海洋环流和气候系统课件

海洋环流与气候系统欢迎来到海洋环流与气候系统课程，我们将共同探索地球上最复杂的自然系统之一海洋覆盖了地球表面的，对全球气候系统起着决定性的调71%节作用本课程将深入研究海洋与气候之间的深度联系，揭示它们如何相互影响并共同塑造我们的星球环境我们将探讨全球环境科学前沿研究成果，理解海洋环流对气候变化的响应与影响让我们一起踏上这段科学之旅，探索海洋与气候的奥秘，认识它们对地球生命系统的重要意义课程导论基础概念系统复杂性研究意义海洋环流是全球海水在风力、温气候系统由大气圈、水圈、岩石理解海洋环流与气候系统的关系差和地球自转等多重力量驱动下圈和生物圈组成，它们之间复杂对预测全球气候变化、评估环境形成的流动系统，它构成了地球的相互作用构成了地球独特的气风险、制定可持续发展策略具有上最大规模的物质与能量传输网候特征和变化规律重要意义络海洋的基本特征公里71%

3.7海洋覆盖率平均深度地球表面超过三分之二被海洋覆盖，形成海洋平均深度约为

3.7公里，最深处可达11了我们这个蓝色星球独特的面貌公里以上×公斤

1.410^21海洋质量占地球总质量的

0.023%，约为地球大气质量的270倍海洋是地球上最广阔的区域，它们不仅储存了地球绝大部分的水资源，还承载着巨大的生物多样性海洋的巨大热容量使其成为地球气候系统的关键调节器，能够吸收并缓慢释放能量，从而减缓气候变化的速度海洋环流的形成机制风力驱动全球风系统是表层洋流的主要动力来源温度差异海水密度变化引发垂直流动盐度变化影响海水密度，推动热盐环流地球自转科里奥利力影响洋流方向海洋环流的形成是多种自然力量共同作用的结果风力在海面上产生摩擦力，直接推动表层水体流动；海水温度和盐度的差异改变水体密度，导致垂直方向的对流；而地球自转产生的科里奥利力又使得洋流呈现出复杂的螺旋状运动模式这些力量相互作用，形成了地球表面复杂而有序的海洋环流系统海洋系统的能量传递太阳辐射热量交换海洋吸收约的太阳能量海水与大气间通过对流传递热量70%大气反馈洋流传输影响全球气候模式海洋环流将热量从赤道向极地搬运海洋是地球气候系统中的能量缓冲器赤道附近的海洋吸收大量太阳辐射热量，通过表层和深层洋流将这些热量向高纬度地区传递这种热量传递过程对调节全球温度分布至关重要，没有海洋的热量传输，赤道和极地之间的温差将比现在大得多同时，海洋与大气之间持续进行着复杂的能量交换，这种交换影响着季风、台风等大气环流系统的形成洋流的基本分类表层洋流受风力驱动，占海洋总体积的约10%，流速较快，直接影响地球表面气候包括著名的墨西哥湾流、库罗西奥洋流等深层洋流受温度和盐度差异驱动，占海洋总体积的约90%，流速较慢但规模巨大，构成全球传送带系统边界洋流沿大陆边缘流动的强劲海流，流速可达3-7公里/小时，在全球气候调节中发挥关键作用补偿洋流为平衡水体流动而形成的返回洋流，维持全球海洋的质量平衡，保证环流系统的稳定性表层洋流的特征风力驱动机制表层洋流主要由持续性风带如信风、西风带等产生，风力通过表面摩擦力将能量传递给海水，形成大尺度的水平运动风力长期持续作用，可使表层洋流的流速达到可观水平同时，由于地球自转产生的科里奥利力作用，北半球洋流向右偏转，南半球向左偏转，形成闭合环流主要特性•平均流速约为

0.5-

1.0米/秒•垂直深度通常不超过200米•呈现出明显的季节性变化•在北大西洋和北太平洋形成明显的顺时针环流•在南大西洋和南太平洋形成逆时针环流深层洋流的特点密度驱动机制由海水温度和盐度差异引起的密度差异是深层洋流的主要驱动力，也称为热盐环流全球传送带构成了一个贯穿全球海洋的传送带系统，连接各大洋盆地规模特性虽然流速缓慢约米秒，但流量巨大，影响深远

0.01-

0.02/时间尺度完成一个全球循环周期需要约年1000-1500边界洋流地理位置主要沿大陆东西岸边缘流动流速特征流速快，可达公里小时3-7/气候影响对沿岸地区气候产生决定性影响边界洋流是地球气候系统中的热量高速公路以墨西哥湾流为例，它每秒输送的热量相当于一百万个发电站的功率，将大量热量从低纬度地区输送到高纬度地区，有效缓解了地球温度梯度西边界洋流如墨西哥湾流和日本黑潮通常较窄而强劲，流速可达节；而东边界洋流如加那利洋流和加利福尼亚洋流则通常较宽而缓慢，流2-4速一般不超过节这种不对称性是由科里奥利力的作用和洋盆几何形状共同决定的1补偿洋流水体平衡上升与下沉全球传送带补偿洋流是为了维持海洋水体质量平衡补偿洋流往往表现为上升流和下沉流补偿洋流是全球海洋传送带系统的关而形成的洋流系统当某一区域的水体在沿岸地区，当离岸风将表层水吹离海键组成部分，使得海洋环流成为一个闭流出时，必然需要其他水体流入以填补岸时，深层水上升补充表层水的过程称合的循环系统没有补偿洋流，海洋的空间，这就形成了补偿洋流例如，表为上升流；而在极地地区，当表层水冷大规模环流将无法维持，全球气候调节层洋流将水体从一个区域输送到另一个却并变得密度增大时，会下沉形成深层功能也将大大减弱区域后，必须有深层水流进行补偿水北大西洋环流系统墨西哥湾流1流速高达米秒，每秒输送约万立方米海水，相当于全球所有河

