海洋科普:加速增暖的海洋相當(dāng)于每秒都在爆炸原子彈
發(fā)布時(shí)間:2021-01-06
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  對(duì)于過去100多年氣候變化的認(rèn)識(shí),一直有一朵揮之不去的陰云,因?yàn)樗性u(píng)估氣候變化的觀測(cè)站點(diǎn)主要集中在北半球大陸地區(qū)的陸地表面,而占地球表面積71%的海洋表面及內(nèi)部不僅站點(diǎn)稀疏,而且觀測(cè)時(shí)間短,這使得我們對(duì)全球變化的大量研究和主要認(rèn)知集中在陸地表面和大氣中,也使得全球溫度序列很有可能存在較大的偏差。最近關(guān)于海洋資料的分析,讓這朵“陰云”逐漸散去,揭示了一個(gè)驚人的事實(shí):全球海洋正加速增暖!

  

  如果讓外星人給地球起個(gè)名字,“水球”或者“藍(lán)球”應(yīng)該是不錯(cuò)的選擇,在宇宙中地球看起來就是一顆藍(lán)色的水球,海洋覆蓋了地球表面積的約71%,平均厚度達(dá)4千米,儲(chǔ)存著97%的水資源。海洋總質(zhì)量達(dá)到1.4×10^18噸,與之相比,大氣總質(zhì)量?jī)H為5×10^15噸,僅為海洋總質(zhì)量的0.36%。進(jìn)一步考慮到海水的比熱容遠(yuǎn)大于大氣與陸地表面,因此海洋的熱儲(chǔ)存能力更強(qiáng),是全球變化的主要調(diào)節(jié)器。

  

  圖1. 氣候系統(tǒng)中的各分量和重要的過程,海洋是氣候系統(tǒng)的關(guān)鍵組成部分。圖片來自Neelin (2010) 《Climate Change and Climate Modeling》

  進(jìn)入地氣系統(tǒng)的太陽輻射,經(jīng)過大氣、云層和表面的反射,以及大氣層的吸收之后,只有約51%可以加熱地球表面,其中的70%被海洋吸收,然后再以長(zhǎng)波輻射、潛熱感熱等多種能量形式釋放出去。在過去100多年里,全球溫室氣體逐漸增加,使地球系統(tǒng)“困住”了更多的熱量,直接驅(qū)動(dòng)了全球變暖,這些能量90%以上都存儲(chǔ)在海洋中,因此海洋熱含量變化是氣候變化的一個(gè)核心指針:全球變暖事實(shí)上是海洋變暖。當(dāng)考慮全球能量或熱量變化時(shí),甚至可以忽略大氣和陸地表面溫度的變化,只分析海洋熱容量的變化,也可較為準(zhǔn)確地了解地球氣候系統(tǒng)的變化狀況。

  

  地球表面分布著數(shù)以萬計(jì)的氣象觀測(cè)站(圖2),其中歷史最悠久的觀測(cè)站已經(jīng)有長(zhǎng)達(dá)200多年的連續(xù)觀測(cè),這些歷史觀測(cè)對(duì)于了解過去一百多年,尤其是最近50多年的陸地表面氣候變化,發(fā)揮了至關(guān)重要的作用。然而,這些觀測(cè)站主要分布在北半球大陸地區(qū),即使在大陸地區(qū),也因?yàn)樯衬?、森林和冰川等存在,站點(diǎn)分布并不均一,因此基于陸地表面計(jì)算的全球溫度,只反映了整個(gè)氣候系統(tǒng)的一個(gè)方面,很有可能存在較大的偏差,這是研究全球氣候變化揮之不去的陰影,比如近些年研究表明,由于北極地區(qū)觀測(cè)較少,使得全球表面溫度估計(jì)長(zhǎng)期趨勢(shì)被低估,因?yàn)闃O區(qū)放大效應(yīng),導(dǎo)致極區(qū)氣候變化幅度更大。

  

  圖2. 全球地球表面觀測(cè)站點(diǎn)的分布。圖片來自于世界氣象組織(https://www.wmo-sat.info/oscar/)

