全球海洋變暖加速

魏科

人類對于過去100多年氣候變化的認識，一直有一朵揮之不去的“陰云”。因為所有評估氣候變化的觀測站點主要集中在北半球大陸地區；而在占地球表面積71%的海洋上，不僅站點稀疏，而且觀測時間短。這極有可能導致基于陸地表面溫度所計算出的全球溫度存在較大偏差。最近關于海洋資料的分析，讓這朵“陰云”逐漸散去，揭示出了一個驚人的事實：全球海洋正加速增暖……

從海洋看全球變暖

假若有外星人發現我們的地球，他們一定會給這個星球起一個諸如“水球”或“藍球”這樣的名字。因為我們的地球的確是一顆藍色的水球：海洋覆蓋了地球表面積的約71%，平均厚度達4千米，儲存著地球上97%的水資源，海洋總質量達到1.4×10¹⁸噸。與之相比，大氣總質量僅為5×10¹⁵噸，僅為海洋總質量的約 0.36%。考慮到海水的比熱容遠大于大氣與陸地表面，海洋的熱含量成為氣候系統的主要熱量。

進入地氣系統的太陽輻射，經過大氣、云層等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。在過去的100多年里，全球溫室氣體逐漸增加，使地球系統“困住”了更多的熱量，直接驅動了全球變暖。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。考慮全球氣候變化時，我們甚至可以忽略大氣和陸地表面溫度的變化，而只分析海洋熱容量的變化，就能夠相當準確地了解地球氣候系統的變化狀況。換句話說，海洋熱含量變化是全球變暖的一個重要觀測事實，其直接貢獻于海平面上升，因而對其進行準確估計是氣候變化研究的一個重要科學問題。

地球表面分布著數以萬計的氣象觀測站，其中歷史最悠久的觀測站已經有了200多年的連續觀測歷史，這些觀測記錄對于了解過去100多年，尤其是最近50多年的氣候變化，發揮了至關重要的作用。不過，這些觀測站主要分布在北半球大陸地區，并且即便如此，也因為沙漠、森林和冰川等的存在，站點的分布并不均一。因此，基于陸地表面計算出的全球溫度，很有可能存在較大偏差。這是研究全球氣候變化揮之不去的陰影：大氣層頂觀測的凈能量收支與海洋能量變化不能匹配。因此，從美國大氣海洋局（NOAA）的科學家于2000年發布第一條全球上層海洋熱含量變化時間序列以來，全球海洋到底變暖了多少，一直是一個爭議不斷的問題。這主要源于過去海洋觀測數據的不足，不僅數量偏少，而且質量不佳。

除了在長期氣候變化監測上需要海洋數據外，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常現象，也需要詳實的海洋資料；同時，海洋資料還是季節到年際時間尺度上預測氣候變化的重要依據。

補足海洋資料缺失的拼圖

為對全球海洋狀況進行實時監測，從1998年起，國際上開始籌建全球實時海洋觀測網 （Array for Real-time Geostrophic Oceanography，其縮寫最初為ARGO，后改為Argo—這是古希臘神話中英雄伊阿宋所乘船的名字）。全球實時海洋觀測網所用的自動剖面浮標是一種圓柱體狀的自沉浮裝置，長約1.5米，重45千克左右。一旦投放入海，浮標會自動下潛至1000米深的水中，隨著洋流漂移數天，一般為10天；之后會再次下潛1000米，抵達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境數據。在海面到2000米水深范圍內，每個浮標可以收集到至少70層、最多250層的垂向觀測數據。當浮標到達海面后，會自動將這條剖面數據發送給衛星，并由衛星對該剖面定位，然后通過衛星地面接收站將觀測的剖面數據和定位信息轉送給浮標用戶；隨后，浮標會再次下潛，進入下一個觀測循環。這種浮標具有不需要日常維護、不易受到人為損壞的優點，被視為“海洋觀測手段的一場革命”。它們可以在茫茫大海上自動運行四五年，直至浮標自帶的電池容量耗盡為止。通常，一個浮標在其生存期內能夠獲得140～180條剖面，通過不斷回收與投放，自動剖面浮標已成為探測海洋世界的新手段，可以長期、自動、實時和連續獲取大范圍的深層海洋資料。

