導語：在過去的150年裡，全球氣溫急劇上公升，人們傾向於在越來越炎熱的夏日去海邊避暑，但海洋真的會是最後的天堂嗎？最近，科學家發現，海洋吸收了氣候變化產生的90%的熱量，相當於過去150年來每秒一顆原子彈的威力**。 科學家如何研究全球海洋變暖，以及正在使用哪些“超級大國”技術？我們邀請了中國科學院大氣物理研究所副研究員魏珂為我們做報告！
近100年來，對氣候變化的認識一直籠罩著一層陰雲，因為所有評估氣候變化的觀測點主要集中在北半球大陸地區的陸地表面，而佔地球表面積71%的海洋表面和內陸， 不僅稀疏、短視，使得我們對全球變化的大量研究和主要認知集中在地表和大氣上，也使得全球溫度序列極有可能出現較大偏差。最近對海洋資料的分析逐漸揭開了這片“烏雲”，揭示了乙個驚人的事實：全球海洋正在加速變暖
如果讓外星人給地球起個名字，“水球”或“藍球”會是乙個不錯的選擇，在宇宙中地球看起來像乙個藍色的水球，海洋覆蓋了地球表面積的71%左右，平均厚度為4公里，它儲存了97%的水資源。 海洋的總質量達到14 10 18噸，相比之下，大氣的總質量僅為5 10 15噸，僅為036%。此外，考慮到海水的比熱容遠大於大氣和陸地表面的比熱容，海洋具有更強的儲熱能力，是全球變化的主要調節因素。
圖1海洋是氣候系統的重要組成部分。 **摘自Neelin （2010） Climate Change and Climate Modeling
進入地大氣系統的太陽輻射中，只有約51%的太陽輻射能加熱地球表面，70%被海洋吸收，然後以長波輻射、潛熱敏感等多種形式的能量釋放出來。 在過去的100年裡，全球溫室氣體逐漸增加，導致地球系統“捕獲”更多的熱量，直接驅動全球變暖，這些能量的90%以上儲存在海洋中，因此海洋熱含量的變化是氣候變化的核心指標：全球變暖實際上是海洋變暖。 在考慮全球能量或熱量的變化時，即使忽略大氣和地表溫度的變化，也只能分析海洋熱容的變化，也可以更準確地了解地球氣候系統的變化。
地球表面有數以萬計的氣象站，其中最古老的氣象站已經連續觀測了200多年，這些氣象站在過去100年特別是最近50年中對了解陸地表面的氣候變化發揮了至關重要的作用。 然而，這些觀測站主要位於北半球的大陸地區，甚至在大陸地區，也被發現存在森林和冰川，並且站點分布不均勻，因此基於陸地表面計算的全球溫度僅反映了整個氣候系統的乙個方面， 而且很有可能會出現較大的偏差，這是全球氣候變化研究揮之不去的陰影。
隨著全球溫室氣體濃度的不斷上公升，全球氣溫公升高已成為既定事實，海洋變暖多少的問題一直沒有得到有效解決，主要是由於過去缺乏海洋觀測資料，不僅數量少，而且質量差。 除了需要長期的氣候變化監測外，還需要詳細的海洋資料來深入了解“聖嬰”、“拉尼娜”、南極環極洋流、北大西洋**和太平洋十年**等海洋異常，海洋資料也是季節到年際時間尺度上氣候的重要依據。
自2024年國際籌備建立ARGO（Array for Real-time Geostrophic Oceanography，簡稱ARGO，是希臘神話中英雄傑森的船名）全球實時海洋觀測網路以來，ARGO使用的自動剖面浮標是一種圓柱形自沉式浮裝置，約15公尺，重約45公斤（圖2）。 一旦投入海中，浮標會自動潛入1000公尺的深度，隨水流漂流數天（通常為10天），再潛入1000公尺，達到2000公尺的深度，緩慢上公升，返回海面，並在上公升過程中使用自己的電子感測器逐層測量海水的溫度和鹽度。 當浮標到達海面時，它會自動將定位和測量資料傳送到衛星，然後轉發給資料中心，之後浮標將再次下潛並進入下乙個觀測週期。 這種浮標具有無需日常維護，不易受到人為破壞的優點，可以長時間、自動、實時、連續地獲取大面積、深海資料"海洋觀測手段的革命”。 ARGO使用的浮標可以在公海中自動執行4至5年，直到浮標的電池容量耗盡，通常乙個浮標在其使用壽命內可以獲得140-180個剖面。
