400年热量纪录被打破！极端海洋热浪威胁大堡礁

Original 王芊佳（编译）海洋与湿地

2024-08-22

本文约 7100 字，阅读约 12 分钟

大堡礁（Great Barrier Reef）作为全球最大且最著名的珊瑚礁生态系统之一，长期以来一直是生物多样性和生态系统服务的重要提供者。但，近年来的研究和观测显示，珊瑚白化事件变得越来越频繁且严重，这与全球气候变暖和海洋温度升高密切相关。特别是2016年、2017年、2020年和2022年的几次重大白化事件表明，海洋热量的异常升高已经达到了前所未有的水平，这对大堡礁及其生态系统构成了直接威胁。

澳大利亚的大堡礁。图源：pixabay

“海洋与湿地”（OceanWetlands）小编注意到，2024年8月7日，来自澳大利亚的研究团队在《自然》杂志上发表了一项重要研究。该研究揭示了全球变暖对大堡礁（Great Barrier Reef）的严重威胁，指出近年来海洋热量达到了400年来的最高水平。

这项研究显示，从2016~2024年间，大堡礁经历了多次严重的珊瑚白化事件，这些事件都与海面温度异常升高密切相关。特别是在2024年1月~3月，珊瑚海（Coral Sea）的高温极端现象达到了过去400年中的最高水平，超过了我们重建的19世纪前极值的95百分位。（海湿小编注：这意味着，2024年的温度异常比历史上95%的极端高温记录还要高，是一个前所未有的极端值）这表明，人类活动对气候系统的影响已经显著增加。气候模型分析进一步确认，近年来的快速升温与人类活动密不可分。

从1998年开始，大堡礁的珊瑚白化事件变得越来越严重。1998年、以及2002年发生的大规模白化事件与厄尔尼诺现象（El Niño）相关联。虽然2004年的水温异常升高，但由于营养物质影响减少，珊瑚白化范围有限。然而，从2016年至2024年的九个1月~3月期间，共发生了五次严重的珊瑚白化事件，每次都与海面温度异常升高相关，并严重影响了大堡礁的大部分区域。

澳大利亚的大堡礁的珊瑚和鱼群。图源：pixabay

这些频繁的白化事件引起了国际社会的广泛关注。2021年，联合国教科文组织的世界遗产委员会提出将大堡礁列入“濒危世界遗产名录”，指出该珊瑚礁正面临“明确的危险”，原因包括近期的珊瑚白化事件以及澳大利亚在应对气候变化、改善水质和土地管理方面的进展不足。

该研究团队通过分析来自大堡礁内外的22个珊瑚样本（主要是滨珊瑚）的古气候数据，重建了过去四个世纪的海面温度变化。这些数据表明，21世纪初的海面温度并不比过去三个世纪的极值高。然而，最近的温度异常表明全球变暖的影响正在加剧。

这项研究强调了全球变暖对大堡礁及其他珊瑚礁生态系统的重大影响。如果不采取紧急措施，全球变暖将使这一自然奇观面临近乎年际的珊瑚白化风险，进而影响生物多样性和生态系统服务。因此，各界必须认真对待气候变化带来的挑战，以保护这一地球上最伟大的自然遗产之一。

四个世纪气温数据
揭示的现实威胁

全球众多珊瑚礁面临严峻威胁，而被列为世界遗产的大堡礁也不例外。近年来，珊瑚白化、珊瑚钙化率下降、冠刺星海星爆发、强烈热带气旋以及过度捕捞等多重压力正在共同影响这一脆弱的生态系统。珊瑚白化通常发生在热应激导致珊瑚与其共生的虫黄藻分解时。虽然局部的低盐度、寒冷水域或污染也会引发珊瑚白化，但区域性或全球范围的珊瑚大规模白化事件，则与全球变暖引起的海洋表面温度（SST）升高有密切关系。

大堡礁的现代珊瑚白化现象，首次被观察到是在1980年代。但当时的这些事件相较于21世纪的白化事件，范围更小、严重性也较低。研究人员通过分析珊瑚骨骼中的应激带发现，1887–88年的厄尔尼诺事件，可能曾导致过大堡礁的珊瑚白化。不过，这些数据表明，在20世纪80年代之前，严重的、大规模珊瑚白化事件还并不常见。

（上图：大堡礁（Great Barrier Reef, GBR）大规模珊瑚白化事件期间的广泛高海洋表面温度异常（SSTAs）。图源：Henley, B.J., McGregor, H.V., King, A.D. et al. ）