2.5/90流总流量的倍10北大西洋漂流2由墨西哥湾流向东延伸，将温暖水体输送至欧洲西部北大西洋深层水形成3在格陵兰岛和挪威海域，冷却的表层水下沉，形成全球深层环流的主要动力北大西洋环流系统是全球最著名的海洋环流系统之一，它对欧洲西部的气候有着决定性的影响通过墨西哥湾流和北大西洋漂流，大量热带温暖水体被输送到高纬度地区，使得欧洲西部的气温比同纬度的北美东部和亚洲地区高出5-10°C南大洋环流南极绕极流流量巨大全球最强大的洋流，环绕南极洲流动，流量达百万立方米秒，是墨西130-150/连接太平洋、大西洋和印度洋哥湾流的约倍150热量再分配碳汇功能对全球热量再分配起关键作用，影响吸收大量大气，是全球最重要的碳CO2全球气候系统汇区域之一赤道太平洋环流厄尔尼诺现象拉尼娜现象当太平洋赤道地区的信风减弱，使得温暖的海水向东流动，与厄尔尼诺相反，拉尼娜是太平洋东部赤道海域异常变冷的抵达南美洲西海岸这导致东太平洋海温异常升高，破坏了现象由于信风增强，使得更多冷水上升到海面，同时将表正常的大气环流模式层暖水向西推动周期性发生，大约年一次往往在厄尔尼诺结束后出现•2-7•可持续个月可导致亚洲和澳大利亚降雨增加•6-18•影响全球降水和温度模式美洲西部地区常出现干旱••印度洋环流季风驱动特性印度洋环流最独特的特征是受季风气候直接控制，形成全球唯一的季节性反转洋流系统夏季西南季风期间，索马里洋流向北流动；冬季东北季风期间，洋流方向完全反转，向南流动季节性变化每年月至月，强烈的西南季风驱动表层水向东北方向流动，形成强59劲的北向索马里洋流；月至次年月，东北季风主导，洋流反转为南113向这种变化直接影响周边国家的降水模式和气候特征区域气候影响印度洋环流的季节性变化直接影响印度次大陆、东非和东南亚的季风降水它决定了该地区农业生产周期，影响着超过亿人口的生20活同时，印度洋偶极子现象也与厄尔尼诺一样，会导致区域性极端天气事件全球海洋环流模式全球海洋环流形成了一个巨大的传送带系统，连接各大洋盆地，构成地球最大规模的物质和能量传输网络这个系统被称为热盐环流，由表层和深层洋流共同组成热盐环流每年将大约亿兆瓦的热能从低纬度输送到高纬度地区，对全球气候起着关键的调节作用完成一次全球循环需要约10年的时间，这意味着今天下沉的水体可能在上千年后才会重新回到海洋表面1000-1500气候系统的组成大气圈水圈岩石圈包括地球周围的气包括海洋、河流、包括地球表面的岩体层，是短期天气湖泊、地下水和冰石和土壤虽然变变化的主要发生场川等所有水体海化缓慢，但通过火所大气的组成、洋占水圈的，山活动、风化作用97%运动和物理特性直是全球气候系统中和碳循环等过程影接影响着地表的温最大的热量储存库响气候度和降水分布生物圈包括地球上所有生物及其活动通过光合作用、呼吸和其他生物地球化学过程参与碳循环，影响大气成分海洋在气候系统中的角色热量储存和传递碳汇功能海洋吸收约的多余热量，海洋每年吸收约的人类93%25%其热容量是大气的多倍排放二氧化碳，减缓大气二1000海洋能够储存大量热量并通氧化碳浓度上升速度海洋过洋流将其从赤道向极地输生物通过光合作用和生物泵送，减缓气候变化速度机制将碳从表层输送到深海气候调节通过蒸发、能量交换和热量再分配，海洋调节全球气候，减弱极端温度，并影响全球降水模式没有海洋调节，地球将出现更加剧烈的气候波动海洋大气相互作用-海洋对全球气候的影响温度调节降水模式极端天气海洋覆盖了地球表面的，吸收了大海洋是大气水汽的主要来源，通过蒸发海洋温度升高增加了大气能量，可能导71%部分太阳辐射能量由于水的比热容大，向大气输送水分海洋温度和环流变化致飓风、台风等热带气旋强度增强而海洋能够储存大量热量而温度变化较小，直接影响蒸发量和水汽传输路径，进而极地海冰减少则可能改变中高纬度地区起到热水袋作用，减缓陆地温度变化影响全球降水分布如厄尔尼诺现象会的温度梯度，影响急流路径，增加寒潮、例如，沿海地区通常比内陆地区气温波导致南美西海岸降水增加，而澳大利亚热浪等极端天气事件的发生频率动小东部则可能干旱气候变化的海洋响应海水温度上升海平面上升过去百年海洋表层温度平均上升约当前上升速率约为毫米年，比世

