海洋加速變暖,過去是,未來更是
2019年01月15日10:32
(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比IPCC-AR5中的五個估計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和新的觀測估計一致。
(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比IPCC-AR5中的五個估計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和新的觀測估計一致。

  來源:科技日報

  海洋變暖是全球變暖一個核心和最基本的指標。海洋是否變暖、如何變暖?不論是公眾還是科學家,對此爭議的焦點仍在於海洋觀測數據的不確定性。

  1月10日,中國科學院大氣物理研究所(以下簡稱大氣物理所)副研究員成里京聯合美國聖—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《科學》上撰寫論文,再次回答海洋變暖研究領域的重要問題:海洋在過去60年加速變暖,且變暖將在本世紀持續。

  海洋變暖的爭議

  地球系統能量增加表現為全球氣溫升高、海洋增溫、冰川融化等。由於海水比熱容較大,海洋累積了全球變暖的主要信號:90%的全球變暖能量儲存在海洋中。

  自美國海洋和大氣管理局NOAA研究員S。 Levitus於2000年在《科學》撰文正式發佈第一條全球上層海洋熱含量變化時間序列,發現20世紀下半葉全球海洋次表層升溫的現象以來,全球海洋到底變暖了多少,一直是一個爭議不斷的問題。

  “海洋變暖多少的爭議來源於過去海洋觀測數據質量和數量的不足。”成里京向《中國科學報》介紹。

  他解釋道,“畢竟海洋面積異常廣闊,平均深度達4000米,人類目前的觀測手段僅僅主要在上層2000米。在2005年Argo浮標觀測網建成之前,在南半球以及全球700米以下深海的觀測都較為稀少。”

  雖然2005年之後,海洋科學家們在海洋中佈放了一些新的儀器Argo,得到了較好的全球海洋熱含量估計,但是他們永遠無法穿越到2005年之前,重新用高精度的儀器觀測過去的海洋狀況。這造成了歷史海洋數據的不確定性。

  數據不確定的一個例子是,在2013年發佈的國際政府間氣候變化第五期評估報告(IPCC-AR5)列出的5個1971至2010年間海洋熱含量變化趨勢估算中,最小的估計竟只有最大的估計的一半。

  而自IPCC-AR5發佈以來,研究人員發現傳統的估算方法低估了過去幾十年海洋熱含量上升速率。

  以往估算不確定性來源主要是“國際上傳統的估計在海洋觀測較為貧乏的區域假設海洋變化為零,換句話說,只要沒觀測,就假設海洋不發生任何變化。這種假設極大地低估了過去幾十年海洋變暖的速率”。成里京說道,另一個不確定性來源是“有偏差的歷史觀測數據(拋棄式探溫儀XBT)的訂正方法不是最優的方法”。

  對海洋變暖速度估算的不確定性,一方面限製了人們對全球變暖的科學認知,影響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?

  新技術新認知:海洋變暖在加速

  大氣物理所團隊多年研究解決了歷史海洋熱含量估計中的一系列問題。

  其2014年發表的海洋數據(拋棄式探溫儀XBT)訂正方法是現在的“國際標準”,已經被用於美國海洋和大氣管理局國家海洋環境信息中心NOAA/NCEI的數據庫中。2019年英國氣象局哈德來中心也將使用該團隊的訂正方法。

  該團隊於2016—2017年提出了新的“空間插值”方法。該方法有效解決了以往方法中的系統性偏差。基於這些進展提出的新的熱含量估計顯示出更強的歷史海洋變暖速率,且海洋變暖在上世紀90年代後加速。

  此次在《科學》雜誌發表的論文是對整個海洋變暖研究領域近年來主要進展的提煉和綜合:包括大氣物理所、日本氣象廳、美國普林斯頓大學、澳州在內的一些新進展已經能夠得到更準確的歷史海洋變暖估算,新的估算比傳統估算顯示出更強的海洋變暖。

  將目光放在未來,未來海洋變暖將有多強?基於氣候模型的預估是否可靠?文章證實,耦合模式比較計劃5(CMIP5)模型集合平均可以非常好地模擬歷史海洋變暖: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,因此極大提升了模型對未來預估的可信度。

  根據氣候模型預估,假設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攝氏度(相對於1991—2005年間的平均狀態),這是過去60年海洋變暖總量的6倍,海洋變暖速率持續加速;而假設未來將接近或達到《巴黎協定》目標,2081—2100年間海洋上層2000米將平均變暖0.4攝氏度,且變暖速率在本世紀下半葉降低。

  據此,對海洋變暖來說,更強的變暖發生在未來。成里京表示,這是因為海洋具有很強的穩定性,其對全球變暖的響應具有“滯後性”。因此,這篇論文提醒關注海洋變暖,以期更好地應對海洋變暖帶來的氣候風險。

  關注海洋 關注未來

  為什麼要關注海洋變暖?“海洋和全球氣候變暖對人類和生態環境都已經造成了嚴重的影響,若不治理,將造成更嚴重的後果。” 成里京說道。

  例如,由於海洋變暖和酸化,以大堡礁為代表的海洋珊瑚礁系統經曆了連續三年大規模白化事件。他介紹,如果全球變暖持續,本世紀末99%以上的珊瑚礁系統將白化消亡。而珊瑚礁是25%的海洋生物賴以生存的環境,是海洋中的“熱帶雨林”。

  2018年的颱風“山竹”、颶風“萊恩”等給登陸地造成了極大的經濟和社會損失。“海洋是颱風、颶風等極端天氣的能量來源,更暖的海洋將導致未來颱風更強、降水更多。”成里京說,根據國際政府間氣候變化評估報告預估,隨著海洋持續變暖,颱風等極端事件及其降水都將增加。

  同時,更熱的海洋會持續降低海水中的溶解氧含量,影響海洋生態系統,進而影響人類利用海洋漁業資源。

  此外,海水溫度升高的熱膨脹效應貢獻了目前海平面變化的約1/3,不斷變暖的海洋將持續推升全球海平面,給沿海、低窪和小島嶼地區帶來越來越多的氣候風險。

  “從2009年起我們就開始研究海洋觀測數據,系統性探索如何修正海洋觀測數據中的偏差,從而保證高質量的觀測數據。”成里京表示,“未來一段時間,我們將持續在海洋觀測和熱含量領域深耕:繼續提高更早以前的(1870—1955年)觀測數據的質量,我們計劃將現在的海洋熱含量時間序列擴展到更早的時期。”

  這是因為,百年來的全球變暖是從19世紀末工業革命開始的,需要明確工業革命後海洋到底變暖了多少,但目前的海洋熱含量時間序列最早只能到1940年。

  除此以外,其團隊還將持續探索海洋能量變化的物理機製:熱量如何從上層海洋傳遞到深海?海洋熱量輸送和人類生活的地表溫度變化有什麼聯繫?這些科學問題的回答將增加人們對氣候系統的認知,進而科學指導氣候預估以及政策製定。

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