圖2Argo浮標。
自2024年ARGO計畫正式實施以來，美國、澳大利亞、法國、英國、德國、日本、南韓、印度、中國等全球近40個國家和團體在全球海洋部署了14000多個ARGO浮標，形成了全球ARGO實時海洋觀測網路，從而真正實現了對全球遠洋的實時觀測。 目前有3,925個ARGO浮標漂浮在全球海洋內部（2024年1月6日），提供對全球海洋狀況的持續實時監測。
隨著“ARGO核心”網路的建成和剖面浮標技術的不斷創新發展，《規劃》提出繼續向冰雪覆蓋的極地海域、赤道、西部邊界洋流區和重要邊緣海域（包括日本海、地中海、黑海、墨西哥灣和南海）擴充套件。 並衍生出兩個子專案，“生物地球化學ARGO（BGC-ARGO）”和“深海ARGO”。早期，ARGO浮標無法觀測到冰雪覆蓋的海域，但如今，裝有冰探測感測器的浮標可以在浮標漂流到無冰海域後浮出水面傳送觀測結果也可以暫時儲存資料，並在夏季冰蓋融化後將其傳送回地表。 如今，ARGO資料已成為海洋和大氣研究的重要資料來源和參考。
2024年後，Argo資料變得非常豐富，當時海洋觀測主要基於船舶，稀缺，主要分布在北半球中緯度地區航線豐富的地區（圖3）。 在海洋觀測資料不足之前，我們如何估計海洋狀況？科學家永遠無法回到上個世紀，重新對全球海洋的遠洋層進行詳細的測量，那麼如何深入挖掘舊資料，重新獲得過去100年，尤其是過去50年海洋中上層熱含量的變化呢？ 已成為氣候變化研究的重要研究課題。海洋資料領域的研究人員一直在不斷提高舊資料的質量，並開發新技術，以更準確地重建過去的海洋狀態。
XBT是1970-2024年地下層最重要的溫度觀測儀器，佔1970-2024年所有地下溫度資料的41%。 儘管基於該儀器的觀測資料存在各種問題，例如時間和空間分布非常不均勻，資料存在系統偏差，但這是目前唯一可用的歷史資料的核心部分。
圖5船用一次性測溫儀器包括探頭、發射器、甲板處理單元和資料顯示記錄儀器，其中探頭是下水時消耗的部分，一般為魚雷形流線型。 溫度感測器安裝在探頭上，收集到的訊號通過訊號線傳輸到船舶的甲板處理單元。 探頭本體入水後，探頭本體上的電極與接地線通過海水形成迴路，測溫電路開始工作，探頭本體深度在採集海水溫度的同時下降，探頭本體達到最大深度後，銅細線自動斷開，完成測量。
由於 XBT 資料的系統偏差，XBT 資料通常被稱為“不成熟”資料之一。 如何糾正 XBT 偏差？如何更好地利用歷史 XBT 資料？從2024年至今，國際上不同的研究小組提出了10餘種偏倚校正方案，以校正歷史XBT資料的系統性偏倚。 在2024年11月召開的第四屆XBT科學研討會上，XBT課題組首次就如何在氣候變化和物理海洋學學術界使用XBT資料提出了建議，建議在校正XBT偏差時應考慮以下因素： 溫度和深度偏差需要同時校正， 校正時需要考慮不同儀器之間的差異，不同海水溫度的影響，以及不同歷史時期的不一致偏差。2024年，中國科學院大氣物理研究所朱江、程麗靜研究團隊提出了海洋資料偏差修正方案，脫穎而出，成為全球推薦的最佳修正方案。
此外，海洋中還有大量未測區域，需要利用現有的觀測資料來“推斷”未測區域的溫度變化。 這種“推測”的物理基礎是海洋各個區域的運動不是獨立的，而是密切相關的。 大氣科學研究所研究團隊提出了一種新的空間插值方案，利用海洋豐富的時空相關性，該方案採用整合最優插值方法，利用耦合模式比較計畫的多模式歷史模擬，提供動態集合樣本，以提供更好的初始場（作為先驗估計）和背景誤差協方差（定義資訊如何從觀測區域傳輸到非觀測區），有效克服了當前主流方案的主要問題。基於上述開發技術，研究團隊重建了自2024年以來全球海洋上部2000公尺的新溫度資料集，並不斷更新資料，為水平1度和1度的網格，從1公尺到2000公尺共41層，以及2024年至今的月平均溫度資料。