3.6/20每十年纪平均速率快倍

0.13°C/2生态系统变化海洋酸化物种分布北移，珊瑚白化频率增加，工业革命以来，海洋值下降约pH

0.1食物网结构改变（酸度增加约）30%海洋酸化海平面变化冰川融化贡献约的海平面上升50%热膨胀贡献约的海平面上升40%陆地水储量变化贡献约的海平面上升10%全球海平面正以前所未有的速度上升卫星数据显示，自年以来，全球平均海平面上升速率约为每年毫米，是世纪平均速率的两倍

19933.620多这种上升主要由两个因素驱动全球变暖导致的海水热膨胀和陆地冰川融化海平面上升对全球沿海地区构成重大威胁，包括人口密集的城市、低洼岛屿和三角洲地区预计到年，全球平均海平面可能比21001995-2014年平均水平上升至米，具体取决于温室气体排放情景

0.

41.1海洋生态系统变化珊瑚礁退化物种分布变化食物链重构全球约的珊瑚礁已遭受严重破坏或消随着海洋温度上升，许多海洋物种正向高海洋初级生产力模式正在改变，浮游植物50%失海水温度上升导致的珊瑚白化事件频纬度迁移，平均移动速率约为每十年公群落结构发生转变，影响依赖它们的上层

5.9率增加，从年代的每年一次增加里这导致生态系统结构重组，影响物种消费者小型鱼类的分布变化影响大型掠198010-15到当前的每年一次珊瑚礁是海洋生物间相互作用和食物网稳定性部分物种的食者的食物来源，渔业资源分布格局发生5-6多样性最丰富的生态系统，其退化将影响迁移速度可能跟不上环境变化速度，面临改变某些入侵物种可能因环境变化而扩依赖它们生存的成千上万种生物灭绝风险大分布范围气候变化对海洋生物的影响浮游生物分布变化水温升高和海洋层化加剧导致浮游植物群落组成改变，影响初级生产力和碳循环食物链同步性破坏捕食者与猎物生命周期不再同步，导致营养传递效率下降物种迁移加速海洋物种以平均每十年公里的速度向高纬度迁移

5.9特化种灭绝风险增加适应范围窄的物种面临更高灭绝风险，尤其是极地和热带物种海洋观测技术卫星遥感自主水下航行器浮标系统Argo卫星遥感技术能够提供全球尺度的海洋包括水下滑翔机和自主式水下航行器全球部署了约个自动剖面浮标，定4000数据，包括海表温度、海面高度、风场、，能够在复杂海域长时间自主作期下沉至米深度并上浮，记录温度、AUV2000海冰覆盖范围等信息最新的卫星如业新一代深海滑翔机可以在米水盐度等参数浮标数据通过卫星实时传6000可以测量海平面变化精度达深工作，续航时间超过个月，为深海输，构建了全球海洋三维观测网络，革Sentinel-66到毫米级，全球覆盖周期为天观测提供了重要手段命性地提升了对海洋内部状态的了解10海洋模拟与预测数值模拟技术现代海洋数值模拟采用高性能计算机求解描述海洋运动的基本方程组这些模型根据物理定律模拟海水运动、热量传递和物质交换过程，分辨率可达1/12度（约9公里），能够解析中尺度涡旋等重要海洋现象•水平分辨率全球模型9-25公里，区域模型可达1公里以下•垂直分辨率通常为50-100层•时间步长从数分钟到数小时不等全球气候模型耦合模型现代气候模型将大气、海洋、陆地和冰冻圈等多个子系统耦合在一起，模拟它们之间的相互作用这些耦合地球系统模型ESMs能够更全面地描述气候系统的复杂性，包括碳循环和生物地球化学过程最新的CMIP6第六阶段耦合模型比较计划包含了来自全球40多个建模中心的100多个模型版本区域气候模拟为了研究特定区域的气候变化，科学家开发了高分辨率区域气候模型这些模型嵌套在全球模型中，分辨率通常为10-50公里，能够更好地表示地形、海岸线和局地气候特征通过动力降尺度技术，可以将全球模型结果转化为详细的区域气候信息，为适应性规划提供科学依据不确定性分析气候模型预测存在多种不确定性来源，包括模型结构不确定性、参数不确定性和情景不确定性为了量化这些不确定性，科学家通常使用多模型集合和多成员模拟，通过统计分析确定预测的可信度和范围IPCC评估报告使用可能性语言表达预测的不确定性水平，如极可能表示概率大于95%海洋碳循环大气海洋交换生物泵-每年约有亿吨碳在大气和海洋之间浮游植物通过光合作用固定碳，沉降900交换将碳输送至深海碳储存溶解度泵4深海沉积物储存碳可达数千年至数百冷水吸收更多，深层水形成时带入CO2万年深海海洋与全球碳汇海洋与极端天气热带气旋形成厄尔尼诺影响海温异常热带气旋台风、飓风形成需要海表温度至厄尔尼诺南方振荡是全球最强的年际海洋热浪海表温度异常持续天以上频率自-ENSO5少达到以上暖海表面提供水汽和热量，气候变化信号强厄尔尼诺事件会导致全球年以来增加了以上这些热浪不仅26°C198250%支持强烈的对流系统发展随着全球变暖，多地极端天气，如南美西部洪水、东南亚和影响海洋生态系统，还会改变大气环流模式，高于的海域面积扩大，理论上有利于热澳大利亚干旱、北美异常温暖冬季等研究导致陆地高温、干旱等极端天气年北26°C2022,带气旋的形成和维持研究表明，自年表明，气候变化可能增加超级厄尔尼诺事件大西洋和地中海异常高温与欧洲夏季热浪密1970代以来，全球强热带气旋级的比例已经的发生频率，从过去每年一次增加到每切相关，导致数万人死亡4-52010显著增加年一次极地海洋系统北冰洋环流北冰洋是世界上最小的海洋，约占全球海洋面积的3%其环流主要由两个系统主导博福特环流和跨极流博福特环流是一个顺时针环流，位于加拿大海盆；而跨极流则从白令海峡流向格陵兰海气候变暖导致北冰洋海冰急剧减少，夏季海冰面积自1979年以来下降了约40%这种变化正在根本上改变北冰洋环流模式和热量分布，可能导致整个北半球气候系统的重大变化南极海洋环流南大洋环绕南极洲，连接了太平洋、大西洋和印度洋其最显著特征是强大的南极绕极流，这是地球上流量最大的洋流，每秒输送约