  隨著全球溫室氣體濃度數(shù)值不斷攀升,全球溫度增加已經(jīng)成為既定事實(shí),而海洋變暖多少的問題一直沒有得到有效的解決,這主要是源于過去海洋觀測(cè)數(shù)據(jù)的不足,不僅數(shù)量偏少,而且質(zhì)量不佳(圖3)。除了在長(zhǎng)期氣候變化監(jiān)測(cè)上需要海洋數(shù)據(jù),要深刻理解諸如“厄爾尼諾”、“拉尼娜”、南極繞極流、北大西洋震蕩和太平洋年代際震蕩等海洋異?,F(xiàn)象,也需要詳實(shí)的海洋資料,同時(shí)海洋資料還是季節(jié)到年際時(shí)間尺度上氣候預(yù)測(cè)的重要依據(jù)。

  

  圖3. 從上到下依次為1934、1960、1985和2009年海洋次表層觀測(cè)分布。

  紅色為南森瓶或CTD(電導(dǎo)率溫度深度記錄儀)觀測(cè)、淺藍(lán)色為MBT(機(jī)械式深海溫度計(jì))觀測(cè)、深藍(lán)色為XBT(拋棄式測(cè)溫儀器)觀測(cè)、綠色為Argo儀器觀測(cè)。圖片來自于Abraham et al. (2013)

  從1998 年起,國(guó)際上開始籌建Argo(Array for Real-time Geostrophic Oceanography,縮寫為Argo,這是希臘神話中英雄Jason所乘船的名字)全球?qū)崟r(shí)海洋觀測(cè)網(wǎng),Argo所用的自動(dòng)剖面浮標(biāo)是一種圓柱體狀的自沉浮裝置,長(zhǎng)約1.5米、重45公斤左右(圖4)。一旦投放入海,浮標(biāo)會(huì)自動(dòng)下潛至1000米水深,隨著洋流漂移數(shù)天(一般為10天),再次下潛1000米,抵達(dá)2000米深度后慢慢上升,回到海洋表面,并在上升過程中利用自身攜帶的電子傳感器,逐層測(cè)量海水的溫度和鹽度等海洋環(huán)境數(shù)據(jù)。當(dāng)浮標(biāo)到達(dá)海面后,會(huì)自動(dòng)將定位及測(cè)量的數(shù)據(jù)發(fā)送給衛(wèi)星,再中繼給各數(shù)據(jù)中心,之后,浮標(biāo)又會(huì)再次下潛,進(jìn)入下一個(gè)觀測(cè)循環(huán)。這種浮標(biāo)具有無須日常維護(hù)、不易受到人為損壞的優(yōu)點(diǎn),可以長(zhǎng)期、自動(dòng)、實(shí)時(shí)和連續(xù)獲取大范圍、深層海洋資料,被視為"海洋觀測(cè)手段的一場(chǎng)革命”。Argo所用的浮標(biāo)可以在茫茫大海上自動(dòng)運(yùn)行4~5年,直到浮標(biāo)自帶的電池容量耗盡為止,通常一個(gè)浮標(biāo)在其生存期內(nèi)可以獲得140-180條剖面。

  

  圖4. Argo浮標(biāo)

  Argo計(jì)劃自2000年正式實(shí)施以來,全球包括美國(guó)、澳大利亞、法國(guó)、英國(guó)、德國(guó)、日本、韓國(guó)、印度和中國(guó)等世界上近40個(gè)國(guó)家和團(tuán)體在全球海洋共布放了超過14000個(gè)Argo浮標(biāo),組成了全球Argo實(shí)時(shí)海洋觀測(cè)網(wǎng),從而真正意義實(shí)現(xiàn)了對(duì)全球海洋中上層的實(shí)時(shí)觀測(cè)。目前全球海洋內(nèi)部正漂流著3925個(gè)Argo浮標(biāo)(2019年1月6日,圖5),為全球海洋狀態(tài)提供持續(xù)實(shí)時(shí)的監(jiān)測(cè)。

  