随着海洋温度的上升，珊瑚白化事件变得越来越致命。1998年、以及2002年的珊瑚白化事件，分别与强烈和较弱的厄尔尼诺现象相吻合，导致了至少50%的浅水珊瑚死亡。2004年，尽管珊瑚海水温异常升高，但由于上升流减少，珊瑚白化未在大堡礁广泛发生。进入21世纪，2016年、2017年、2020年、2022年和2024年的五次大规模珊瑚白化事件，均与海洋表面温度的急剧升高相关，影响了大堡礁的大面积区域。特别是2022年的白化事件发生在通常与较凉夏季温度相关的拉尼娜现象期间，显示了气候异常的复杂性。

近年来大堡礁频繁发生珊瑚白化事件，已引发了广泛的关注。2021年，联合国教科文组织世界遗产委员会草拟了将大堡礁列入“濒危”世界遗产名录的决定，强调了大堡礁正面临明确的威胁。尽管该决定最终未被采纳，但草案指出了大堡礁所面临的严重问题。澳大利亚当局也承认，气候变化和珊瑚白化已严重影响了大堡礁作为世界遗产的卓越普世价值。

为了更好地理解这些温度变化对大堡礁的影响，研究人员回顾了过去四个世纪的海洋温度记录。通过分析22个珊瑚的Sr/Ca和δ18O数据，研究人员重建了从1618年到1995年的海洋表面温度异常。结果显示，近年来的温度极端值远超历史上的任何记录。例如，2016年、2017年、2020年、2022年和2024年的温度异常，分别比1618–1899年的重建平均温度高出1.50°C至1.73°C，这些年份中的温度极端值被认为“极有可能”（95%以上的置信度）比任何早期记录都要高。

这些数据不仅揭示了大堡礁近期极端温度的异常，也进一步证明了人类活动对海洋温度的影响。综合分析表明，大堡礁近年来经历的极端高温事件是过去400年中最为严重的。

评估人类活动如何
加剧珊瑚海温度升高

最新的气候模型模拟数据来自第六阶段耦合模型比较项目（CMIP6），用于评估人为因素对珊瑚海1月至3月海表面温度异常（SSTA）的影响。这些模拟数据来自于“检测与归因模型比较项目”（DAMIP）的两个实验。第一个实验模拟了历史气候条件，考虑了自然因素和人为因素对气候系统的影响。第二个实验则只包括自然因素，忽略了所有人为因素。第一个实验涵盖了温室气体和气溶胶的排放、平流层臭氧变化以及人为土地利用变化；第二个实验则不包括这些因素，但也纳入了自然气候强迫因素，如火山爆发和太阳变异性。

从模型的“历史”实验数据中，我们可以清楚地看到，人为影响的加入使得现代时期珊瑚海1月至3月SSTA的升高得以体现。统计数据显示，从1900年、1950年和1970年到2014年，这些模型的“历史”实验数据中，海表面温度的升高趋势分别为每十年0.05°C、0.10°C和0.15°C，而“历史-自然”实验中的趋势则较小，基本在±0.01°C每十年以内。为了进一步探讨百年尺度的趋势，我们使用了1850~2014年两组165年的模拟数据的自助法（bootstrap）分析。结果发现，“历史”实验中的每个模拟结果在1900至2014年期间都有统计显著的正向趋势，而“历史-自然”实验中的结果则没有显著的趋势。此外，与1961-1990年的平均值相比，2016至2024年的观测数据的SSTA为0.60°C，这一数据超过了“历史-自然”实验中7,095年模拟年的任何九年序列的温度。

这些模拟还帮助我们估算了人为影响在珊瑚海1月至3月SSTA中超过自然背景变异性的时间。人类引起的温暖信号在1900年几乎为零，1960年时约为0.5个标准差。此后，从1960年到2014年，气候变化信号与噪声的比率迅速上升，1976年超过1.0，1997年超过2.0，到2014年达到约2.8。由此可见，人为因素几乎是珊瑚海长期变暖的主要驱动因素。

可以看出，这些模拟数据明确显示了人类活动对珊瑚海温度升高的深远影响。尽管自然因素仍然在气候系统中发挥作用，但在当前的气候变化背景下，人类活动的影响已成为主导因素。了解这些影响对制定有效的气候政策和保护措施至关重要，以应对未来可能出现的更严重的气候挑战。

