全球珊瑚白化的结构性气候驱动因素

《Global Change Biology》：Structural Climate Drivers of Global Coral Bleaching

珊瑚白化机制研究：基于1993-2020年海洋温度、ENSO指数及珊瑚覆盖数据，发现白化呈现从间歇性到持续性转变，热阈值因长期增暖持续弱化。提出结构-路径-响应框架，揭示东部陆缘热汇聚、陆坡热滞留及垂直热累积三大热力机制，划分北半球偏流模式与南半球热堆积模式。研究表明表面温度监测存在盲区，需结合热力学模型构建区域化早期预警系统，并强调保护结构化热庇护所的重要性。

　　

摘要

大规模珊瑚白化已成为人为气候变化的典型生态特征，但其空间和时间演变的机制仍不甚明了。传统的评估方法主要关注表面温度异常和强厄尔尼诺现象，但越来越难以解释白化的持续性、区域差异以及生态阈值的不稳定性。本文利用1993年至2020年的长期海洋温度数据、白化警报数据、厄尔尼诺-南方涛动（ENSO）指数、珊瑚-藻类覆盖率以及海底温度剖面数据，发现珊瑚白化模式已从偶发事件转变为长期热暴露现象。这一转变表明白化对ENSO强度的依赖性降低，因为即使是中等强度的ENSO事件（包括厄尔尼诺和拉尼娜现象）也会导致广泛的珊瑚白化，这表明在持续的海温升高背景下，生态阈值正在逐渐被破坏。我们进一步提出了一个“结构-路径-响应”框架来描述白化风险的结构重组：(i) 东部大陆边缘（如东亚海域、加勒比海）的热量汇聚；(ii) 沿大陆坡向极地的热量输送及地形对热量的滞留；(iii) 通过等温线加深导致的热量垂直积累，从而增加白化风险。我们识别出两种主要的热量滞留机制：北半球的电流偏转模式和南半球的温度堆积模式。这些模式通过扩大温度异常的空间范围和持续时间来增加区域脆弱性，而这种变化无法仅通过海表温度（SST）的变化来完全解释。我们的研究结果凸显了仅依赖海表监测系统的局限性，并强调了基于热力学的、针对特定区域的早期预警系统的必要性。在快速变暖的海洋环境中，保护珊瑚礁的结构热避难所和管理热量传输路径对于维持珊瑚礁的韧性至关重要。

利益冲突

作者声明没有利益冲突。

数据可用性声明

本研究支持的数据可在Zenodo平台上公开获取，链接为：https://doi.org/10.5281/zenodo.17890243。本研究中使用的所有外部数据集均来自具有唯一标识符的公共数据库，具体如下：(1) 珊瑚白化数据库（GCBD）。本研究中使用的珊瑚白化时间序列数据和珊瑚覆盖率数据已整理并存储在公开数据库中，来源为Van Woesik等人（2022），DOI为：https://doi.org/10.6084/m9.figshare.c.5314466，该数据库提供了长期访问的永久标识符。(2) 1993年至2020年的每月5公里分辨率海表温度（SST）、SST异常（SSTA）、热点区域（HotSpot）、升温周（DHW）和白化警报区域（BAA）数据来自NOAA珊瑚礁监测系统（CRW）3.1版本，可通过NOAA NESDIS FTP服务器获取：ftp://ftp.star.nesdis.noaa.gov/pub/sod/mecb/crw/data/5km/v3.1_op/nc/v1.0/monthly/。这些数据由NOAA公开维护。(3) 全球海洋海底温度数据（0–200米深度）来自NOAA国家环境信息中心（NCEI）的世界海洋数据库，链接为：https://data.marine.copernicus.eu/product/GLOBAL_MULTIYEARPHY_001_030，DOI为：https://doi.org/10.48670/moi-00021。(4) ERSSTv3b海表温度数据来自NOAA NCEI，DOI为：https://doi.org/10.7289/V5RB72J8。(5) 厄尔尼诺-南方涛动（ENSO）指数数据来自NOAA物理科学实验室（PSL），链接为：https://psl.noaa.gov/data/timeseries/month/DS/Nino34_CPC/、https://psl.noaa.gov/data/timeseries/month/DS/Nino4_CPC/、https://psl.noaa.gov/data/timeseries/month/DS/Nino3_CPC/，DOI分别为：https://doi.org/10.1029/2002JD002670。(6) 太平洋十年涛动（PDO）指数来自NOAA NCEI，链接为：https://www.ncei.noaa.gov/access/monitoring/pdo/，DOI为：10.1175/1520-0442(1997)010<1004:ELIV>2.0.CO;2。(7) 大西洋多年涛动（AMO）指数来自NOAA物理科学实验室，链接为：https://psl.noaa.gov/data/timeseries/AMO/。(8) 长期珊瑚覆盖率数据来自2020年《世界珊瑚礁状况报告》，链接为：https://www.unep.org/resources/status-coral-reefs-world-2020，DOI为：https://doi.org/10.59387/WOTJ9184。(9) 海洋厄尔尼诺指数（ONI）数据来自NOAA物理科学实验室（PSL），包含尼诺3.4区域（北纬5°至南纬5°、西经120°至170°）三个月平均海表温度异常值，相对于30年气候平均值计算得出。尽管该数据集按月标记时间戳，但每个数值均符合NOAA操作定义中的三个月平均标准。ONI数据集可在：https://psl.noaa.gov/data/climateindices/list/公开获取。(10) 海洋厄尔尼诺指数（ONI）数据来自NOAA物理科学实验室提供的月度序列，链接为：https://psl.noaa.gov/data/climateindices/list/。ONI定义为尼诺3.4区域的三个月平均海表温度异常值，PSL产品为每个月分配相应的三个月平均值。厄尔尼诺和拉尼娜事件的判断依据是连续五个月的温度异常值是否超过±0.5°C。本分析中使用的所有数据集均可免费获取，并包含期刊要求的唯一标识符或永久性数据存储链接。