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(qū)的陸地表面，而占地球表面積71%的海洋表面及內部不僅站點稀疏，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：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“藍球”應該是不錯的選擇，在宇宙中地球看起來就是一顆藍色的水球，海洋覆蓋了地球表面積的約71%，平均厚度達4千米，儲存著97%的水資源。海洋總質量達到1.4×10^18噸，與之相比，大氣總質量僅為5×10^15噸，僅為海洋總質量的0.36%。進一步考慮到海水的比熱容遠大于大氣與陸地表面，因此海洋的熱儲存能力更強，是全球變化的主要調節(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)的關鍵組成部分。圖片來自Neelin (2010) 《Climate Change and Climate Modeling》

　　進入地氣系統(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：全球變暖事實上是海洋變暖。當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)，也因為沙漠、森林和冰川等存在，站點分布并不均一，因此基于陸地表面計算的全球溫度，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長期趨勢被低估，因為極區(qū)放大效應，導致極區(qū)氣候變化幅度更大。

　　圖2. 全球地球表面觀測站點的分布。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，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(電導率溫度深度記錄儀)觀測、淺藍色為MBT（機械式深海溫度計）觀測、深藍色為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)全球實時海洋觀測網(wǎng)，Argo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公斤左右（圖4）。一旦投放入海，浮標會自動下潛至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)。當浮標到達海面后，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，浮標又會再次下潛，進入下一個觀測循環(huán)。這種浮標具有無須日常維護、不易受到人為損壞的優(yōu)點，可以長期、自動、實時和連續(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所用的浮標可以在茫茫大海上自動運行4～5年，直到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可以獲得140-180條剖面。

　　圖4. Argo浮標

　　Argo計劃自2000年正式實施以來，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個國家和團體在全球海洋共布放了超過14000個Argo浮標，組成了全球Argo實時海洋觀測網(wǎng)，從而真正意義實現(xiàn)了對全球海洋中上層的實時觀測。目前全球海洋內部正漂流著3925個Argo浮標（2019年1月6日，圖5），為全球海洋狀態(tài)提供持續(xù)實時的監(jiān)測。

　　圖5. 最新的全球Argo浮標的分布，全球有將近4000個浮標對海洋進行連續(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，并隨著剖面浮標技術的不斷創(chuàng)新發(fā)展，該計劃又提出繼續(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(qū)進行觀測，今天裝備有探冰傳感器的浮標可以待浮標漂移到無冰海區(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？科學家永遠無法穿越到上世紀重新對全球海洋中上層進行精細的測量，因此，如何深刻挖掘舊有的資料，重新獲得關于過去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，成為進行氣候變化研究重要的研究課題。海洋數(shù)據(jù)領域科研人員一直在持續(xù)不斷的改進舊數(shù)據(jù)的質量、發(fā)展新的技術以更準確的重構過去海洋的狀態(tài)。

　　目前國際海洋研究領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算探體下落的深度，探體達到最大深度后，銅細線自動斷開，完成本次測量。

　　因為XBT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(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。中國科學院大氣物理研究所朱江和成里京研究團隊在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”的物理基礎是海洋各個區(qū)域的變動都不是獨立的，而是具有豐富的相關性。大氣所研究團隊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，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（作為一個先驗估計）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，研究團隊重建了一個新的自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)集能夠很準確的再現(xiàn)1940-2015歷史區(qū)間內的氣候平均態(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，發(fā)現(xiàn)基于次表層溫度格點數(shù)據(jù)的結果在月際尺度誤差很大。盡管如此，大氣所的格點數(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比政府間氣候變化專門委員會第五次評估報告中的估計快約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，更準確的海洋熱含量估計解決了困擾氣候變化科學界的“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-氣候科學評估報告直接使用，被英國皇家學會選為IPCC-AR5之后的主要進展之一。

　　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，最小的估計竟只有最大的估計的一半（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認知，影響地球系統(tǒng)能量不平衡、氣候敏感性等關鍵氣候參數(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估。右側樣條為2081-2100年預估值。（下圖）新的海洋熱含量估計（藍色）比IPCC-AR5中的五個估計（灰色）顯示出更強的同期海洋變暖速率。氣候模型的同期模擬結果（黃綠色）

　　最近中國科學院大氣所成里京副研究員聯(lián)合美國圣-托馬斯大學J. Abraham、加州大學伯克利分校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)，以及更新和改進了方法的日本氣象廳、澳大利亞聯(lián)邦科學與工業(yè)研究組織、美國普林斯頓大學等的新數(shù)據(jù)，重新估算了海洋上層熱含量的變化。結果表明各個數(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更強的海洋變暖速率：IPCC-AR5的同期估計僅為0.20~0.32 Wm-2（圖6）。此外，海洋變暖在上世紀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 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。

　　氣候模型能否準確模擬過去的海洋變化呢？Science研究表明，耦合模式比較計劃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估的可信程度。根據(jù)CMIP5模型預估，在RCP8.5情景下（假設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（假設未來氣候政策可以接近或達到《巴黎協(xié)定》目標），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的“滯后效應”，海洋正在加速變暖，更強的海洋增暖將發(fā)生在本世紀。即使接近或者達到《巴黎協(xié)定》目標，海洋升溫及其帶來的影響也將持續(xù)。若不積極應對，未來人類和地球生態(tài)系統(tǒng)都將面臨嚴重的氣候風險。

　　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/質疑氣候變化的人趁機迅速將“氣候變暖的謊言”以及與之相伴的陰謀論等觀點炒熱。

　　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？確實還是需要更合理的科學解釋。

　　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。因為全球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(tǒng)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(chǎn)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(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

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　　[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. 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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