受控于太阳辐射强度。不过,尽管当前的海冰退化是近千年来最为严重的一次退化事件,但目前仍然不清楚这种情况是否在整个末次间冰期也曾出现过,这还有待进一步研究。

今后北冰洋沉积记录研究应从地球系统科学的角度出发,古今结合,注重沉积记录和数值模式的相互验证,继续围绕历史时期北极冰盖和海冰的扩张与融化过程对海洋系统的影响、北极表层洋流与中深层水团的演变历史及其对全球热盐循环的影响、生物生产力与生物地球化学循环过程、不同时间尺度北冰洋海-陆和海-冰-气相互作用过程对全球气候变化的影响与作用等科学问题展开。

 

四、结语与展望

总体而言,北冰洋作为北极气候系统的主体,表现出三大特点:一是大面积海冰覆盖增加了反照率并影响了全球能量平衡;二是通过北冰洋的大西洋海水和北太平洋海水影响着全球大洋温盐循环,与中、低纬度地区的海洋与气候变化紧密联系在一起;三是北冰洋大陆架作为全球最为宽阔的陆架,对气候变化的响应非常敏感、迅速。该区气候环境变化的过程和机制及其全球性的意义是海洋科学家长期以来关注的前沿热点问题。在北极变暖与海冰融化加速的全球背景下,更需要将北冰洋及其周围的北大西洋和北太平洋海域作为一个相互关联的系统来考虑,重点了解过去-现在-未来不同历史时期气候变暖背景下的北极与中低纬地区之间的洋际联系和协同影响机制。

 

我国针对北冰洋的海洋科学考察和研究起步较晚,但近十几年来有了长足的进步。自1999年至今,我国“雪龙”号极地科考船先后8次进入北冰洋开展科学考察,获得了大量的宝贵样品资料和数据,为研究北冰洋及其在全球变化中的作用奠定了基础。不过,前期的工作更多集中在加拿大海盆和楚科奇海一侧,而在此前的国际研究计划中(如IODP)虽有参与但发挥的作用比较小。下一步,我们应该在原有工作的基础上大力加强国际合作进而发起一个北冰洋大型国际研究计划以推进北冰洋的研究。需要指出的是,由于北冰洋具有宽阔的陆架面积,其陆架区占整个北冰洋面积的40%,其中一半以上在俄罗斯,所以我们需要特别加强与俄罗斯在北冰洋的合作,为“冰上丝绸之路”建设提供科技支撑。

作者简介

 

石学法,男,1965年生,研究员,现任国家海洋局第一海洋研究所海洋沉积与环境地质国家海洋局重点实验室主任,青岛海洋科学与技术国家实验室海洋地质过程与环境功能实验室主任,中国大洋样品馆馆长。山东省“泰山学者”特聘专家,国家百千万人才工程人选。主要从事海洋沉积与海底成矿作用研究,近年来主持完成大型国家专项项目多项,在亚洲大陆边缘沉积学与古环境演化、海底稀土成矿作用、南大西洋热液成矿作用、南海岩石学等多个领域取得了创新性成果。发表论文300余篇(其中SCI论文120余篇),出版专著2部。获得省部级奖励13项。


胡利民男,1983年生,副研究员,国家海洋局第一海洋研究所海洋沉积与环境地质国家海洋局重点实验室科学家。近年来围绕“亚洲大陆边缘海洋地质过程与环境”研究方向,在海洋沉积有机地球化学过程与环境响应等方面取得一系列特色研究成果,在GRL, GBC, JGR, MG, OG等国际知名学术期刊发表论文25篇,有关论文他引330余次。主持国家自然科学基金2项,省部级项目4项。2017年获国家自然科学基金委优秀青年基金人才资助计划;获得国家海洋局海洋领域优秀科技青年称号;近5年获得教育部自然科学奖二等奖(第6),海洋工程科学技术一等奖(第14)和海洋科学技术一等奖(第14)。2016年作为首席科学家助理参加了中俄首次北极联合科学考察。


刘焱光,男,1975年生,研究员,现任国家海洋局第一海洋研究所海洋沉积与环境地质国家海洋局重点实验室副主任,青岛海洋科学与技术国家实验室海洋地质过程与环境功能实验室副主任。长期从事海洋地质调查与多指标古海洋环境重建工作。近年来,围绕北冰洋和西北太平洋边缘海沉积特征和古海洋记录研究,作为海洋地质调查的负责人先后参加了3次北极科学考察和4次中俄联合调查,在日本海、鄂霍次克海、白令海和北冰洋楚科奇海、加拿大海盆、北欧海等海域获得了大量的研究样品,发表论文90余篇。主持国家自然科学基金2项,极地专项北极海域海洋地质考察专题负责人,2015年获国家海洋局海洋科学技术奖一等奖(排名第4)和海洋工程科学技术奖一等奖(排名第3),2017年获“中国极地考察先进个人”荣誉称号。


 

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来源:石学法等  海洋国家实验室

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史上最热年 海洋表面气温已连续14月破纪录
2018-04-02 13:40:09

      据新华社电世界气象组织7月21日发布公报称,2016年1月至6月全球平均气温创有气象记录以来的最高值,2016年正在成为史上最热年。

  数据显示,2016年前6个月全球平均气温超过19世纪末段、前工业化时代水平1.3摄氏度。截至2016年6月,全球陆地和海洋表面气温已连续14个月破纪录。

  此外,二氧化碳在地球大气中的浓度也早已超过了具有象征性的警示线400ppm(ppm是百万分率,1ppm为百万分之一)。2016年6月,这一数值达到近407ppm,超过去年同期4ppm。

  世界气象组织秘书长彼得里·塔拉斯表示,受2015年至2016年强厄尔尼诺事件助推,持续数十年的气候变化趋势达到了高峰。此次厄尔尼诺事件目前已经结束,但由温室气体导致的气候变化并没有消失,这意味着我们将面对更多热浪、严重降水及热带气旋带来的潜在影响。

  世界气象组织表示,2016年6月全球的降水情况出现了显著差异,美国中西部、西班牙、哥伦比亚北部、巴西东北部等地区较以往明显干旱,北欧和中欧、澳大利亚、中亚和南亚出现更多降水。

 新华社

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