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如果沒有洋流,
地球的氣候會出現什麼改變?
2024.07.19

汪佑霖∕國立臺灣師範大學博士畢業,現為臺灣師範大學地球科學系博士後研究員。喜歡探索海洋與氣候變遷之間的互動,最大的興趣是未來海洋氣候推估以及跨領域合作。

吳朝榮∕國立臺灣師範大學地球科學系特聘教授,現任國際海洋研究會(SCOR)中華民國委員會主任委員。研究領域是使用電腦模擬海洋的運動,是將海洋數值模擬研究引進臺灣的先驅學者之一。

 

夾帶大量海水與熱量的洋流,是調節全球氣候的重要推手之一。由於世界各地的海洋表面溫度分布有差異,且海水會釋放熱量至大氣中,因此需要藉由洋流調節溫度。其中,時間尺度的變化是洋流影響全球氣候的重要因素,例如聖嬰現象會使海表溫度出現異常,如果沒有洋流,則可能會造成聖嬰現象加劇,嚴重衝擊全球氣候。此外,海洋的溫鹽環流藉由連結各大洋的洋流系統,讓各地的海水交換,平衡全球海水溫度分布上的差異。

 

洋流攜帶大量海水和熱量,日復一日調節著全球氣候。這些洋流如同連接各個城市的繁忙交通系統,為人們提供了舒適的生活環境。我們可以從洋流運輸的因子中了解洋流對地球的重要性,例如許多洄游性魚類會沿大洋環流移動,而洋流的變動將會對海洋物種的繁殖和遷徙產生重要影響,其中一個有名的例子是日本鰻沿著西馬里亞納海嶺西側的海底山產卵,當鰻苗孵化後,因鰻苗本身游泳能力極弱,故需要仰賴海洋環流進行移動。

日本鰻的捕獲量曾經在 1983、1992、1998 年明顯減少,這幾個年分因氣候變異,造成太平洋暖池的海溫變冷,導致大氣熱對流結構改變,不利於降水。而降水減少造成鹽度鋒面向南延伸,產卵場亦隨之往南移動,最後使得日本鰻幼苗不易進入北赤道洋流──黑潮的環流系統中,導致東亞地區的鰻魚捕獲量明顯減少。

此外,海洋環流也會傳播汙染物。2011 年 3 月發生的 311 東日本大震災,導致福島核電站的放射性核廢水洩漏,並透過北太平洋環流系統逐漸擴散到臺灣周圍的水域;另一個例子是 2010 年的墨西哥灣漏油事件,由於當時的石油鑽機爆炸造成漏油,石油隨著海流漂移,汙染了極大範圍的墨西哥灣沿岸,造成重大的經濟損失及生態浩劫。

由此可見,洋流對於生態、環境、大氣、氣候有著決定性的影響。但如果地球上沒有洋流,將會造成什麼樣的改變呢?

 

洋流藉由海水溫度影響全球氣候

影響全球氣候的主要因素是洋流輸送的海水溫度,全球海表溫度分布的差異會透過向大氣釋放熱量,進而影響全球氣候。全球平均海表溫度,在空間分布上明顯地不同,也就是「赤道最熱,越往極區越冷」,而洋流系統正是平衡此溫差的關鍵角色。

全球洋流系統包括風生表面環流,以及密度差異主導的溫鹽環流系統,以北太平洋為例(圖一),主要表面洋流系統如下:

(1)赤道洋流系統:北赤道流、北赤道反流、南赤道流的北支、南赤道流的南支、赤道湧升流。

(2)副熱帶環流:北赤道流、黑潮、黑潮蜿蜒區、北太平洋洋流、加利福尼亞洋流。

(3)副極區環流:親潮、黑潮蜿蜒區、北太平洋洋流、阿拉斯加洋流。

 

▲圖一。圖片來源/作者繪製

 

這些洋流系統在氣候調節中起著不同的作用,以下我們將探討海洋環流改變對於地球氣候的衝擊,依照不同時間尺度,分別討論年與年之間的年際變化、數十年週期的年代際變化,以及長期氣候變遷。

 

沒有了洋流會影響聖嬰現象與暖化嗎?

以聖嬰現象(El Niño)為例,當典型的聖嬰現象開始發展時,熱帶太平洋區域的東風減弱,位於西太平洋暖池的異常暖水訊號向東移動到中、東太平洋、秘魯水域,使得這些海域的海表溫度異常增暖。而當這些地區海表的溫度升高後,又會再進一步減弱太平洋上的熱帶東風,從而形成別克尼斯正回饋(Bjerknes positive feedback 或 Bjerknes feedback)。除了這種從西向東傳播的異常暖水訊號之外,來自南北太平洋副熱帶環流的暖水訊號也可能觸發聖嬰現象的發展,例如秘魯洋流從南半球中緯度向赤道傳輸了異常溫暖的海水,使秘魯沿海的湧升流變暖,這也將進一步引起別克尼斯正回饋。

然而,另有一些負回饋機制會導致聖嬰現象在成熟期之後衰弱,例如赤道和秘魯的湧升流,會持續將下層冷水湧升上來抵消海表面的暖水,並終結聖嬰現象。這說明了就年際尺度而言,洋流的調節與氣候變化有密切相關。當地球上沒有洋流時,可以預期到聖嬰現象的衰減過程將缺乏重要的負回饋機制,這可能會增加聖嬰現象的生命週期長度,並加劇其對全球氣候的影響。另一方面,由於副熱帶地區的暖水團不易通過洋流傳播到赤道水域,因此也可能減少聖嬰現象的發生頻率。