隨著全球“核心Argo”網的建成以及剖面浮標技術的不斷創新發展，該計劃又提出繼續向為冰所覆蓋的兩極海區、赤道、西邊界流區和重要邊緣海（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Argo（BGC-Argo）”和“深海Argo（Deep-Argo）”等兩個子計劃。早期的Argo浮標無法在冰覆蓋海區進行觀測。如今，裝備有探冰傳感器的浮標可以待浮標漂移到無冰海區后，再浮出水面發送觀測資料；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回地面，Argo數據已經成為海洋和大氣研究中重要的數據來源和參考依據。

重建海洋長期資料

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，不僅觀測數量稀少，而且主要分布在北半球中緯度航線較為豐富的區域。海洋觀測數據不足，又如何估算此前的海洋狀況呢？科學家永遠無法穿越到上個世紀重新對全球海洋中上層進行精細測量。因此，深刻挖掘舊有資料，重新獲得過去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，成為進行氣候變化研究的重要研究課題。在海洋數據領域，科研人員一直在持續不斷地改進舊數據的質量、發展新的技術以便更準確地重構過去海洋的狀態。

目前，國際海洋界一般推薦的是海洋次表層XBT（Expendable bathythermograph，拋棄式測溫儀）溫度觀測數據，盡管該觀測數據較少且時空分布非常不均勻，但這是目前僅有的海洋歷史資料里的核心部分。XBT是1970～2001年海洋次表層最主要的溫度觀測儀器，占該時段所有次表層溫度數據的41%。拋棄式測溫儀測量到的溫度數據廣泛應用于氣候變化、物理海洋學等相關研究中。不過，這些數據存在系統性偏差，且這種偏差早在20世紀70年代已被發現，直到IPCC第四次評估報告出臺之后，才引起人們的廣泛關注。

因為XBT數據存在系統性偏差，該數據也經常被稱為“不成熟”的數據之一。那么，如何訂正XBT偏差？如何更好地使用XBT歷史數據呢？2008年至今，國際上不同的研究小組提出了超過10種XBT數據偏差訂正方案，其中就包括中科院大氣物理研究所聯合美國大氣海洋局（NOAA）、澳大利亞聯邦科學與工業研究組織（CSIRO）的科學家在2014年提出的方案。在2014年11月舉辦的第四次XBT科學研討會議上，XBT研究小組首次面向氣候變化、物理海洋學術界對如何使用XBT數據提出建議， 建議訂正XBT偏差時考慮下列因素：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。

據此，中科院大氣物理研究所成里京和朱江研究團隊提出的海洋數據偏差訂正方案，被國際上推薦為最佳訂正方案。

另外，針對海洋中存在大量缺測的區域，研究團隊進一步利用海洋豐富的時空相關性，提出了一個新的空間插值方案。該方法有效克服了目前主流方案的兩個主要問題，改變了對歷史海洋次表層溫度長期變化的低估問題，并且能夠更準確地定義不同格點之間溫度變化的相關性（各向異性），進而更好地對無觀測區域進行溫度場重構。

研究團隊最終依據上述發展技術，重建了一個自1940年以來全球海洋上層2000米的新的溫度數據集，并不斷對數據進行更新。系統性分析和評估表明：該數據集能夠準確再現1940～2015年歷史區間內的氣候平均態、年代際變化（如PDO）、年際變率（如ENSO）以及長期趨勢。此外，由美國國家大氣研究中心（NCAR）牽頭的最新研究比較了目前最常用的幾種次表層格點溫度數據（IPRC、SCRIPPS、EN4.1、JAMSTEC77、IAP）對2004～2014年地球系統能量收支的估計，發現盡管中科院大氣所的格點數據依然存在較大誤差，但在所用的6種觀測數據中誤差最小。

海洋加速增暖

根據這套數據所做的新的海洋變暖評估顯示，海洋變暖速度比政府間氣候變化專門委員會第五次評估報告中的估計速度快約13%。這意味著，全球變暖速率比人們原本以為的更快，并且還在加速變暖。

