大海热含量研商获进展

自美国国家海洋和大气管理局研究员S.
Levitus于2000年在《科学》(Science)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世纪下半页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。2013年发布的国际政府间气候变化第五期评估报告列出的5个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。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?

中国科学院大气物理研究所最新的估计揭示,全球上层0-700m海洋变暖(1970-2014)速率为:0.55±
0.14 ×1022J
yr−1。比目前国际上已有的估计(如国际政府间气候变化专门委员会第五次评估报告IPCC-AR5)更快。

3月10日,美国科学促进会AAAS旗下Science子刊《科学进展》(Science
Advances
)在线发表了一项由中国科学院大气物理研究所牵头,成里京(第一作者和通讯作者)、朱江与美国科学家合作的研究成果《改进的历史(1960-2015)海洋热含量变化估计》(Improved
estimates of ocean heat content from 1960 to
2015
)。该成果迅速得到气候变化科学家和国际媒体的广泛关注。

中国科学院大气物理研究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Science上撰写perspective论文,对上述问题进行了解答。

海洋热含量变化是全球变暖的一个重要观测事实,其直接贡献于海平面上升(贡献约为30%~50%),是地球系统能量循环最主要一环(90%的全球变暖能量存储在海洋中),因而对其进行准确估计是气候变化研究的一个重要科学问题。然而目前对热含量的估计仍然存在较大的不确定性:如IPCC-AR5列出了5个独立的热含量估计中,最低为74TW,最高为137TW,相差约100%。这是因为在热含量估计中存在多种偏差。

温室气体不断排放使得地球系统“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,对过去海洋热含量进行估计是气候变化研究的一个重要任务。然而,过去海洋到底变暖了多少?这一直是一个具有争议性的问题:不同国际机构基于海洋观测得到的估计各不相同、差异极大。海洋观测的不足及其分布的不均匀是过去海洋热量变化估计不准确的最大原因。过去海洋观测主要依靠船舶,得到的观测非常稀少而且主要分布在北半球中纬度人类活动较多的区域。直到本世纪,一个新的海洋观测网:Argo系统的构建使得海洋观测几乎能够覆盖全球主要的海域。

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。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。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。但是科学家们永远无法穿越到2005年之前,重新用高精度的仪器观测过去的海洋状况,因此海洋数据领域科研人员一直在持续不断地改进旧数据的质量、发展新的技术以更准确地重构过去海洋的状态。

大气所助理研究员成里京和研究员朱江进行了一系列工作研究热含量估计的主要不确定性和偏差来源:海洋主要的温度观测数据:XBT数据的系统性偏差(Cheng
et al.2014);历史海洋次表层温度廓线垂向分辨率不足(Cheng and Zhu,
2014a)气候平均态的选取(Cheng and Zhu,
2015);如何较好地“猜测”无观测区域的热含量数值(Cheng and Zhu,
2014b)。在对上述4种主要的不确定性和偏差来源进行一系列量化估计之后,成里京、朱江以及美国科学家John
Abraham一起提出了一个新的历史上层海洋热含量估计,作为大气所的历史热含量评估。新的估计显示:上层700m海洋的变暖速率比以往认为的更快(Figure
1a,
比IPCC-AR5的估计快约19%),反映了工业革命之后温室气体的排放导致的地球系统总能量增加。另外,热含量的年际尺度变率主要受厄尔尼诺和南方涛动变率主导。

Science
Advances
的新研究提出了一个新的方法解决了这个问题,包括利用了气候模型的集合模拟结果提供多源补充信息、增加了观测的空间影响范围、使用集合最优插值方法等。更重要的是,该研究利用近期较为丰富的海洋观测去评估重构的历史热含量变率在不同海盆和不同时间尺度的准确性,首次量化了由于历史观测不足导致的估计误差。基于这些进展,该工作提出了一个最新更准确的全球上层2000米历史海洋热含量的重构,新的估计比国际政府间气候变化专门委员会第五次气候变化评估报告中的估计快约13%,反映了更快的全球变暖速率!

大气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,于2017年提出了一个新的海洋上层2000米热含量估计;同时日本气象厅、澳大利亚联邦科学与工业研究组织、美国普林斯顿大学等也提出了更新的或改进的方法对海洋热含量变化进行估算。这些新的方法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。

最后,对气候系统模式的结果分析表明:CMIP5模式对上层热含量的长期趋势模拟较好,但对其年际和年代际的模拟不足(Figure
1a,b)。

国外很多主流媒体对该研究进行了详细报道,比如具有重要国际影响力的《今日物理》(Physics
Today)指出该成果研究者们充分利用了对海洋变化的深刻理解:海洋变率在时间和空间上具有复杂和丰富的相关性,提出了一个更好的空间插值方案以估计历史海洋热含量变化。该评论同时强调:海洋在1990年之后表现出显著的深海变暖。深海变暖反映了当前的气候对未来的深远影响:由于海洋环流的存在,深海变暖的海水可能在若干个世纪之后重新回到海表,影响未来气候变化。

最近一些估计一致性表明:热含量研究领域已经逐步解决已有问题,可以对全球海洋变暖做出更准确的计算了。根据最新估算,1971-2010年间全球海洋上层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。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。这直接反映了大气中不断积累的温室气体对海洋的影响。

论文信息:

美国最有声望的报纸之一《华盛顿邮报》(Washington
Post
)3月10日在线发布了编辑Chelsea
Harvey撰写的题为《海洋存储了惊人的能量:过去气候变化的存储器》(Oceans
storing up staggering amounts of heat: ‘the memory of all of the past
climate change’
)的报道。《英国卫报》(The
Guardian
)网站发表了《新的观测提出了全球变暖的坚实证据》(New
measurements solidify global
warming
)的评论,指出该研究为气候变化提供了一个最为关键和直接的证据。援引论文合作者John
Fasullo评论道:“该研究表明海洋在过去50年变暖比以往的评估更快,揭示了地球系统的气候敏感性更高、海平面上升速度更快”。