  圖5. 最新的全球Argo浮標(biāo)的分布,全球有將近4000個(gè)浮標(biāo)對(duì)海洋進(jìn)行連續(xù)不斷的觀測(cè),為國(guó)際社會(huì)提供了超過200萬幅來自大洋的海洋環(huán)境圖像。

  隨著“核心Argo”網(wǎng)的建成,并隨著剖面浮標(biāo)技術(shù)的不斷創(chuàng)新發(fā)展,該計(jì)劃又提出繼續(xù)向有冰覆蓋的兩極海區(qū)、赤道、西邊界流區(qū)和重要邊緣海(包括日本海、地中海、黑海、墨西哥灣和南中國(guó)海等)拓展,并派生出了“生物地球化學(xué)Argo(BGC-Argo)”和“深海Argo(Deep-Argo)”等兩個(gè)子計(jì)劃。早期的Argo浮標(biāo)無法在冰覆蓋海區(qū)進(jìn)行觀測(cè),今天裝備有探冰傳感器的浮標(biāo)可以待浮標(biāo)漂移到無冰海區(qū)后,再浮出水面發(fā)送觀測(cè)資料;也可以把資料暫時(shí)儲(chǔ)存起來,等夏天冰蓋融化后再把資料發(fā)回地面。如今,Argo數(shù)據(jù)已經(jīng)成為海洋和大氣研究中重要的數(shù)據(jù)來源和參考依據(jù)。

  

  Argo資料真正豐富起來是在2005年之后,在此之前的海洋觀測(cè)主要依靠船舶,不僅觀測(cè)稀少,而且主要分布在北半球中緯度航線較為豐富的區(qū)域(圖3)。海洋觀測(cè)數(shù)據(jù)不足,如何估算此前的海洋狀況呢?科學(xué)家永遠(yuǎn)無法穿越到上世紀(jì)重新對(duì)全球海洋中上層進(jìn)行精細(xì)的測(cè)量,因此,如何深刻挖掘舊有的資料,重新獲得關(guān)于過去100多年,尤其是過去50多年的海洋中上層熱含量的變化狀況,成為進(jìn)行氣候變化研究重要的研究課題。海洋數(shù)據(jù)領(lǐng)域科研人員一直在持續(xù)不斷的改進(jìn)舊數(shù)據(jù)的質(zhì)量、發(fā)展新的技術(shù)以更準(zhǔn)確的重構(gòu)過去海洋的狀態(tài)。

  目前國(guó)際海洋研究領(lǐng)域一般推薦用海洋次表層XBT(Expendable bathythermograph,拋棄式測(cè)溫儀器)溫度觀測(cè)數(shù)據(jù)(圖6),XBT是1970年到2001年海洋次表層最主要的溫度觀測(cè)儀器,占1970-2001年所有次表層溫度數(shù)據(jù)的41%。盡管基于這個(gè)儀器的觀測(cè)數(shù)據(jù)存在各種問題,例如時(shí)空分布非常不均勻,數(shù)據(jù)存在系統(tǒng)性偏差等,但這是目前僅有的歷史資料里的核心部分。

  

  圖6. 船用拋棄式測(cè)溫儀器包括探體、發(fā)射器、甲板處理單元及數(shù)據(jù)顯示記錄儀器,其中探體是發(fā)射入水中消耗掉的部分,一般為魚雷型流線造型。探體頭上安置有溫度傳感器,并將采集的信號(hào)通過信號(hào)線傳輸?shù)酱霞装逄幚韱卧?。探體入水后,探體上的電極通過海水與接地線形成回路,溫度測(cè)量電路開始工作,采集海水溫度的同時(shí)計(jì)算探體下落的深度,探體達(dá)到最大深度后,銅細(xì)線自動(dòng)斷開,完成本次測(cè)量。