（上图：多世纪的1月至3月海洋表面温度异常（SSTAs）重建。图a. 1618年至2024年间，珊瑚海（Coral Sea）的1月至3月海洋表面温度异常（SSTAs）的重建和观测均值，相对于1961–1990年。深蓝色表示使用完整代理网络的最高技能（最大效率系数）重建；浅蓝色表示5%至95%百分位的不确定性范围；黑色表示观测数据（ERSSTv5）。红色十字标记出五次最近的大规模珊瑚白化事件。虚线表示最大前1900年1月至3月SSTA的最佳估计（最高技能，红色）和95%百分位（粉色）不确定性范围。图b. 中央大堡礁（Great Barrier Reef, GBR）内棚（厚橙色线条）和外棚（薄橙色线条，Flinders Reef）的SSTA数据。此处数据与现代观测的1月至3月大堡礁SSTA（相对于1961–1990年）对齐。观测数据以年（灰色线条）和五年（黑色线条，带空心圆圈，绘制在每五年期的中心，并与五年珊瑚系列23对齐）分辨率显示。虚线表示参考文献23（红色）和25（粉色）中前1900年1月至3月的最佳估计最大值。橙色阴影表示5%至95%百分位的不确定性范围。红色十字标记出五次最近的大规模珊瑚白化事件。图c. 珊瑚海重建的评估指标（补充信息第3.1节）；RE，误差减少；CE，效率系数；Rsq-cal，校准期的R平方值；Rsq-ver，验证（评估）期的R平方值。图d. 珊瑚数据位置相对于源数据区域（橙色框）和珊瑚海区域（红色框）。珊瑚代理元数据见补充表格1和2。图源：Henley, B.J., McGregor, H.V., King, A.D. et al. ）

讨论

在以往对大堡礁（Great Barrier Reef, GBR）和珊瑚海（Coral Sea）海洋表面温度（SST）的历史了解中，主要依赖于仪器观测数据。尽管已有从大堡礁中央区域采集的五年分辨率的多世纪珊瑚Sr/Ca和U/Ca SST重建数据，以及更新的季节性浮动年代学记录，但这些数据并未能全面覆盖珊瑚海和大堡礁的长期气候变化。因此，对最近温暖趋势的背景以及这些趋势与自然变异性的关系，仍然缺乏深入的了解。

本研究通过建立一个包含22个珊瑚代理网络的数据集，重点关注了珊瑚海区域，超越了大堡礁的范围。这使得研究人员可以使用更大样本量的珊瑚代理数据进行分析。尽管大堡礁的珊瑚漂白现象可能受到局部海洋和大气动态的影响，影响漂白事件的发生和严重性，但在更广泛的珊瑚海区域内，季节性海洋表面温度的升高很可能会增加小范围热异常的发生可能性。研究结果表明，即使仅使用大堡礁区域的五年分辨率数据，对SST异常的长期轨迹的结论也与完整的珊瑚网络得出的结论一致。此外，本研究中的短期现代珊瑚系列记录了与仪器数据一致的多十年的升温信号。然而，如果能从大堡礁内获取更多高分辨率、多世纪的温度敏感珊瑚地球化学数据，将有助于解开过去漂白事件的局部和远程海洋-大气贡献，并减少不确定性。

大堡礁的珊瑚和躲在里面的小丑鱼。图源：pixabay

该研究团队还利用了全球气候模型CMIP6的广泛模拟结果。CMIP6提供了大量的模型组合，允许研究人员对气候模型的不确定性进行更准确的分析。然而，全球尺度的粗分辨率模型可能无法准确模拟如珊瑚海或卡本特利亚湾沿岸流动和中尺度涡旋等小尺度过程，这些过程可能影响局部海表温度和营养物质的上涌。虽然CMIP尺度的模型捕捉了东澳大利亚洋流的动态，并预测这种洋流将在未来气候变暖过程中变得更强，从而可能加剧珊瑚对热应激的敏感性，但模型的时空分辨率仍对推断有影响。因此，研究人员在分析中采用了三个月的时间步长，以尽量减少模型空间-时间分辨率对对人为温室气体排放对SST条件影响的推断的影响。

