對于過去100多年氣候變化的認(rèn)識，一直有一朵揮之不去的陰云，因?yàn)樗性u估氣候變化的觀測站點(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，而且觀測時間短，這使得我們對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名字，“水球”或者“藍(lán)球”應(yīng)該是不錯的選擇，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)量僅為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)動了全球變暖，這些能量90％以上都存儲在海洋中，因此海洋熱含量變化是氣候變化的一個核心指針：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，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)的氣象觀測站(圖2)，其中歷史最悠久的觀測站已經(jīng)有長達(dá)200多年的連續(xù)觀測，這些歷史觀測對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，只反映了整個氣候系統(tǒng)的一個方面，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)觀測較少，使得全球表面溫度估計(jì)長期趨勢被低估，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）。除了在長期氣候變化監(jiān)測上需要海洋數(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，同時海洋資料還是季節(jié)到年際時間尺度上氣候預(yù)測的重要依據(jù)。

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

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

　　從1998 年起，國際上開始籌建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海洋觀測網(wǎng)，Argo所用的自動剖面浮標(biāo)是一種圓柱體狀的自沉浮裝置，長約1.5米、重45公斤左右（圖4）。一旦投放入海，浮標(biāo)會自動下潛至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，會自動將定位及測量的數(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)又會再次下潛，進(jìn)入下一個觀測循環(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)，可以長期、自動、實(shí)時和連續(xù)獲取大范圍、深層海洋資料，被視為"海洋觀測手段的一場革命”。Argo所用的浮標(biāo)可以在茫茫大海上自動運(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、澳大利亞、法國、英國、德國、日本、韓國、印度和中國等世界上近40個國家和團(tuán)體在全球海洋共布放了超過14000個Argo浮標(biāo)，組成了全球Argo實(shí)時海洋觀測網(wǎng)，從而真正意義實(shí)現(xiàn)了對全球海洋中上層的實(shí)時觀測。目前全球海洋內(nèi)部正漂流著3925個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)時的監(jiān)測。

　　圖5. 最新的全球Argo浮標(biāo)的分布，全球有將近4000個浮標(biāo)對海洋進(jìn)行連續(xù)不斷的觀測，為國際社會提供了超過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，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)送觀測資料；也可以把資料暫時儲存起來，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主要依靠船舶，不僅觀測稀少，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)重新對全球海洋中上層進(jìn)行精細(xì)的測量，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，拋棄式測溫儀器）溫度觀測數(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%。盡管基于這個儀器的觀測數(shù)據(jù)存在各種問題，例如時空分布非常不均勻，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，并將采集的信號通過信號線傳輸?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，溫度測量電路開始工作，采集海水溫度的同時計(jì)算探體下落的深度，探體達(dá)到最大深度后，銅細(xì)線自動斷開，完成本次測量。

　　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)界對如何使用XBT數(shù)據(jù)提出建議, 建議訂正XBT偏差時考慮下面多種因素：需同時訂正溫度和深度偏差、訂正時需考慮不同儀器的差異、不同海水溫度的影響、歷史不同時期偏差不一致等問題。中國科學(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，成為目前國際上推薦的最佳訂正方案。

　　另外海洋中存在大量缺測的區(qū)域，需要利用已有的觀測去“推算”無觀測區(qū)域的溫度變化。這種“推測”的物理基礎(chǔ)是海洋各個區(qū)域的變動都不是獨(dú)立的，而是具有豐富的相關(guān)性。大氣所研究團(tuán)隊(duì)利用海洋豐富的時空相關(guān)性，提出了一個新的空間插值方案，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力集合樣本，以提供更好的初始場（作為一個先驗(yàn)估計(jì)）和背景誤差協(xié)方差（定義了信息如何從有觀測的區(qū)域傳遞到無觀測的區(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）、以及長期趨勢。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第五次評估報告中的估計(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)，被美國第四次國家氣候評估-氣候科學(xué)評估報告直接使用，被英國皇家學(xué)會選為IPCC-AR5之后的主要進(jìn)展之一。

　　另外，國際政府間氣候變化第五期評估報告（IPCC-AR5）列出的5個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）。對于海洋變暖速度估算的不確定性，一方面限制了人們對全球變暖的科學(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氣候模型的評估，基于誤差較大的海洋資料，不可能來評估氣候模型對于過去氣候的模擬狀況，也限制了數(shù)值模式對未來做出合理的預(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）

　　最近中國科學(xué)院大氣所成里京副研究員聯(lián)合美國圣-托馬斯大學(xué)J. Abraham、加州大學(xué)伯克利分校Z. Hausfather和美國大氣研究中心K. Trenberth在《Science》上撰文，對上述問題進(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。

　　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持續(xù)排放的溫室氣體對海洋的影響。

　　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，與最新的觀測幾乎一致（圖6）。模型對過去情況的優(yōu)秀的模擬效果極大提升了其對未來預(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，整個上層2000米海洋將平均變暖0.78攝氏度（相對于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，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。

　　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級別論文，以及更多的專業(yè)論文。這個概念基于在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，在國際政府間氣候變化特別委員會（IPCC）的第五次評估報告（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/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)定的增長趨勢（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，其熱量分配與流動在整個氣候系統(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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　　[4]Cheng L. and J. Zhu, 2016, Benefits of CMIP5 multimodel ensemble in reconstructing historical ocean subsurface temperature variation, Journal of Climate, 29(15), 5393–5416, doi: 10.1175/JCLI-D-15-0730.1.

　　[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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