Science述评：最新发布——海洋增暖加速！
中科院青促会 魏科
（中国科学院大气物理研究所）
评述论文： How fast are the oceans warming? （Science 11 January 2019: Vol 363, Issue 6423）
在人类认识气候变化的过程中，一直有一朵挥之不去的“阴云”：评估气候变化的观测站点主要集中在北半球大陆地区的陆地表面（图1），而地球表面积占比巨大的海洋表面及内部不仅站点稀疏，而且观测时间短，这很可能使仅基于陆面温度计算的全球温度变化存在较大的偏差。最近关于海洋资料的分析工作，让这朵“阴云”逐渐散去，并揭示了一个惊人的事实：全球海洋正加速增暖!
图1. 全球地球表面观测站点的分布，图片来自于世界气象组织
（https://www.wmo-sat.info/oscar/）
1. 海洋是气候系统的关键一环
如果让外星人给地球起个名字，“水球”或者“蓝球”应该是不错的选择。在宇宙中，地球看起来就是一颗蓝色的水球，海洋覆盖了地球表面积约71%，平均厚度达4千米，储存着97%的水资源。海洋总质量达到1.4×1018吨，大气总质量仅为5×1015吨，仅为海洋总质量的约0.36%。加之海水的比热容远大于大气与陆地表面，因此海洋的热储存能力更强，是全球气候变化的主要调节器。
进入地气系统的太阳辐射，经过大气、云层和表面的反射，以及大气层的吸收之后，只剩约51%用于加热地球表面，这其中70%被海洋吸收, 然后再以长波辐射、潜热和感热等多种能量形式释放出去。然而，在过去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：全球变暖事实上是海洋变暖。当考虑全球能量或热量变化时，甚至可以忽略大气和陆地表面温度的变化，只分析海洋热容量的变化，也可较为准确地了解地球气候系统的变化状况。
2. 补足海洋资料缺失的拼图
随着全球温室气体浓度数值不断攀升，全球变暖已经成为既定事实，但海洋变暖情况还一直亟待解决，这主要是因为过去缺乏海洋观测数据：不仅数量偏少，而且质量不佳。
从 1998 年起，国际上开始筹建全球实时海洋观测网(Argo)，Argo所用的自动剖面浮标是一种圆柱体状的自沉浮装置（图2），长约1.5米、重45公斤左右。投放入海后浮标会自动下潜至1000米水深，随着洋流漂移数天（一般为10天），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。当浮标到达海面后，会自动将定位及测量的数据发送给卫星，再中继给各数据中心。之后，浮标又会再次下潜，进入下一个观测循环。
图2. Argo计划自2000年正式实施以来，全球包括美国、澳大利亚、法国、英国、德国、日本、韩国、印度和中国等世界上近40个国家和团体在全球海洋共布放了超过14000个Argo浮标，组成了全球Argo实时海洋观测网，目前全球海洋内部正漂流着3925个Argo浮标（2019年1月6日），为全球海洋中上层状态提供持续实时的监测。
Argo所用的浮标可以在茫茫大海上自动运行4～5年，直到浮标自带的电池容量耗尽为止。由于具有无须日常维护、不易受到人为损坏的优点，可以长期、自动、实时和连续获取大范围、深层海洋资料，这种浮标被视为"海洋观测手段的一场革命"。
3. 重建海洋长期资料
Argo资料真正丰富起来是在2005年之后（图3），在此之前的海洋观测主要依靠船舶，不仅观测稀少，而且主要分布在北半球中纬度航线较为丰富的区域。重获过去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重要的研究课题。海洋数据领域科研人员一直在持续不断的改进旧数据的质量、发展新的技术以更准确的重构过去海洋的状态。
图3. 从上到下依次为1934、1960、1985和2009年海洋次表层观测分布。红色为南森瓶或CTD(电导率温度深度记录仪)观测、浅蓝色为MBT（机械式深海温度计）观测、深蓝色为XBT（抛弃式测温仪器）观测、绿色为Argo仪器观测，图片来自于Abraham et al. (2013)。
目前国际海洋研究领域一般用海洋次表层抛弃式测温仪器（XBT）观测数据（图4），这是目前仅有的历史资料里的核心部分。不过这种仪器的观测数据存在一些问题，例如时空分布非常不均匀，数据存在系统性偏差等。如何订正XBT数据的系统性偏差是一个难题，从2008至今，国际不同的研究小组提出了超过10种偏差订正方案。
图4. 船用抛弃式测温仪器包括探体、发射器、甲板处理单元及数据显示记录仪器，其中探体是发射入水中消耗掉的部分，一般为鱼雷型流线造型。探体头上安置有温度传感器，并将采集的信号通过信号线传输到船上甲板处理单元。探体入水后，探体上的电极通过海水与接地线形成回路，温度测量电路开始工作，采集海水温度的同时计算探体下落的深度，探体达到最大深度后，铜细线自动断开，完成本次测量。
中国科学院大气物理研究所朱江和成里京研究团队，在2014年提出的海洋数据偏差订正方案脱颖而出，是目前国际上推荐的目前最佳订正方案(Cheng et al., 2016)。该方案有效地克服了目前主流方案中低估历史海洋次表层温度的长期变化的问题，并且对无观测的区域进行温度场重构。该研究团队最终重建了一套自1940年以来全球海洋上层2000米的月平均温度数据集(Cheng and Zhu, 2016)，并不断对数据进行更新。此数据水平为1度×1度网格、垂向从1m到2000m总共41层，能够很准确地再现1940-2015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。目前可以从中国科院大气所网站免费下载。
（http://159.226.119.60/cheng/）
4. 海洋加速增暖
