一项利用新型观测系统开展的研究指出，气候变化正导致海洋温度上升，深水区将更快超过安全阈值。
这意味着，生活在开阔海域的海洋生物，其热环境在上层海水发生显著变化之前就会面临挑战。
对于没有一年四季之分的地区（如热带和极地地区）的物种而言，影响尤其令人担忧，因为它们适应高温的能力较弱。
研究全球变暖对海洋生物的影响时，考虑海洋深度至关重要。
世界海洋孕育着超过24万种已知物种，每种物种都需要特定的环境条件才能繁衍生息。
然而，人为引发的气候变化正改变海洋环境，具体表现为温度、含氧量和酸度水平的变化，威胁着这些物种的栖息地。
越来越多的研究致力于探讨这些变化将如何影响海洋生物的分布。归根结底，根据每种物种的热耐受极限，海洋温度在塑造全球生物多样性格局方面发挥着最大作用。
因此，我们可以通过观察海洋温度的演变来追踪海洋生物分布的变化。例如，研究表明，随着海洋变暖，无脊椎动物和鱼类正向两极迁移。
然而，大量科学文献关注的是年度或季节性温度如何变化。同样，许多研究因数据可得性而聚焦于海表温度。
如今，新一代先进观测系统为科学家提供了丰富的信息，覆盖海洋的不同深度。在一项发表于《自然·气候变化》的新研究中，我们评估了从海表到1公里深处的热范围如何变化，以及这对海洋生物意味着什么。
以大西洋鳕鱼为例，本世纪不断变化的热范围可能使其面临一个很大程度上“全新”的热环境，具体取决于未来的碳排放。作为应对，它要么迁徙（向两极或更深水域），要么适应新环境。无论选择哪种方式，随着海洋生物分布发生变化，它都可能面临新的食物竞争，也需要躲避新的捕食者。
当前热范围
过去二十年间，新的观测系统（例如Ocean Sites网络和ARGO/Bio-ARGO计划）让科学家得以以前所未有的方式了解世界海洋的变化。
例如，Ocean Sites网络由一个全球系统构成，包含“长期深水参考站，测量数十个变量并监测整个海洋深度，从海气相互作用一直覆盖到5,000米深处”。
这些监测站的数据使我们能够绘制“垂直剖面”，展示不同海洋深度的温度。在本研究中，我们聚焦于北半球的六个地点（如下图所示）：热带地区三个、温带地区两个、高纬度地区一个。
下方剖面图根据各地点、各深度的最低和最高温度观测值，展示了六个站点直至1公里深处的热范围。阴影和线条分别表示依据观测结果和模型模拟得出的热范围。颜色表示范围的上限（红色）和下限（蓝色）。我们假设海洋生物已适应当前热范围。
然而，随着海洋变暖，这些热范围边界将发生变化。下图展示了边界可能发生变化的不同方式，包括温度下限（上图）、上限（中图）或两者（下图）的变化。
例如，热范围可能以多种方式缩窄（黄色条），比如温度下限升高得比上限更快。相反的情况则会使范围扩大（紫色）。如果两个界限都降低，热范围将向较冷区间移动（蓝色）；如果两者都升高，则会向较暖区间移动（红色）。
显著变化的时间
我们通过改进广为人知的“显现时间”指标，估算热范围在何处、何时发生显著变化。该指标用于识别气候变化的长期趋势这一“信号”何时能从自然变率的“噪声”中清晰显现。
具体而言，我们想了解未来温度下限（Tmin）和上限（Tmax）何时会越过海洋生态系统当前的关键阈值，如下图所示。
例如，Tmin越过当前温度中点（Tmidpoint，即Tmin与Tmax之间的中间值），这一时刻与……高度吻合“生态成功率最高温度”，也就是某个物种数量达到峰值时的温度。到这一时刻，我们认为海洋生态系统已受到气候变化影响。
当Tmin越过当前Tmax时，我们认为生态系统暴露于全新的热环境中，生物因而不得不适应或迁徙。由于生物对Tmax的变化高度敏感，我们还估算了Tmax何时越过当前Tmax。
我们的研究结果显示，这些变化在“中层带”（深度200至1,000米）海域出现的时间将早于“表层带”（0至200米）海域。
