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海洋加速变暖,过去是,未来更是

媒体:中国科学报  作者:王方
专业号:碳汇资讯
2019/1/22 8:53:05   

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  (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比IPCC-AR5中的五个估计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和新的观测估计一致。

  海洋变暖是全球变暖一个核心和最基本的指标。海洋是否变暖、如何变暖?不论是公众还是科学家,对此争议的焦点仍在于海洋观测数据的不确定性。

  1月10日,中国科学院大气物理研究所(以下简称大气物理所)副研究员成里京联合美国圣—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《科学》上撰写论文,再次回答海洋变暖研究领域的重要问题:海洋在过去60年加速变暖,且变暖将在本世纪持续。

  海洋变暖的争议

  地球系统能量增加表现为全球气温升高、海洋增温、冰川融化等。由于海水比热容较大,海洋累积了全球变暖的主要信号:90%的全球变暖能量储存在海洋中。

  自美国海洋和大气管理局NOAA研究员S. Levitus于2000年在《科学》撰文正式发布第一条全球上层海洋热含量变化时间序列,发现20世纪下半叶全球海洋次表层升温的现象以来,全球海洋到底变暖了多少,一直是一个争议不断的问题。

  “海洋变暖多少的争议来源于过去海洋观测数据质量和数量的不足。”成里京向《中国科学报》介绍。

  他解释道,“毕竟海洋面积异常广阔,平均深度达4000米,人类目前的观测手段仅仅主要在上层2000米。在2005年Argo浮标观测网建成之前,在南半球以及全球700米以下深海的观测都较为稀少。”

  虽然2005年之后,海洋科学家们在海洋中布放了一些新的仪器Argo,得到了较好的全球海洋热含量估计,但是他们永远无法穿越到2005年之前,重新用高精度的仪器观测过去的海洋状况。这造成了历史海洋数据的不确定性。

  数据不确定的一个例子是,在2013年发布的国际政府间气候变化第五期评估报告(IPCC-AR5)列出的5个1971至2010年间海洋热含量变化趋势估算中,最小的估计竟只有最大的估计的一半。

  而自IPCC-AR5发布以来,研究人员发现传统的估算方法低估了过去几十年海洋热含量上升速率。

  以往估算不确定性来源主要是“国际上传统的估计在海洋观测较为贫乏的区域假设海洋变化为零,换句话说,只要没观测,就假设海洋不发生任何变化。这种假设极大地低估了过去几十年海洋变暖的速率”。成里京说道,另一个不确定性来源是“有偏差的历史观测数据(抛弃式探温仪XBT)的订正方法不是最优的方法”。

  对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;另一方面也阻碍了对气候模型的评估,从能量变化的角度,气候模型能否准确反映出过去的气候变化,进而对未来做出合理预估呢?

  新技术新认知:海洋变暖在加速

  大气物理所团队多年研究解决了历史海洋热含量估计中的一系列问题。

  其2014年发表的海洋数据(抛弃式探温仪XBT)订正方法是现在的“国际标准”,已经被用于美国海洋和大气管理局国家海洋环境信息中心NOAA/NCEI的数据库中。2019年英国气象局哈德来中心也将使用该团队的订正方法。

  该团队于2016—2017年提出了新的“空间插值”方法。该方法有效解决了以往方法中的系统性偏差。基于这些进展提出的新的热含量估计显示出更强的历史海洋变暖速率,且海洋变暖在上世纪90年代后加速。

  此次在《科学》杂志发表的论文是对整个海洋变暖研究领域近年来主要进展的提炼和综合:包括大气物理所、日本气象厅、美国普林斯顿大学、澳大利亚在内的一些新进展已经能够得到更准确的历史海洋变暖估算,新的估算比传统估算显示出更强的海洋变暖。

  将目光放在未来,未来海洋变暖将有多强?基于气候模型的预估是否可靠?文章证实,耦合模式比较计划5(CMIP5)模型集合平均可以非常好地模拟历史海洋变暖:1970—2010年间,CMIP5模拟的海洋上层2000米变暖速率为0.39 Wm-2,与最新的观测几乎一致,因此极大提升了模型对未来预估的可信度。

  根据气候模型预估,假设未来不施行任何气候政策,2081—2100年间,整个上层2000米海洋将平均变暖0.78摄氏度(相对于1991—2005年间的平均状态),这是过去60年海洋变暖总量的6倍,海洋变暖速率持续加速;而假设未来将接近或达到《巴黎协定》目标,2081—2100年间海洋上层2000米将平均变暖0.4摄氏度,且变暖速率在本世纪下半叶降低。

  据此,对海洋变暖来说,更强的变暖发生在未来。成里京表示,这是因为海洋具有很强的稳定性,其对全球变暖的响应具有“滞后性”。因此,这篇论文提醒关注海洋变暖,以期更好地应对海洋变暖带来的气候风险。

  关注海洋关注未来

  为什么要关注海洋变暖?“海洋和全球气候变暖对人类和生态环境都已经造成了严重的影响,若不治理,将造成更严重的后果。” 成里京说道。

  例如,由于海洋变暖和酸化,以大堡礁为代表的海洋珊瑚礁系统经历了连续三年大规模白化事件。他介绍,如果全球变暖持续,本世纪末99%以上的珊瑚礁系统将白化消亡。而珊瑚礁是25%的海洋生物赖以生存的环境,是海洋中的“热带雨林”。

  2018年的台风“山竹”、飓风“莱恩”等给登陆地造成了极大的经济和社会损失。“海洋是台风、飓风等极端天气的能量来源,更暖的海洋将导致未来台风更强、降水更多。”成里京说,根据国际政府间气候变化评估报告预估,随着海洋持续变暖,台风等极端事件及其降水都将增加。

  同时,更热的海洋会持续降低海水中的溶解氧含量,影响海洋生态系统,进而影响人类利用海洋渔业资源。

  此外,海水温度升高的热膨胀效应贡献了目前海平面变化的约1/3,不断变暖的海洋将持续推升全球海平面,给沿海、低洼和小岛屿地区带来越来越多的气候风险。

  “从2009年起我们就开始研究海洋观测数据,系统性探索如何修正海洋观测数据中的偏差,从而保证高质量的观测数据。”成里京表示,“未来一段时间,我们将持续在海洋观测和热含量领域深耕:继续提高更早以前的(1870—1955年)观测数据的质量,我们计划将现在的海洋热含量时间序列扩展到更早的时期。”

  这是因为,百年来的全球变暖是从19世纪末工业革命开始的,需要明确工业革命后海洋到底变暖了多少,但目前的海洋热含量时间序列最早只能到1940年。

  除此以外,其团队还将持续探索海洋能量变化的物理机制:热量如何从上层海洋传递到深海?海洋热量输送和人类生活的地表温度变化有什么联系?这些科学问题的回答将增加人们对气候系统的认知,进而科学指导气候预估以及政策制定。

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