1.5亿立方米水南大洋是全球最重要的碳汇区域之一，每年吸收约10亿吨人为碳排放南极底层水的形成过程对全球深层环流至关重要，而气候变暖正在改变这一过程，可能对全球海洋环流带来深远影响海洋环流的长期变化千年尺度变化1过去2万年来，地球经历了从末次冰期到全新世的转变在此期间，海洋环流经历了显著变化，包括北大西洋深层水形成区域的迁移和强度变化古气候记录世纪尺度变化显示，这些变化与全球气候快速转变密切相关，特别是新仙女木事件（约212,900-11,700年前）期间，北大西洋热盐环流的减弱导致了欧洲地区显著降温过去几个世纪的海洋环流变化可以通过沉积物记录、珊瑚年轮和其他古海洋学方法重建研究表明，自小冰期（约1300-1850年）结束以来，北大西洋环流强度经历了显著波动19世纪末至20世纪中期，墨西哥湾流呈现增强趋势；而近几十年来，大西洋经向翻转环流AMOC可能已经减弱约15%现代观测变化3卫星和海洋观测网络提供了过去40年来海洋环流的详细记录数据显示，热带及亚热带环流系统正在扩张，南大洋环流向南偏移，北大西洋深层水形成减弱这些变化与全球变暖高度一致，表明人类活动正在改变海洋环流的基本特征模型预测，在高排放情景下，到2100年AMOC强度可能减弱34-45%海洋环流对生态系统的影响海洋环流是海洋生态系统的生命线，通过输送营养物质、氧气和调节温度来支持海洋生物多样性上升流区域将深层富含营养物质的水带到表层，支持高生产力区域形成，这些区域虽然仅占海洋面积的，却贡献了全球渔业产量的约1%50%环流还直接影响浮游生物分布，它们作为海洋食物网的基础，决定了更高营养级生物的分布许多鱼类和海洋哺乳动物依赖特定洋流进行长距离迁徙，如鳗鱼利用北大西洋环流从繁殖地到生长区域气候变化导致的环流模式变化正在改变这些生态关系，可能导致物种分布的大规模重组和生态系统功能的改变海洋生物地球化学循环养分循环氮、磷和硅等主要营养元素在海洋中循环流动•河流和大气输入提供新营养盐•上升流将深层营养带回表层•生物固定和再矿化过程微量元素循环铁、锌、铜等微量元素对生物活动至关重要•限制开阔大洋生产力的关键因素•沙尘输入是主要来源•复杂的化学形态转化氧气动态海洋氧气分布受物理和生物过程共同控制•热带海域氧气最小区正在扩大•气候变暖加剧海洋缺氧风险•影响硝化、反硝化等关键过程海洋与全球能量平衡海洋观测全球网络计划卫星观测系统全球海洋观测系统Argo全球部署约4000个自动剖面浮多颗海洋观测卫星提供全球覆GOOS是一个国际合作框架，整标，每10天完成一次0-2000米深盖的海表温度、高度、盐度、合了各种海洋观测平台，包括度的温盐剖面观测，通过卫星风场、海冰等参数浮标、船舶、潜标、滑翔机等实时传输数据这一系统革命Jason/Sentinel系列卫星可测量目前全球共有约8700个观测平性地改变了我们对全球海洋内海平面高度精度达到毫米级，台，每天产生约200万个观测数部状态的了解全球覆盖周期为10天据点数据共享平台各种国际数据中心如世界海洋数据中心WDC、海洋生物地理信息系统OBIS等收集、处理和分发海洋数据这些平台遵循开放数据原则，支持全球科研和环境管理海洋科学前沿研究海洋微生物组研究深海探测技术利用宏基因组测序技术探索海新一代深海机器人和传感器技洋微生物多样性和功能，揭示术正在突破传统观测限制，如它们在生物地球化学循环中的区域自主航行器可到达Hadal11关键作用研究表明海洋微生公里深度作业，具备采样、原物可能是地球上遗传多样性最位分析等功能这些技术将帮丰富的生命形式，每升海水可助人类探索海洋最深处的未知含有数十亿个病毒和数百万个世界细菌海洋数字孪生系统结合高分辨率模型、实时观测和人工智能技术，构建海洋的虚拟复制体，可进行模拟、预测和情景分析欧盟目标计划投资数亿欧元开发2030全球海洋数字孪生系统，将显著提升人类对海洋的认知和管理能力海洋环流对人类社会的影响渔业影响海洋环流直接影响渔业资源的分布和丰度上升流区域通常是重要的渔场，如秘鲁沿岸和西非沿岸上升流区支持了世界上最丰富的渔业资源环流变化可导致鱼类分布改变，如北大西洋鳕鱼向北迁移已经影响了传统渔业格局•全球渔业提供约20%的人类动物蛋白摄入•超过38亿人依赖海洋作为主要蛋白质来源•约1-