根据这套数据做的新版海洋变暖估计比政府间气候变化专门委员会第五次评估报告中的估计快约13%，反映了更快的全球变暖速率。该研究从能量角度表明气候变暖并没有减缓，相反，海洋和地球系统在加速吸收热量，特别是深海变暖在加速。此外，更准确的海洋热含量估计解决了困扰气候变化科学界的“消失的能量”之谜（即大气层顶能量收支与海洋热含量变化不匹配的现象）。该研究成果于2017年发表在《Science Advances》杂志上(Cheng et al., 2017)，被美国第四次国家气候评估-气候科学评估报告直接使用，被英国皇家学会选为IPCC-AR5之后的主要进展之一。
最近中国科学院大气所成里京副研究员联合美国圣-托马斯大学J. Abraham、加州大学伯克利分校Z. Hausfather和美国大气研究中心K. Trenberth在《Science》上撰文(Cheng et al., 2019)，他们利用大气物理研究所最新的海洋上层2000米热含量数据，以及结合日本气象厅、澳大利亚联邦科学与工业研究组织、美国普林斯顿大学等机构数据改进后的新数据，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，显示出非常一致的自1955年以来的全球海洋热含量上升趋势。
图5. （上图）全球上层2000米海洋热含量变化：过去的变化和未来预估。右侧样条为2081-2100年预估值。（下图）新的海洋热含量估计（蓝色）比IPCC-AR5中的五个估计（灰色）显示出更强的同期海洋变暖速率。气候模型的同期模拟结果（黄绿色）。
在1971-2010期间，全球海洋上层2000米变暖速率为0.36~0.39 Wm-2。新的估算显示出比IPCC-AR5更强的海洋变暖速率：IPCC-AR5的同期估计仅为0.20~0.32 Wm -2（图5）。此外，海洋变暖在上世纪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 Wm-2。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。
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；另一方面基于误差较大的海洋资料，无法正确评估气候模型对于过去气候的模拟状况，也阻碍了气候模式对未来做出合理的预估。在新的海洋资料对比下，耦合模式比较计划（CMIP5）模型集合平均可以非常好地模拟历史海洋变暖，模型对过去气候的优秀模拟效果极大地提升了模式未来预估的可信度。
5. 一个副产品：全球变暖停滞（Hiatus）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。这个概念基于在1998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，在国际政府间气候变化特别委员会（IPCC）的第五次评估报告（IPCC-AR5）里，全球地表平均温度序列表明：1951-2012年的平均升高速度为0.11±0.03摄氏度/10年，而在1998-2012期间，全球地表平均温度升温速率仅为0.05±0.10摄氏度/10年，这无疑是明显的增暖停滞或者增暖减缓的表现（图6）。一些反对/质疑气候变化的人趁机迅速将“气候变暖的谎言”以及与之相伴的阴谋论等观点炒热。
然而随着2013年之后温度重新飙升，尤其是2015-2016的超强厄尔尼诺引起全球温度飙升，使得1998年的高温记录迅速掉到了10名以后，全球变暖停滞的概念一下子似乎成了“明日黄花”。但是全球表面气温资料中显示的“停滞”是如何形成的？确实还是需要更合理的科学解释。
如果利用全球海洋热含量的数据来回看过去50年的气候变化，可以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（图5）。这说明如果要考察地球的气候变化，需要将大气与海洋一起综合考虑，考虑到海洋的巨大面积、巨大热容量，海洋热容量比地表面温度序列更能准确地反映过去几十年里到底发生了什么样的气候变化。因为全球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”（Hiatus）基本上就成为伪命题了。
参考文献
1. Abraham J. P., Baringer M., Bindoff N. L., et al. 2013: A review of global ocean temperature observations: Implications for ocean heat content estimates and climate change. Rev. Geophys., 51: 450-483.
2. Cheng L., J. Abraham, G. Goni, et al., 2016: XBT Science: assessment of instrumental biases and errors, Bulletin of the American Meteorological Society, 97, 924-933.
3. Cheng L., K. Trenberth, J. Fasullo, et al. 2017: Improved estimates of ocean heat content from 1960 to 2015, Science Advances. 3, e1601545c.
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., 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.
评述人简介
魏科
博士，中国科学院大气物理研究所副研究员，中国科学院青促会会员，主要从事平流层-对流层相互作用、东亚季风和极端天气气候变化等方面研究。
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