全球暖化速率已知具有明顯的年代際週期,在某些時期,全球溫度上升的速度會減慢,因而被稱為全球暖化趨緩(Global Warming Hiatus)。最近一次的暖化趨緩發生在 1998~2013 年之間。當時,增強的太平洋熱帶東風使赤道湧升流加劇,貢獻了熱帶太平洋中部和東部產生異常溫降,進一步減緩了全球變暖的速率。然而,東風的增強也促使溫暖海水往西堆積至西太平洋暖池(圖二),導致了西太平洋暖池迅速升溫(圖三)。

 

▲圖二。圖片來源/作者繪製

 

▲圖三。圖片來源/作者繪製

 

暖池海平面的上升及變暖嚴重影響了西北太平洋的氣候。舉例來說,由於暖池的熱含量增加,當颱風經過該區域時更容易增強。除了影響熱帶氣旋的發展外,太平洋暖池中積聚的熱水也將通過洋流傳遞到其他海域,例如臺灣東海岸的黑潮,就是傳播暖池變暖信號到其他海域的重要角色。

黑潮起源於菲律賓東部北赤道洋流的北部分支,它向北流經呂宋海峽、臺灣東部水域進入東海,然後經由圖克拉海峽(Tokara Strait)轉向東流至日本南方水域,最後進入中緯度太平洋。在全球暖化趨緩的過程中,累積在暖池中的暖海水通過黑潮向北擴散並入侵東海的陸棚區,加劇了東海沿海地區的暖化。此外,黑潮在圖克拉海峽西側的分支,會通過對馬海峽向北進入日本海,這也會使日本海的暖化現象更為嚴重。

上述事件顯示了洋流在調節年代際週期的氣候變化中起著重要作用,如果沒有洋流系統,累積在暖池中的熱源將不會通過洋流傳播到亞洲邊緣海和中緯度水域。增暖的暖池將使熱帶氣旋的強度更易加強,東風的強度也會經由別克尼斯正回饋而增加,並使太平洋氣候處在類似於反聖嬰的狀態,減少聖嬰現象在後續數十年發生的頻率和強度。

 

調節海水的鹽份也很重要

在調節長期氣候變遷中,海洋的溫鹽循環扮演著關鍵的角色。溫鹽環流通過沉降或湧升作用而連接到全球表面洋流系統。這個重要的運輸網絡可以使各大洋相互交換海水,並平衡不同緯度之間的熱量差異,對於調節全球氣候來說相當重要(圖四)。溫鹽環流的主要形成區域位於北大西洋格陵蘭東側的格陵蘭海(Greenland Sea)和挪威海(Norwegian Sea),以及西南側的拉布拉多海(Labrador Sea)。

 

▲圖四。

 

來自北極的高鹽冷海水通過弗拉姆海峽(Fram Strait),向南流入格陵蘭海和挪威海,在這兩個盆地中下沉並蓄積。當這些濃稠高鹽的冷水受到如氣旋擾動等,會通過三個主要路線溢流到北大西洋:位於格陵蘭島和冰島之間的丹麥海峽(Denmark Strait)、在冰島和法羅群島(Faeroe Islands)之間、法羅群島的南側(圖五)。穿過丹麥海峽溢流的海水沿著格陵蘭島的南部往西流向拉布拉多海,與下沉的海水混合形成西北大西洋深層水。

 

▲圖五。

 

另一方面,從法羅群島附近溢出的海水向南流入大西洋,形成東北大西洋深層水。這兩個深層水是北大西洋深層水的主要來源,已知某些氣候因素會干擾這些深層水的形成,例如北大西洋濤動(North Atlantic Oscillation)在 1990 年代初期處於正相位階段,當時挪威海和格陵蘭海變暖以及經過的氣旋減少,導致深層水產量下降。另外,全球暖化使海水變暖,這也不利於極地海水的冷卻下沉以及深層水的生成,一旦溫鹽環流減弱或全球洋流系統不存在時,海洋之間的海水交換將不再進行,極地地區和熱帶地區之間的熱量平衡也將受到嚴重限制。

 

所以說,地球不能沒有洋流呀!

簡而言之,全球洋流系統包括由密度變化引起的溫鹽環流和風引起的海表面環流。這兩個洋流系統通過沉降和上升流聯繫在一起,它們在平衡全球大洋和不同緯度之間的溫差方面起著非常重要的作用。如果不存在這些洋流系統,舉凡聖嬰現象的生命週期將可能改變,年代際週期的暖池熱量蓄積不易消散,以及海洋無法再經由溫鹽環流吸收全球暖化的熱量來調適暖化速率等,這些都會顯著地改變當前地球的氣候狀態。

 

延伸閱讀

1. Angela Colling et al., Ocean circulation, Boston, Open University, 2001.

2. You-Lin Wang and Chau-Ron Wu, Discordant multi-decadal trend in the intensity of the Kuroshio along its path during 1993–2013, Scientific Reports, 2018.

3. You-Lin Wang, Chau-Ron Wu and Shenn-Yu Chao, Warming and weakening trends of the Kuroshio during 1993–2013, Geophysical Research Letters, 2016.

 

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本文轉載、修改自《科學月刊》2021 年 6 月