  因?yàn)閄BT數(shù)據(jù)存在系統(tǒng)性偏差,XBT數(shù)據(jù)也經(jīng)常被稱為“不成熟”的數(shù)據(jù)之一。如何訂正XBT偏差?如何更好地使用歷史XBT數(shù)據(jù)?從2008至今,國(guó)際不同的研究小組提出了超過10種偏差訂正方案,以訂正歷史XBT數(shù)據(jù)的系統(tǒng)性偏差。在2014年11月舉辦了第四次XBT科學(xué)研討會(huì)議上,XBT研究小組首次面向氣候變化、物理海洋學(xué)術(shù)界對(duì)如何使用XBT數(shù)據(jù)提出建議, 建議訂正XBT偏差時(shí)考慮下面多種因素:需同時(shí)訂正溫度和深度偏差、訂正時(shí)需考慮不同儀器的差異、不同海水溫度的影響、歷史不同時(shí)期偏差不一致等問題。中國(guó)科學(xué)院大氣物理研究所朱江和成里京研究團(tuán)隊(duì)在2014年提出的海洋數(shù)據(jù)偏差訂正方案脫穎而出,成為目前國(guó)際上推薦的最佳訂正方案。

  另外海洋中存在大量缺測(cè)的區(qū)域,需要利用已有的觀測(cè)去“推算”無觀測(cè)區(qū)域的溫度變化。這種“推測(cè)”的物理基礎(chǔ)是海洋各個(gè)區(qū)域的變動(dòng)都不是獨(dú)立的,而是具有豐富的相關(guān)性。大氣所研究團(tuán)隊(duì)利用海洋豐富的時(shí)空相關(guān)性,提出了一個(gè)新的空間插值方案,新的方法使用集合最優(yōu)插值方法,并利用耦合模式比較計(jì)劃的多模式歷史模擬提供動(dòng)力集合樣本,以提供更好的初始場(chǎng)(作為一個(gè)先驗(yàn)估計(jì))和背景誤差協(xié)方差(定義了信息如何從有觀測(cè)的區(qū)域傳遞到無觀測(cè)的區(qū)域),該方法有效地克服了目前主流方案主要問題。依據(jù)以上發(fā)展技術(shù),研究團(tuán)隊(duì)重建了一個(gè)新的自1940年以來全球海洋上層2000米的溫度數(shù)據(jù)集,并不斷對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行更新,此數(shù)據(jù)為水平1度×1度網(wǎng)格、垂向從1m到2000m總共41層,月平均的從1940到現(xiàn)在的溫度數(shù)據(jù),此數(shù)據(jù)目前可以從大氣所網(wǎng)站免費(fèi)下載(http://159.226.119.60/cheng/)。

  系統(tǒng)性分析和評(píng)估表明:該數(shù)據(jù)集能夠很準(zhǔn)確的再現(xiàn)1940-2015歷史區(qū)間內(nèi)的氣候平均態(tài)、年代際變化(如PDO)、年際變率(如ENSO)、以及長(zhǎng)期趨勢(shì)。此外,由NCAR牽頭的研究比較了目前最常用的6種次表層格點(diǎn)溫度數(shù)據(jù)(IPRC、SCRIPPS、EN4.1、JAMSTEC77、IAP)對(duì)2004-2014之間地球系統(tǒng)能量收支的估計(jì),發(fā)現(xiàn)基于次表層溫度格點(diǎn)數(shù)據(jù)的結(jié)果在月際尺度誤差很大。盡管如此,大氣所的格點(diǎn)數(shù)據(jù)在所用的六種觀測(cè)數(shù)據(jù)中誤差最小。

  

  根據(jù)這套數(shù)據(jù)做的新的海洋變暖估計(jì)比政府間氣候變化專門委員會(huì)第五次評(píng)估報(bào)告中的估計(jì)快約13%,反映了更快的全球變暖速率。該研究從能量角度表明氣候變暖并沒有減緩,相反,海洋和地球系統(tǒng)在加速吸收熱量,特別是深海變暖在加速。此外,更準(zhǔn)確的海洋熱含量估計(jì)解決了困擾氣候變化科學(xué)界的“消失的能量”之謎(即大氣層頂能量收支與海洋熱含量變化不匹配的現(xiàn)象)。該研究成果于2017年發(fā)表在《Science Advances》雜志上(Cheng et al., 2017),被美國(guó)第四次國(guó)家氣候評(píng)估-氣候科學(xué)評(píng)估報(bào)告直接使用,被英國(guó)皇家學(xué)會(huì)選為IPCC-AR5之后的主要進(jìn)展之一。