尽管研究人员尽力提供尽可能稳健的分析和解释，但仍存在一些不确定性。例如，尽管对观察到的SST数据集（如ERSST和HadISST）应用了偏差修正，但这些数据集可能保留了偏差，尤其是在1945年及之前的时期。这些偏差可能未被完全纳入不确定性估计中。此外，使用珊瑚δ18O记录进行SST重建可能受到δ18O-SST关系随时间变化的影响。未来，如果能获得更多温度敏感的珊瑚微量元素比率数据（如Sr/Ca、Li/Mg或U/Ca），可能会对区分过去的温度和水文气候变化有所帮助。由于大堡礁内部多世纪的珊瑚数据有限，未来数据的增加可能会改变对过去几个世纪SST低频变异性的重建结果。

全球气温上升0.8–1.1°C已经导致全球范围内的珊瑚大规模漂白现象显著增加。如果全球变暖被限制在《巴黎协定》提出的1.5°C水平内，现有珊瑚礁中70-90%的珊瑚仍可能丧失。如果国际减排承诺得到实现，全球平均表面温度预计在未来几十年仍将上升，估计范围在1.9°C到3.2°C之间。如果全球变暖超过2°C，对珊瑚生态系统及其依赖者将产生灾难性的后果。未来的珊瑚礁可能具有不同的群落结构，可能比过去具有更少的珊瑚物种多样性，因为不同珊瑚物种对大规模漂白事件的影响不同。即使有雄心勃勃的长期国际减排目标，大堡礁的生态功能仍可能进一步恶化。

珊瑚的适应和适应性可能是保护大堡礁部分区域的唯一现实前景。然而，适应机会虽然有一定可能性，但并不是万全之策，因为对温度等基本变量的进化变化需要几十年甚至几百年的时间，特别是对于长寿命的珊瑚物种。当前没有明确的实时适应证据，大多数快速变化依赖于对关键基因类型和极端环境的历史暴露，并且遗传适应的限制阻碍了物种级别对生态和进化历史以外环境的适应。模型预测也表明，珊瑚的适应速度可能跟不上全球变暖的速度。在快速变暖的世界中，引发大规模珊瑚漂白事件的温度条件可能很快成为常态。因此，尽管珊瑚可能通过适应性对未来的海洋热事件表现出一定的韧性，但热庇护地可能会被压倒。全球变暖超过1.5°C将可能对珊瑚礁造成灾难性影响。

这项多世纪的重建研究显示了当前珊瑚海海洋表面温暖的异常性以及对大堡礁珊瑚的生存威胁。研究表明，在过去几百年中，海洋表面温度相对较低且稳定，而最近珊瑚海的1月至3月海洋表面热量在至少过去400年中是前所未有的。经历了几个世纪的珊瑚群体和珊瑚礁，以及为重建提供了珍贵Sr/Ca和δ18O数据的珊瑚本身也面临严重威胁。气候模型模拟分析确认，人类活动是最近1月~3月珊瑚海表面变暖的驱动因素。这些证据表明，大堡礁正面临着极大的生存风险。鉴于此，联合国教科文组织可能会重新考虑其关于大堡礁不处于危险状态的决定。如果没有迅速、协调且雄心勃勃的全球行动来应对气候变化，可能将见证这一地球伟大自然奇观的消亡。

感兴趣的“海洋与湿地”（OceanWetlands）读者可以参看全文：

Henley, B.J., McGregor, H.V., King, A.D. et al. Highest ocean heat in four centuries places Great Barrier Reef in danger. Nature 632, 320–326 (2024). https://doi.org/10.1038/s41586-024-07672-x

01厄尔尼诺现象

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厄尔尼诺现象（El Niño）是一种气候现象，指的是赤道中东太平洋地区海面温度异常升高的现象。这种温度升高会影响全球气候模式，导致极端天气事件的增加，如南美洲沿海的暴雨和洪水，澳大利亚及东南亚地区的干旱和火灾。厄尔尼诺现象还会改变风速和风向，影响海洋环流及生态系统，包括珊瑚白化和鱼类栖息地的变化。它是全球气候系统中的重要组成部分，与其相对的拉尼娜现象（La Niña）共同构成了厄尔尼诺-南方涛动（ENSO）模式。

02珊瑚白化

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珊瑚白化是指珊瑚因受热应激、或其他环境压力而失去其体内共生藻类（如虫黄藻）的现象。这些共生藻类为珊瑚提供了颜色和营养，珊瑚在失去它们后变得透明，骨骼显露出来，从而呈现出白色。虽然珊瑚在短期内可以恢复，但长期或严重的白化会使其更易感染疾病，并导致死亡。