1.2亿就业岗位与捕捞和水产养殖相关航运和贸易全球航运路线的设计考虑了主要洋流的分布，以节省燃料和时间约90%的国际贸易通过海运完成，海运业对全球经济至关重要气候变化导致的洋流变化、海冰减少可能改变未来航运路线，如北极航道的开通可能缩短亚欧航线40%的距离同时，极端天气事件的增加也给航运业带来风险，如风暴增强、海平面上升对港口设施的威胁等适应气候变化成为航运业未来发展的重要考量海洋保护与可持续发展海洋保护区建设建立全面的海洋保护区网络，保护关键生态系统减少碳排放减缓海洋变暖、酸化和缺氧可持续渔业管理3基于生态系统的渔业管理方法国际合作机制加强全球海洋治理，建立公海保护框架保护海洋环流系统及其支持的生态系统是实现可持续发展的关键联合国可持续发展目标14专门聚焦于海洋生命，呼吁各国保护和可持续利用海洋资源2022年通过的《国家管辖范围以外区域海洋生物多样性公约》BBNJ是全球海洋保护的里程碑，首次为公海建立了全面的保护框架海洋环流研究挑战海洋环流研究面临着多重挑战首先，观测技术的限制使得深海和极端环境数据稀缺，如深度超过米的海沟区域、冰下环境6000等虽然计划和其他观测网络显著提升了观测能力，但全球海洋观测仍存在时空覆盖不均的问题Argo其次，海洋环流的复杂性和多尺度特性对模型提出了极高要求从厘米尺度湍流到全球环流，跨越了超过个量级的空间尺度，10计算资源限制使得无法同时解析所有尺度过程此外，气候海洋系统的非线性特性可能导致突变和临界点现象，增加了预测的不-确定性人工智能在海洋科学中的应用大数据分析海洋观测系统每天产生TB级数据，传统方法难以有效处理人工智能技术，特别是深度学习算法能够从这些复杂数据中提取有价值的信息和模式例如，卫星图像中的涡旋识别、海表温度异常检测等任务，AI算法的准确率已达到90%以上，处理速度比传统方法快数百倍机器学习模型基于历史数据训练的机器学习模型已在多个领域展示出优越性能在厄尔尼诺预测中，深度神经网络模型将预测提前期从6个月延长到了18个月，准确率提高约25%随机森林和支持向量机等算法被用于海洋生态系统建模，帮助科学家理解复杂的种群动态和生物地球化学过程混合动力方法-AI最新研究方向是将传统动力学模型与AI技术结合，创建物理知情的AI模型这些混合方法继承了物理模型的可解释性和AI的灵活性，如用神经网络替代传统海洋模型中的参数化方案，可将计算效率提高10-100倍，同时保持物理一致性这一方向被认为是未来海洋模拟和预测的重要发展趋势海洋环流与全球贸易90%国际贸易海运比例全球贸易量的绝大部分通过海上运输完成80,000+全球商业船舶活跃在国际航运路线上的商业船舶数量40%节省燃料潜力顺洋流航行可节省船舶燃料消耗30%气候风险增长预计到2050年航运气候相关风险增加幅度海洋环流对全球贸易系统有着深远影响航运公司长期以来利用主要洋流设计航线，如从北美东海岸到欧洲的船只利用墨西哥湾流可以节省大量燃料和时间研究表明，顺流航行可以减少15-40%的能源消耗，特别是在强流区域如墨西哥湾流、日本黑潮等地区海洋环流监测技术卫星观测系统自主水下航行器定点观测网络现代卫星观测技术可以通过测量海面高度、水下滑翔机和自主航行器通过改变浮力在海全球部署了多个锚系观测阵列，长期监测关温度和海表粗糙度间接推算表层海洋环流洋中滑行，能够长时间在海洋中自主作业，键区域的海洋环流如阵列监测北大西RAPID卫星高度计可测量海面高度偏差，通过地转收集温度、盐度、溶解氧等数据最新型号洋经向翻转环流，阵列监测热带太TOGA-TAO平衡关系计算表层流速；合成孔径雷达则可滑翔机可连续工作个月以上，航程超过平洋环流，阵列监测南大西洋环流等66000SAMOC直接测量海面流速场多颗卫星协同观测可公里，为海洋内部环流提供宝贵观测这些这些系统通常由锚定在海底的浮标组成，配提供全球海面环流的准实时图像，时间分辨平台成本相对较低，可在恶劣海况下安全工备多种传感器，连续测量从海底到海面的温率达到每天，空间分辨率约为公里作，已成为现代海洋观测系统的重要组成部度、盐度和流速等参数，为理解海洋环流变10-25分异性提供了重要数据海洋生态系统服务调节服务海洋通过热量储存和传递调节全球气候，减缓气候变化速度海洋每年吸收约30%的人为CO2排放和93%的多余热量，是全球最大的气候缓冲器此外，沿海生态系统如红树林、盐沼能够减缓风暴和海浪影响，保护海岸线免受侵蚀供给服务海洋为人类提供食物、药物、能源等资源全球约有10亿人依赖海洋作为主要蛋白质来源，渔业和水产养殖年产值超过4000亿美元海洋生物多样性为新药开发提供丰富资源，已有数千种海洋化合物显示出药用价值文化服务海洋提供美学、休闲、教育和精神价值海洋旅游和休闲活动是许多沿海地区的经济支柱，全球年产值约为4700亿美元海洋也在许多文化中具有重要的精神和宗教意义，丰富人类的文化多样性支持服务海洋支持初级生产力、营养循环和生物多样性维持海洋贡献了地球约50%的初级生产力，是全球氧气的主要来源之一海洋中栖息着约25万种已知物种，而实际数量可能高达200万种，大部分尚未被发现海洋环流与渔业资源海洋酸化的生态影响珊瑚礁钙化速率降低20-40%贝类壳体发育和存活率下降钙质浮游生物翼足类壳体溶解风险鱼类影响感官和行为变化海洋酸化被称为气候变化的邪恶双胞胎，对海洋生态系统构成严重威胁当二氧化碳溶解在海水中，形成碳酸，进而解离出氢离子，导致海水pH值下降这一过程还减少了碳酸盐离子的可用性，碳酸盐是许多海洋生物形成贝壳和骨骼的关键成分实验研究表明，在预计的2100年海洋pH值条件下pH约