此外，研究结果表明，在水深50米以下海域，Tmax的变化最快在本十年内就会显现，超出当前自然变率。然而，在这一深度，Tmin演变所驱动的变化要到本世纪末才会出现。
气候“新颖性”
所有这些变化都将导致六个站点的热范围在本世纪末发生偏移。
为了更清楚地看出与当前热范围的差异，我们定义了一个“气候新颖性”指标，用以计算本世纪末（2080至2100年）的热范围中，相对于历史热范围（1990至2014年）从未出现过的部分所占比例。
下图展示了六个站点到本世纪末热范围边界的预计变化（红、蓝线及阴影），以及不同海洋深度的气候新颖性比例（紫线）。
每张图右侧的条形图显示了三种排放情景下不同海洋深度热范围的整体预期变化：与全球变暖控制在2C以下相符的低排放情景（SSP1-2.6）；大致对应各方承诺总和中较高水平的情景（依据《巴黎协定》）（SSP2-4.5）；以及极高排放情景（SSP5-8.5）。
预计本世纪大多数热范围将变暖并扩大（紫色条），或变暖并缩窄（黄色条）。少数情况下，热范围预计将变暖（红色）或变冷（蓝色）。
气候新颖性图表显示，在高排放情景下，水深50米以上的所有站点气候新颖性约为50%，这意味着到2100年，热范围中有一半相对于历史热范围将完全是全新的。
在200米以下的若干深度，这一比例升至约100%，表明中层带海域的变化将大于表层带海域。
不同未来气候情景下的差异
我们的研究采用了三种差异显著的排放情景，即共享社会经济路径（SSP），用以描述本世纪社会可能的发展方式。
在高排放SSP5-8.5情景下，全球海洋平均温度到2100年将升高3-5C；在这一情景中，Tmin越过当前Tmax的变化最早可能于2040年代在中层带海域显现。本世纪末该深度的热范围气候新颖性接近100%。
这意味着，远洋物种（例如大西洋鳕鱼，这种鱼类作为海洋资源具有重要经济价值）将在短短几十年内面临与当前截然不同的热环境。因此，这些鱼类可能向北迁徙或游向更深水域，以适应全新的热范围生态位，并由此加剧物种间的食物竞争，以及与当地种群之间的捕食者—猎物互动。
若考虑中等排放的SSP2-4.5情景，新热范围出现的时间最多可推迟数十年，同时整个水柱的气候新颖性也会降低；在200米以下的少数深度层位，这一比例仍约为100%。在这一情景下，减缓气候变化的计划将为大西洋鳕鱼争取更多时间，使其适应环境或迁往更适宜的区域。
若减排并考虑SSP1.2-6情景，全球海洋平均温度到2100年将升高1-2C，新热范围出现的时间将比中等排放情景推迟数年。
相比之下，与SSP5-8.5相比，SSP2-4.5情景下气候新颖性的降低仅在高纬度站点显著。尽管相较于更高排放情景，变化有所推迟，但即使全球在本世纪中叶实现净零排放，海洋生态系统的热范围仍注定会受到影响。
相反，在考察Tmax的显现时间时，不同排放情景之间的差异较小。减排后，Tmax越过当前Tmax的显现时间推迟，主要见于温带和高纬度站点的上层海水。
未来研究应考虑垂直维度
这些结果意味着，生活在开阔海域的海洋生物，其热环境在上层海水发生显著变化之前就会面临挑战。
对于没有一年四季之分的地区（如热带和极地地区）的物种而言，影响尤其令人担忧，因为它们适应高温的能力较弱。海洋温度较暖的上限开始显现，将进一步加剧它们的脆弱性。
热带物种可能向北方纬度迁移以寻找较冷的海水。但这可能给北极的猎物和捕食者带来额外压力。
另一种选择是，物种寻找深水热避难所，前提是更深处的热范围在较高水压、较弱光照和食物供应方面适合它们。
总体而言，我们的研究表明，气候变化对海洋生态系统的影响可能比此前认为的更难确定。纳入垂直维度后，我们得以更全面地认识海洋热范围将如何变化，其中的图景也复杂得多。
因此，研究全球变暖对海洋生物的影响时，考虑海洋深度至关重要。