該項研究成果于2017年發表在Science Advances雜志上，被美國第四次國家氣候評估-氣候科學評估報告直接使用，并被英國皇家學會選為政府間氣候變化第五期評估報告（IPCC-AR5）之后的主要進展之一。

在IPCC-AR5中所列出的5個海洋熱含量變化估算中，最小的估值只有最大的估值的一半（圖6）。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認知，影響了地球系統能量不平衡、氣候敏感性等關鍵氣候參數的估算；另一方面也極大地阻礙了對氣候模型的評估：從能量變化的角度，氣候模型能否準確反映出過去的氣候變化，進而對未來做出合理預估呢？

前不久，中國科學院大氣物理研究所成里京副研究員聯合美國圣托馬斯大學亞伯拉罕、加州大學伯克利分校霍斯法瑟和美國大氣研究中心特倫伯斯在《科學》雜志上撰文，對上述問題進行了解答。

利用中科院大氣物理研究所最新的海洋上層2000米熱含量數據，以及更新和改進了方法的日本氣象廳、澳大利亞聯邦科學與工業研究組織、美國普林斯頓大學等的新數據，研究人員重新估算了海洋上層熱含量的變化。結果表明，各個數據使用新的方法之后，顯示出非常一致的變化趨勢，即自1955年以來，全球海洋熱含量持續上升。此外，海洋變暖在20世紀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 焦耳每平方米。這直接反映了人類活動持續排放的溫室氣體對海洋的影響。

根據氣候模型預估，如果未來不施行任何氣候政策，2081～2100年間，整個上層2000米海洋將平均變暖0.78℃（相對于1991～2005的平均狀態）。這是過去60年海洋變暖總量的6倍。

人類活動已經深刻地改變了海洋環境，海洋增溫已經造成了海平面上升、溶解氧下降、極端事件加劇、珊瑚白化等后果。由于海洋對溫室氣體響應的“滯后效應”，海洋正在加速變暖，更強的海洋增暖將發生在本世紀。即使接近或者達到《巴黎協定》目標，海洋升溫及其帶來的影響也將持續，2081～2100年間，海洋上層2000米將平均變暖0.4℃。這表明，若不積極應對，未來人類和地球生態系統都將面臨嚴重的氣候風險。

“全球變暖停滯”概念的終結

在過去6～8年里，全球變暖停滯（Hiatus）成為氣候變化領域內火爆的話題，也催生了大量的《科學》和《自然》級別論文以及更多的專業論文。這個概念基于在1998年的超強“厄爾尼諾”現象之后，全球的地表氣溫的增溫幅度有限，例如，在聯合國政府間氣候變化專門委員會（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0.12 ℃/10年，而在1998～2012年間，全球地表平均溫度升溫速度僅為0.05℃/10年，明擺著增暖減緩甚或是停滯。

這個概念給反對和質疑氣候變化的人提供了“彈藥”和材料，關于氣候沒有變暖以及與之相伴的陰謀論等觀點也隨之被迅速炒熱；然而，隨著2013年之后溫度重新飆升，尤其是2015～2016年超強“厄爾尼諾”引起全球溫度飆升，使得1998年的高溫紀錄迅速掉到了10名以后，“全球變暖停滯”概念也成為“明日黃花”。不過，圍繞著為什么形成資料中顯示的“停滯”，確實還是需要有一個科學解釋的。

如果利用全球海洋熱含量的數據回看過去50年的氣候變化，人們會驚奇地發現，海洋熱含量序列里根本就沒有變暖停滯期，其變化表現出穩定的增長趨勢。這說明，如果要考察地球的氣候變化，需要綜合考慮大氣與海洋情況，考慮到海洋巨大的面積、巨大的熱容量，海洋熱容量比地表面溫度序列更能準確反映過去幾十年里地球到底發生了什么樣的氣候變化。因為溫室氣體增加引起的全球增暖，其熱量分配與流動在整個氣候系統里進行，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物，是由于海洋能量在不同深度間的輸送導致的，全球變暖并未停滯。當綜合考察海-氣系統的變化之后，“全球變暖停滯”基本上就成為偽命題。