7.8，珊瑚的钙化速率可能下降20-40%全球珊瑚礁系统支持超过一百万种海洋生物，其退化将对海洋生物多样性和依赖珊瑚礁的渔业产生深远影响同样，经济重要的贝类如牡蛎、扇贝和贻贝也面临壳体发育障碍和存活率下降的风险海平面上升预测极端天气事件飓风强度增加极端降水海洋热浪研究表明，全球变暖正在影响热带气旋的特海洋变暖增加了大气中的水汽含量，根据克海洋热浪是指海表温度异常持续至少天的现5性虽然总体频率可能不会明显增加，但强劳修斯克拉珀龙关系，气温每升高，大象卫星数据表明，自年以来，海洋热-1°C1982烈风暴级飓风的比例正在上升卫星数气持水能力增加约这导致极端降水事件浪的频率已增加了以上，强度和持续时4-57%50%据显示，自年以来，强热带气旋最大风频率和强度增加研究表明，特别是在热带间也明显增加这些事件对海洋生态系统造1979速超过米秒在全球范围内的占比已增加气旋和中纬度风暴中，降水强度正在明显增成严重影响，如年大堡礁海洋热浪导致50/2016约这些变化与热带海洋表面温度升高强，如年飓风哈维期间，德克萨斯州部的珊瑚死亡预计到年，在高排放30%201730%2100直接相关，每升高，最大风速可能增加约分地区的降水量达到毫米，创造了美国情景下，海洋热浪的频率可能增加倍以上1°C150050历史记录5%海洋环流与全球粮食安全渔业生产农业气候影响海洋提供的全球动物蛋白摄入海洋调节影响农作物生长的气候模式17%生态系统服务食品贸易运输沿海生态系统支持水产养殖和捕捞国际食品贸易依赖海运90%4海洋环流对全球粮食安全的影响是多方面的首先，海洋渔业和水产养殖提供了约的全球动物蛋白摄入，对超过亿人来说，17%30鱼类提供了至少的动物蛋白摄入环流变化直接影响鱼类资源的分布和丰度，可能改变传统渔场位置和生产力20%其次，海洋环流通过影响气候模式间接影响陆地农业生产厄尔尼诺南方振荡等海气相互作用现象会导致全球多地降水和温度-异常，影响农作物产量研究表明，强厄尔尼诺事件可能导致全球玉米产量下降，小麦产量下降4-7%2-4%海洋环流观测技术创新新型传感器微型化、低能耗和多参数化是海洋传感器发展的主要趋势新一代光学传感器可实时测量多种生化参数；微流控分析系统可进行原位样品分析；生物传感器可直接检测特定生物过程这些创新大幅提升了海洋观测的深度和广度大数据分析海洋观测系统每天产生PB级数据，传统分析方法难以应对机器学习和人工智能技术正在革新海洋数据处理方式，如自动识别海洋涡旋、预测海洋状态、填补观测数据空白等云计算平台使科学家能够更有效地访问和分析海量数据智能观测系统未来海洋观测将走向自适应、智能化方向搭载AI的自主平台可根据实时观测结果调整采样策略，追踪感兴趣的海洋现象；多平台协同观测系统可优化观测资源配置；数字孪生技术将整合观测和模型，提供海洋状态的完整视图国际海洋研究合作全球海洋观测系统1GOOS由IOC、WMO等国际组织共同发起，旨在建立全球海洋观测网络，提供高质量海洋数据，目前有超过90个国家参与国际大洋发现计划2IODP是世界最大的国际海洋科学研究项目，专注于海底钻探，研究地球历史、气候变化和深部生物圈联合国海洋科学促进可持续发展十年32021-2030年，聚焦海洋科学与可持续发展，推动全球协作解决海洋健康问题国际合作是海洋研究的重要特征，因为海洋是无国界的全球共同体跨国科学计划不仅分担了巨大的研究成本，还促进了知识和技术的共享，加速了科学发现全球各大洋研究船队每年执行数百次科考任务，收集的数据通过国际数据中心向全球科学家开放，形成开放科学的范例海洋环流教育与意识公众科学素养公民科学参与提高公众对海洋环流和气候变化公民科学项目如盘计划允Secchi的科学理解是应对全球环境挑战许非专业人士参与海洋观测，既的基础各种面向公众的海