全球海洋变暖加速

魏科

人类对于过去100多年气候变化的认识，一直有一朵挥之不去的“阴云”。因为所有评估气候变化的观测站点主要集中在北半球大陆地区；而在占地球表面积71%的海洋上，不仅站点稀疏，而且观测时间短。这极有可能导致基于陆地表面温度所计算出的全球温度存在较大偏差。最近关于海洋资料的分析，让这朵“阴云”逐渐散去，揭示出了一个惊人的事实：全球海洋正加速增暖……

从海洋看全球变暖

假若有外星人发现我们的地球，他们一定会给这个星球起一个诸如“水球”或“蓝球”这样的名字。因为我们的地球的确是一颗蓝色的水球：海洋覆盖了地球表面积的约71%，平均厚度达4千米，储存着地球上97%的水资源，海洋总质量达到1.4×10¹⁸吨。与之相比，大气总质量仅为5×10¹⁵吨，仅为海洋总质量的约 0.36%。考虑到海水的比热容远大于大气与陆地表面，海洋的热含量成为气候系统的主要热量。

进入地气系统的太阳辐射，经过大气、云层等的反射以及大气层的吸收之后，只有约51%可以加热地球表面，其中的70%被海洋吸收。在过去的100多年里，全球温室气体逐渐增加，使地球系统“困住”了更多的热量，直接驱动了全球变暖。这些能量90%以上都存储在海洋中；因此，海洋热含量变化是气候变化的一个核心指针。考虑全球气候变化时，我们甚至可以忽略大气和陆地表面温度的变化，而只分析海洋热容量的变化，就能够相当准确地了解地球气候系统的变化状况。换句话说，海洋热含量变化是全球变暖的一个重要观测事实，其直接贡献于海平面上升，因而对其进行准确估计是气候变化研究的一个重要科学问题。

地球表面分布着数以万计的气象观测站，其中历史最悠久的观测站已经有了200多年的连续观测历史，这些观测记录对于了解过去100多年，尤其是最近50多年的气候变化，发挥了至关重要的作用。不过，这些观测站主要分布在北半球大陆地区，并且即便如此，也因为沙漠、森林和冰川等的存在，站点的分布并不均一。因此，基于陆地表面计算出的全球温度，很有可能存在较大偏差。这是研究全球气候变化挥之不去的阴影：大气层顶观测的净能量收支与海洋能量变化不能匹配。因此，从美国大气海洋局（NOAA）的科学家于2000年发布第一条全球上层海洋热含量变化时间序列以来，全球海洋到底变暖了多少，一直是一个争议不断的问题。这主要源于过去海洋观测数据的不足，不仅数量偏少，而且质量不佳。

除了在长期气候变化监测上需要海洋数据外，要深刻理解诸如“厄尔尼诺”“拉尼娜”、南极绕极流、北大西洋震荡和太平洋年代际震荡等海洋异常现象，也需要详实的海洋资料；同时，海洋资料还是季节到年际时间尺度上预测气候变化的重要依据。

补足海洋资料缺失的拼图

为对全球海洋状况进行实时监测，从1998年起，国际上开始筹建全球实时海洋观测网 （Array for Real-time Geostrophic Oceanography，其缩写最初为ARGO，后改为Argo—这是古希腊神话中英雄伊阿宋所乘船的名字）。全球实时海洋观测网所用的自动剖面浮标是一种圆柱体状的自沉浮装置，长约1.5米，重45千克左右。一旦投放入海，浮标会自动下潜至1000米深的水中，随着洋流漂移数天，一般为10天；之后会再次下潜1000米，抵达2000米深度后慢慢上升，回到海洋表面，并在上升过程中利用自身携带的电子传感器，逐层测量海水的温度和盐度等海洋环境数据。在海面到2000米水深范围内，每个浮标可以收集到至少70层、最多250层的垂向观测数据。当浮标到达海面后，会自动将这条剖面数据发送给卫星，并由卫星对该剖面定位，然后通过卫星地面接收站将观测的剖面数据和定位信息转送给浮标用户；随后，浮标会再次下潜，进入下一个观测循环。这种浮标具有不需要日常维护、不易受到人为损坏的优点，被视为“海洋观测手段的一场革命”。它们可以在茫茫大海上自动运行四五年，直至浮标自带的电池容量耗尽为止。通常，一个浮标在其生存期内能够获得140～180条剖面，通过不断回收与投放，自动剖面浮标已成为探测海洋世界的新手段，可以长期、自动、实时和连续获取大范围的深层海洋资料。