  另外,國(guó)際政府間氣候變化第五期評(píng)估報(bào)告(IPCC-AR5)列出的5個(gè)海洋熱含量變化估算中,最小的估計(jì)竟只有最大的估計(jì)的一半(圖7)。對(duì)于海洋變暖速度估算的不確定性,一方面限制了人們對(duì)全球變暖的科學(xué)認(rèn)知,影響地球系統(tǒng)能量不平衡、氣候敏感性等關(guān)鍵氣候參數(shù)的估算;另一方面也極大的阻礙了對(duì)氣候模型的評(píng)估,基于誤差較大的海洋資料,不可能來評(píng)估氣候模型對(duì)于過去氣候的模擬狀況,也限制了數(shù)值模式對(duì)未來做出合理的預(yù)估。

  

  圖7.(上圖)全球上層2000米海洋熱含量變化:過去的變化和未來預(yù)估。右側(cè)樣條為2081-2100年預(yù)估值。(下圖)新的海洋熱含量估計(jì)(藍(lán)色)比IPCC-AR5中的五個(gè)估計(jì)(灰色)顯示出更強(qiáng)的同期海洋變暖速率。氣候模型的同期模擬結(jié)果(黃綠色)

  最近中國(guó)科學(xué)院大氣所成里京副研究員聯(lián)合美國(guó)圣-托馬斯大學(xué)J. Abraham、加州大學(xué)伯克利分校Z. Hausfather和美國(guó)大氣研究中心K. Trenberth在《Science》上撰文,對(duì)上述問題進(jìn)行了解答(Cheng et al., 2019)。他們利用大氣物理研究所最新的海洋上層2000米熱含量數(shù)據(jù),以及更新和改進(jìn)了方法的日本氣象廳、澳大利亞聯(lián)邦科學(xué)與工業(yè)研究組織、美國(guó)普林斯頓大學(xué)等的新數(shù)據(jù),重新估算了海洋上層熱含量的變化。結(jié)果表明各個(gè)數(shù)據(jù)使用新的方法之后,顯示出非常一致的自1955年以來的全球海洋熱含量上升趨勢(shì)。

  在1971-2010期間,全球海洋上層2000米變暖速率為0.36~0.39 Wm-2。新的估算顯示出比IPCC-AR5更強(qiáng)的海洋變暖速率:IPCC-AR5的同期估計(jì)僅為0.20~0.32 Wm-2(圖6)。此外,海洋變暖在上世紀(jì)90年代后顯著加速:1991年后海洋上2000米變暖速率為0.55~0.68 Wm-2。這直接反映了人類活動(dòng)持續(xù)排放的溫室氣體對(duì)海洋的影響。

  氣候模型能否準(zhǔn)確模擬過去的海洋變化呢?Science研究表明,耦合模式比較計(jì)劃5(CMIP5)模型集合平均可以非常好的模擬歷史海洋變暖:1970-2010年間,CMIP5模擬的海洋上層2000米變暖速率為0.39 Wm-2,與最新的觀測(cè)幾乎一致(圖6)。模型對(duì)過去情況的優(yōu)秀的模擬效果極大提升了其對(duì)未來預(yù)估的可信程度。根據(jù)CMIP5模型預(yù)估,在RCP8.5情景下(假設(shè)未來不采取任何減排的氣候政策),2081-2100年間,整個(gè)上層2000米海洋將平均變暖0.78攝氏度(相對(duì)于1991-2005的氣候狀態(tài)),這是過去60年海洋變暖總量的6倍!在RCP2.6情景下(假設(shè)未來氣候政策可以接近或達(dá)到《巴黎協(xié)定》目標(biāo)),2081-2100年間海洋上層2000米將平均變暖0.4攝氏度。