洋科丰富了科学数据，又提高了公众学传播项目，如纪录片、科普书参与度全球已有数十万志愿者籍、海洋博物馆和水族馆等，都参与各类海洋公民科学项目，收在扮演重要角色研究表明，环集的数据已在数百篇科学论文中境科学素养与支持气候政策的意使用这种参与式方法显著提升愿呈正相关了公众对海洋环境的关注和理解决策者教育针对政策制定者的科学政策对话机制，如政府间气候变化专门委员会-IPCC和政府间海洋学委员会定期评估报告，将复杂的科学发现转化为决策者IOC可理解的信息科学外交已成为国际海洋治理的重要组成部分，推动基于科学的政策制定海洋环流与可持续发展海洋环流系统对实现联合国可持续发展目标具有重要意义特别是水下生命直接关注海洋保护和可持续利用，而气SDGs SDG14SDG13候行动、零饥饿和无贫穷等目标也与海洋健康密切相关由于海洋环流对气候调节、食物生产和沿海社区生计的重要影响，SDG2SDG1保护海洋环流系统成为可持续发展的关键要素基于自然的解决方案正受到越来越多关注，如通过保护和恢复蓝碳生态系统红树林、海草床和盐沼增强碳汇能力；发展可持续水产NbS养殖减轻野生渔业压力；建立综合海岸带管理减少污染和栖息地破坏这些措施既有助于维护海洋环流系统的健康，又能为人类社会带来多重效益海洋环流研究伦理科学研究原则海洋科学研究应遵循严格的伦理标准，包括数据完整性、透明度和责任制开放科学已成为主流趋势，研究人员应公开分享数据、方法和结果，促进科学知识的累积和验证同时，在进行野外观测和实验时，应尽量减少对海洋环境的干扰例如，在研究海洋生物对环流变化的响应时，应采用非侵入性方法；在部署观测设备时，应考虑其潜在环境影响并采取适当缓解措施跨学科合作海洋环流研究涉及物理、化学、生物、地质和社会科学等多个学科研究团队应重视不同学科之间的平等对话和合作，避免学科偏见传统知识和本地经验也应得到尊重，特别是与沿海社区合作时例如，了解南太平洋岛国居民几千年来积累的导航知识和对洋流规律的观察，可以丰富科学研究，也是对本地智慧的尊重这种多源知识整合对于理解复杂的海洋-社会系统至关重要海洋环流的未来展望技术创新新一代观测技术将彻底改变我们对海洋环流的认识深海无人系统可以长期驻留在海底，监测底层环流；生物传感器网络将追踪海洋生物与环流的相互作用；量子传感器有望将海洋监测精度提高数个量级同时，高分辨率全球模型和人工智能的结合将大幅提升预测能力，特别是对极端事件的预报研究前沿海洋环流研究正向多方向拓展微尺度与大尺度过程的相互作用、环流对生物地球化学循环的影响、环流系统的临界点和突变机制、古海洋环流与气候变化等特别值得关注的是环流变化的社会经济影响研究，将自然科学与社会科学紧密结合，为适应性规划提供科学依据全球合作面对海洋环境的挑战，国际合作比以往任何时候都更加重要开放数据共享、联合观测计划、协调一致的保护政策将成为未来海洋环流研究的主流同一个海洋的理念正在全球科学界形成共识，推动更加开放、包容和高效的国际合作机制联合国海洋科学促进可持续发展十年2021-2030为这一全球努力提供了重要框架海洋环流系统的复杂性多尺度相互作用海洋环流跨越从毫米级湍流到上万公里的全球环流，各尺度过程相互影响•小尺度混合影响大尺度环流稳定性•大尺度环流为小尺度过程提供能量•涡旋输运对全球热量和物质再分配至关重要非线性动力学海洋系统中的非线性相互作用导致复杂行为•涡旋与背景流之间的非线性相互作用•阈值效应和突变可能性•混沌动力学特性使长期预测具有挑战性系统科学视角将海洋环流视为复杂适应系统的一部分•反馈机制和自组织过程•与其他地球系统组分的相互作用•人类活动作为系统的一部分而非外部驱动力海洋环流与全球治理国际海洋法律框架气候变化响应可持续海洋经济《联合国海洋法公约》是全球海洋《巴黎协定》将蓝色碳汇纳入减缓气候变高级别可持续海洋经济小组汇集了个国家UNCLOS14治理的基石，为海洋利用和保护提供了基本化的战略，认可了海洋在应对气候变化中的领导人，致力于通过平衡保护和生产实现海框架年达成的《国家管辖范围以外区关键作用越来越多的国家将海洋行动纳入洋的可持续管理蓝色经济框架强调经济发2022域海洋生物多样性公约》是几十年来国家自主贡献，如保护蓝碳生态系统、展与海洋健康相互促进而非对立，推动了渔BBNJ NDCs海洋治理最重要的突破，首次为公海建立了发展可持续渔业和减少海洋污染等海洋在业改革、海洋可再生能源发展和减少塑料污全面的保护框架，包括海洋保护区的建立、气候治理中的重要性日益提升，从气候变化染等行动海洋环流系统的健康被视为蓝色环境影响评估和海洋遗传资源的获取和惠益中被忘记的一半转变为气候解决方案的核心经济长期繁荣的基础分享部分海洋环流研究的社会意义科学认知拓展人类对地球系统的理解边界环境保护为海洋保护和资源管理提供科学依据可持续发展3支持气候适应和蓝色经济转型社会韧性增强沿海社区应对环境变化的能力海洋环流研究不仅具有纯科学价值，还与人类社会发展密切相关通过增进对海洋环流系统的了解，我们能够更好地预测气候变化，为减灾和适应性规划提供科学依据；能够更可持续地管理海洋资源，保障全球食品安全；能够保护海洋生态系统，维持其提供的各种生态系统服务特别是对于沿海国家和小岛屿发展中国家，海洋环流研究直接关系到其生存与发展了解海平面上升趋势、极端天气变化和渔业资源迁移对制定有效的适应策略至关重要海洋科学与可持续发展目标的结合，代表了科学研究服务人类福祉的重要方向挑战与机遇观测挑战尽管技术不断进步，海洋观测仍面临巨大挑战深海区域、极地海域和恶劣天气条件下的观测存在技术和经济障碍；全球观测网络的时空覆盖不均衡，特别是在发展中国家沿海水域；长期持续观测面临资金可持续性问题这些挑战限制了我们对海洋环流全面准确的理解模型局限数值模型是理解和预测海洋环流的关键工具，但仍存在重要局限高分辨率全球模型计算成本昂贵，难以进行长期模拟；小尺度过程参数化方案不完善；模型-数据融合技术有待提升特别是对环流变化的临界点和突变预测能力有限，增加了预测的不确定性跨学科机遇跨学科研究为海洋环流科学带来新视角将物理海洋学与海洋生物地球化学、生态学和社会经济学结合，有助于全面理解海洋-气候-社会系统；量子计算、人工智能和生物传感等前沿技术为海洋观测和模拟带来突破性进展；科学与政策的紧密结合，可促进研究成果向实际应用转化能力建设发展全球海洋科学能力是应对共同挑战的基础通过技术转让、教育培训和科研合作，增强发展中国家的海洋研究能力；建立更加开放、包容的国际合作机制，确保研究成果广泛共享；培养跨学科海洋科学人才，适应未来研究需求这些努力将大大提升全球共同应对海洋环境挑战的能力结语海洋、气候与人类历史联系1海洋环流自地球形成以来就塑造着气候系统，影响人类文明发展古代航海者凭借对洋流规律的观察横跨大洋；渔民依据水温和洋流变化预测渔场；农当前挑战业文明繁荣与衰落往往与气候变化相关，而气候又受海洋环流调控人类与2海洋的关系贯穿整个文明史随着全球变暖，海洋环流系统正经历显著变化北大西洋环流减弱、南大洋变暖加速、热带环流模式改变等现象已经观测到，并对气候系统产生连锁反应同时，人类活动对海洋的压力不断增加，包括过度捕捞、污染、栖息地未来希望3破坏等，进一步威胁海洋生态系统的健康和稳定性尽管挑战严峻，但科学进步和国际合作带来希望先进观测技术让我们更好地监测海洋变化；人工智能增强了预测能力；可持续发展理念正在全球推广；国际社会对海洋保护的共识不断增强通过科学研究、政策行动和公众参与的结合，我们有能力实现海洋环境与人类社会的可持续共存，共同面对气候变化的挑战。