随着全球“核心Argo”网的建成以及剖面浮标技术的不断创新发展，该计划又提出继续向为冰所覆盖的两极海区、赤道、西边界流区和重要边缘海（包括日本海、地中海、黑海、墨西哥湾和南中国海等）拓展，并派生出了“生物地球化学Argo（BGC-Argo）”和“深海Argo（Deep-Argo）”等两个子计划。早期的Argo浮标无法在冰覆盖海区进行观测。如今，装备有探冰传感器的浮标可以待浮标漂移到无冰海区后，再浮出水面发送观测资料；也可以把资料暂时储存起来，等夏天冰盖融化后再把资料发回地面，Argo数据已经成为海洋和大气研究中重要的数据来源和参考依据。

重建海洋长期资料

Argo资料真正丰富起来是在2005年之后。在此之前的海洋观测主要依靠船舶，不仅观测数量稀少，而且主要分布在北半球中纬度航线较为丰富的区域。海洋观测数据不足，又如何估算此前的海洋状况呢？科学家永远无法穿越到上个世纪重新对全球海洋中上层进行精细测量。因此，深刻挖掘旧有资料，重新获得过去100多年、尤其是过去50多年的海洋中上层热含量的变化状况，成为进行气候变化研究的重要研究课题。在海洋数据领域，科研人员一直在持续不断地改进旧数据的质量、发展新的技术以便更准确地重构过去海洋的状态。

目前，国际海洋界一般推荐的是海洋次表层XBT（Expendable bathythermograph，抛弃式测温仪）温度观测数据，尽管该观测数据较少且时空分布非常不均匀，但这是目前仅有的海洋历史资料里的核心部分。XBT是1970～2001年海洋次表层最主要的温度观测仪器，占该时段所有次表层温度数据的41%。抛弃式测温仪测量到的温度数据广泛应用于气候变化、物理海洋学等相关研究中。不过，这些数据存在系统性偏差，且这种偏差早在20世纪70年代已被发现，直到IPCC第四次评估报告出台之后，才引起人们的广泛关注。

因为XBT数据存在系统性偏差，该数据也经常被称为“不成熟”的数据之一。那么，如何订正XBT偏差？如何更好地使用XBT历史数据呢？2008年至今，国际上不同的研究小组提出了超过10种XBT数据偏差订正方案，其中就包括中科院大气物理研究所联合美国大气海洋局（NOAA）、澳大利亚联邦科学与工业研究组织（CSIRO）的科学家在2014年提出的方案。在2014年11月舉办的第四次XBT科学研讨会议上，XBT研究小组首次面向气候变化、物理海洋学术界对如何使用XBT数据提出建议， 建议订正XBT偏差时考虑下列因素：需同时订正温度和深度偏差、订正时需考虑不同仪器的差异、不同海水温度的影响、历史不同时期偏差不一致等问题。

据此，中科院大气物理研究所成里京和朱江研究团队提出的海洋数据偏差订正方案，被国际上推荐为最佳订正方案。

另外，针对海洋中存在大量缺测的区域，研究团队进一步利用海洋丰富的时空相关性，提出了一个新的空间插值方案。该方法有效克服了目前主流方案的两个主要问题，改变了对历史海洋次表层温度长期变化的低估问题，并且能够更准确地定义不同格点之间温度变化的相关性（各向异性），进而更好地对无观测区域进行温度场重构。

研究团队最终依据上述发展技术，重建了一个自1940年以来全球海洋上层2000米的新的温度数据集，并不断对数据进行更新。系统性分析和评估表明：该数据集能够准确再现1940～2015年历史区间内的气候平均态、年代际变化（如PDO）、年际变率（如ENSO）以及长期趋势。此外，由美国国家大气研究中心（NCAR）牵头的最新研究比较了目前最常用的几种次表层格点温度数据（IPRC、SCRIPPS、EN4.1、JAMSTEC77、IAP）对2004～2014年地球系统能量收支的估计，发现尽管中科院大气所的格点数据依然存在较大误差，但在所用的6种观测数据中误差最小。

海洋加速增暖

根据这套数据所做的新的海洋变暖评估显示，海洋变暖速度比政府间气候变化专门委员会第五次评估报告中的估计速度快约13%。这意味着，全球变暖速率比人们原本以为的更快，并且还在加速变暖。