  人類活動(dòng)已經(jīng)深刻的改變了海洋環(huán)境,海洋增溫已經(jīng)造成了海平面上升、溶解氧下降、極端事件加劇、珊瑚白化等后果。然而,由于海洋對(duì)溫室氣體響應(yīng)的“滯后效應(yīng)”,海洋正在加速變暖,更強(qiáng)的海洋增暖將發(fā)生在本世紀(jì)。即使接近或者達(dá)到《巴黎協(xié)定》目標(biāo),海洋升溫及其帶來的影響也將持續(xù)。若不積極應(yīng)對(duì),未來人類和地球生態(tài)系統(tǒng)都將面臨嚴(yán)重的氣候風(fēng)險(xiǎn)。

  

  在過去6-8年里,全球變暖停滯(Hiatus)成為氣候變化領(lǐng)域內(nèi)火爆的話題,也催生了大量的Science和Nature級(jí)別論文,以及更多的專業(yè)論文。這個(gè)概念基于在1998的超強(qiáng)厄爾尼諾現(xiàn)象之后,全球的地表氣溫的增溫幅度有限(圖7),例如,在國(guó)際政府間氣候變化特別委員會(huì)(IPCC)的第五次評(píng)估報(bào)告(IPCC-AR5)里,全球地表平均溫度序列表明:1951年以后的平均升高速度為0.11±0.03攝氏度/10年,而在1998-2012期間,全球地表平均溫度升溫速率僅為0.05±0.10攝氏度/10年,這無疑是明顯的增暖停滯或者增暖減緩的表現(xiàn)。一些反對(duì)/質(zhì)疑氣候變化的人趁機(jī)迅速將“氣候變暖的謊言”以及與之相伴的陰謀論等觀點(diǎn)炒熱。

  

  圖8. 自1880年以來的全球地表溫度序列,資料表明在1998-2012年之間確實(shí)存在溫度增幅不明顯的階段,這即是所謂的“全球變暖停滯”(Hiatus)。數(shù)據(jù)來自于https://data.giss.nasa.gov/gistemp/(2018年12月17日版本)

  然而隨著2013年之后溫度重新飆升,尤其是2015-2016的超強(qiáng)厄爾尼諾引起全球溫度飆升,使得1998年的高溫記錄迅速掉到了10名以后,全球變暖停滯的概念一下子似乎成了“明日黃花”。但是全球表面氣溫資料中顯示的“停滯”是如何形成的?確實(shí)還是需要更合理的科學(xué)解釋。

  

  圖9. 從1958年到2017年的全球海洋熱容量變化。圖片來自于Cheng et al. (2018)

  如果利用全球海洋熱含量的數(shù)據(jù)來回看過去50年的氣候變化,可以發(fā)現(xiàn),海洋熱含量序列里根本就沒有變暖停滯期,其變化表現(xiàn)出穩(wěn)定的增長(zhǎng)趨勢(shì)(圖7和圖9)。這說明如果要考察地球的氣候變化,需要將大氣與海洋一起綜合考慮,考慮到海洋的巨大面積、巨大熱容量,海洋熱容量比地表面溫度序列更能準(zhǔn)確的反映過去幾十年里到底發(fā)生了什么樣的氣候變化。因?yàn)槿驕厥覛怏w增加引起的全球增暖,其熱量分配與流動(dòng)在整個(gè)氣候系統(tǒng)里進(jìn)行,近期地表/海表溫度變化的“停滯”,僅僅是海氣相互作用的自然變率的產(chǎn)物,是由于海洋能量在不同深度間的輸送導(dǎo)致的,全球變暖并未停滯。當(dāng)綜合考察海-氣系統(tǒng)的變化之后,“全球變暖停滯”(Hiatus)基本上就成為偽命題了。

  參考文獻(xiàn)

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  [5]Cheng L. et al. 2019: 2018 Continues Record Global Ocean Warming, Advances in Atmospheric Science, 36(3), 249-252, Doi: 10.1007/s00376-019-8276-x.

  [6]Cheng, L., J. Abraham, Z. Hausfather, K. E. Trenberth, 2019: How fast are the oceans warming? Observational records of ocean heat content show that ocean warming is accelerating, Science, 363, 6423. doi: 10.1126/science.aav7619.

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