03珊瑚海

海湿·小百科

珊瑚海（Coral Sea）是位于澳大利亚东北部的一个海域，东临新喀里多尼亚和斐济，南界为澳大利亚的昆士兰州，西接大堡礁。珊瑚海因其广泛的珊瑚礁而得名，其中最著名的便是大堡礁（Great Barrier Reef），这是世界上最大的珊瑚礁系统，拥有丰富的海洋生物多样性。珊瑚海的气候受到热带气候的影响，海水温度较高，常出现海洋热带气旋。由于其特殊的生态环境和生物多样性，珊瑚海对全球海洋生态系统具有重要意义。在这项研究中，研究人员使用了珊瑚海区域的珊瑚数据，来重建过去几世纪的海洋表面温度（SST）异常情况。

04CMIP6

第六阶段耦合模型互比计划（CMIP6，Coupled Model Intercomparison Project Phase 6）是一个全球气候模型比较和分析项目，由世界气象组织下属的气候研究计划（WCRP）协调。CMIP6旨在通过对不同气候模型的系统比较，提升对气候系统及其变化的理解。它汇集了来自全球各地的气候模型数据，以评估和预测气候变化的影响，支持未来的气候预测和政策制定。与前一阶段CMIP5相比，CMIP6引入了更复杂的模型配置和实验设计，致力于提高对气候变化的准确预测和科学理解。

05自助法

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自助法（Bootstrap Method，Bootstrapping，或自助抽样法、拔靴法）是一种统计方法，用于估计样本数据的变异性和不确定性。它通过从原始数据集中有放回地进行重复抽样，生成多个“自助样本”（bootstrap samples），并计算这些样本中感兴趣的统计量。每个自助样本的大小与原始样本相同，但由于是有放回抽样，因此可能包含重复的观测值。通过分析这些统计量的分布，自助法可以估计参数的标准误、置信区间等，从而提供对数据分析结果的深入理解。这种方法不依赖于对数据分布的严格假设，适用于各种复杂情况，尤其在样本量较小或模型复杂时尤为有效。

自助法因其无需对数据分布做出假设、能够有效处理小样本数据和复杂模型、计算实现相对简单等优点，在许多统计分析和研究中被广泛使用。在本研究中，使用自助法能够准确估计海洋温度异常的置信区间和分布特征，从而为科学结论提供更为可靠的支持。

学而思

思考题·举一反三

Q1、虽然科学家们已明确指出人类活动是海洋升温的主要驱动因素，我们的应对措施是否足够迅速和全面？现有政策如何在全球范围内进行有效实施以遏制这一趋势？

Q2、大堡礁的生态破坏，对全球生物多样性和生态系统服务产生了何种深远影响？应如何在全球范围内制定策略，以保护其他类似的生态系统免受相同的威胁？

Q3、各国减排政策在遏制珊瑚白化方面的实际效果如何？我们看到，在这个研究中指出，极端温度的增加与温室气体排放密切相关。此时，值得思考的是，现有的国际减排政策和措施是否足够有效？各国在减少温室气体排放方面的努力能否实际减缓或逆转珊瑚白化趋势？如何优化这些政策以应对当前的危机？

Q4、从批判性的角度，我们其实也可以问一问：该研究的时间跨度从1618~1995年，数据重建的精确性和可靠性如何？是否存在数据采集和分析方法上的潜在偏差，可能影响结果的准确性和解释？是否有可能其他因素（而非气候变化），导致了这些温度异常？比如说，是否存在自然气候周期或其他环境变化影响了海洋温度？即便近年来的温度异常超出了历史记录，这是否意味着未来的气候变化也必然会持续地以同样的速度加剧？我们是否需要更多的长期数据、更复杂的模型，来预测和应对未来的气候趋势？

欢迎分享你的想法！（请文末留言）

THE END

海湿

编译时根据版面和篇幅所限、以及读者对象有所调整。本文仅代表资讯，不代表平台观点。

来源：doi.org/10.1038/s41586-024-07672-x

编译 | 王芊佳

编辑 | Sara

【参考资料】

https://www.nature.com/articles/s41586-024-07672-x

https://zh.wikipedia.org/zh-hans/滨珊瑚属

https://en.wikipedia.org/wiki/Bootstrapping_(statistics)

http://www.climatechange.cn/article/2019/1673-1719/1673-1719-15-5-445.shtml