该项研究成果于2017年发表在Science Advances杂志上，被美国第四次国家气候评估-气候科学评估报告直接使用，并被英国皇家学会选为政府间气候变化第五期评估报告（IPCC-AR5）之后的主要进展之一。

在IPCC-AR5中所列出的5个海洋热含量变化估算中，最小的估值只有最大的估值的一半（图6）。对于海洋变暖速度估算的不确定性，一方面限制了人们对全球变暖的科学认知，影响了地球系统能量不平衡、气候敏感性等关键气候参数的估算；另一方面也极大地阻碍了对气候模型的评估：从能量变化的角度，气候模型能否准确反映出过去的气候变化，进而对未来做出合理预估呢？

前不久，中国科学院大气物理研究所成里京副研究员联合美国圣托马斯大学亚伯拉罕、加州大学伯克利分校霍斯法瑟和美国大气研究中心特伦伯斯在《科学》杂志上撰文，对上述问题进行了解答。

利用中科院大气物理研究所最新的海洋上层2000米热含量数据，以及更新和改进了方法的日本气象厅、澳大利亚联邦科学与工业研究组织、美国普林斯顿大学等的新数据，研究人员重新估算了海洋上层热含量的变化。结果表明，各个数据使用新的方法之后，显示出非常一致的变化趋势，即自1955年以来，全球海洋热含量持续上升。此外，海洋变暖在20世纪90年代后显著加速：1991年后，海洋上2000米变暖速率为0.55～0.68 焦耳每平方米。这直接反映了人类活动持续排放的温室气体对海洋的影响。

根据气候模型预估，如果未来不施行任何气候政策，2081～2100年间，整个上层2000米海洋将平均变暖0.78℃（相对于1991～2005的平均状态）。这是过去60年海洋变暖总量的6倍。

人类活动已经深刻地改变了海洋环境，海洋增温已经造成了海平面上升、溶解氧下降、极端事件加剧、珊瑚白化等后果。由于海洋对温室气体响应的“滞后效应”，海洋正在加速变暖，更强的海洋增暖将发生在本世纪。即使接近或者达到《巴黎协定》目标，海洋升温及其带来的影响也将持续，2081～2100年间，海洋上层2000米将平均变暖0.4℃。这表明，若不积极应对，未来人类和地球生态系统都将面临严重的气候风险。

“全球變暖停滞”概念的终结

在过去6～8年里，全球变暖停滞（Hiatus）成为气候变化领域内火爆的话题，也催生了大量的《科学》和《自然》级别论文以及更多的专业论文。这个概念基于在1998年的超强“厄尔尼诺”现象之后，全球的地表气温的增温幅度有限，例如，在联合国政府间气候变化专门委员会（IPCC）的第五次评估报告（IPCC-AR5）里，全球地表平均温度序列表明：1951年以后的平均升高速度为0.12 ℃/10年，而在1998～2012年间，全球地表平均温度升温速度仅为0.05℃/10年，明摆着增暖减缓甚或是停滞。

这个概念给反对和质疑气候变化的人提供了“弹药”和材料，关于气候没有变暖以及与之相伴的阴谋论等观点也随之被迅速炒热；然而，随着2013年之后温度重新飙升，尤其是2015～2016年超强“厄尔尼诺”引起全球温度飙升，使得1998年的高温纪录迅速掉到了10名以后，“全球变暖停滞”概念也成为“明日黄花”。不过，围绕着为什么形成资料中显示的“停滞”，确实还是需要有一个科学解释的。

如果利用全球海洋热含量的数据回看过去50年的气候变化，人们会惊奇地发现，海洋热含量序列里根本就没有变暖停滞期，其变化表现出稳定的增长趋势。这说明，如果要考察地球的气候变化，需要综合考虑大气与海洋情况，考虑到海洋巨大的面积、巨大的热容量，海洋热容量比地表面温度序列更能准确反映过去几十年里地球到底发生了什么样的气候变化。因为温室气体增加引起的全球增暖，其热量分配与流动在整个气候系统里进行，近期地表/海表温度变化的“停滞”，仅仅是海-气相互作用的自然变率的产物，是由于海洋能量在不同深度间的输送导致的，全球变暖并未停滞。当综合考察海-气系统的变化之后，“全球变暖停滞”基本上就成为伪命题。