系統分析和評價表明，該資料集能夠準確再現1940—2024年歷史區間的氣候平均狀態、年代際變化（如PDO）、年際變率（如ENSO）和長期趨勢。 此外，NCAR領導的研究比較了六種最常用的地下晶格（IPRC、Scripps、EN41.JAMSTEC77，IAP）估計了2004-2024年間地球系統的能量收支，發現基於地下溫度網格資料的結果在月際尺度上存在較大誤差。儘管如此，大氣科學研究所的網格資料在使用的六次觀測中誤差最小。
根據這組資料得出的新的海洋變暖估計數比氣候變化專門委員會第五次評估報告中的估計數快約13%，反映出全球變暖的速度更快。 該研究表明，從能源的角度來看，氣候變暖並沒有放緩，但海洋和地球系統正在加速吸收熱量，尤其是在深海。 此外，對海洋熱含量的更準確估計解決了困擾氣候變化科學界的“消失能量”之謎（即大氣頂部的能量收支與海洋熱含量變化之間的不匹配）。 研究結果於2024年發表在《科學進展》（Science Advances）雜誌上（Cheng et al.）。Anderson 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之後的主要發展之一。
此外，《第五次氣候變化間氣候變化評估報告》（IPCC-AR5）中列出的五項海洋熱含量變化估計值中最小的一次僅為最大一次估計值的一半（圖6）。 一方面，海洋變暖速率估計的不確定性限制了人們對全球變暖的科學認識，影響了對地球系統能量失衡、氣候敏感性等關鍵氣候引數的估計另一方面，這也是氣候模式評價的一大障礙，無法基於誤差較大的海洋資料對過去氣候模式的模擬狀態進行評估，也限制了數值模式對未來的合理預測。
圖6世界上部2000公尺海洋熱含量的變化：過去的變化和未來的預測。 右邊的樣條曲線是 2081-2100 年的估計值。 新的海洋熱含量估計值（藍色）顯示，同期海洋變暖的速度比IPCC-AR5中的五項估計值（灰色）更強。 氣候模式的同期模擬結果（黃綠色）。
近日，中國科學院大氣科學研究所副研究員程麗靜、美國聖托馬斯大學J.亞伯拉罕，加州大學伯克利分校，Z豪斯父親和美國大氣研究中心 KTrenberth 在《科學》雜誌上的一篇文章中回答了這些問題（Cheng et al, 2019)。他們利用大氣物理研究所上層2000公尺海洋熱含量的最新資料，以及日本氣象廳、澳大利亞聯邦科學與工業研究組織、美國普林斯頓大學等機構的新資料，重新估計了上層海洋熱含量的變化，這些資料更新和改進了他們的方法。 結果表明，使用新方法，資料顯示自2024年以來全球海洋熱含量呈非常一致的上公升趨勢。
在1971-2024年期間，全球海洋上部2000公尺的變暖率為036~0.39 wm-2。新的估計顯示海洋變暖的速度比IPCC-AR5更強：IPCC-AR5對同期的估計僅為020~0.32 wm-2。此外，90年代後海洋變暖明顯加速：2024年後，2000公尺以上海洋變暖的速度為055~0.68 wm-2。這是人類活動排放的溫室氣體對海洋影響的直接反映。
氣候模型能否準確模擬過去的海洋變化？科學研究表明，耦合模式比較方案5（CMIP5）模式集合平均可以很好地模擬歷史海洋變暖：1970-2024年間，CMIP5模擬的海洋上部2000 m的變暖速率為039 WM-2，這與最新的觀測結果幾乎一致。 該模型對過去的出色模擬大大提高了其在未來預測中的可信度。 根據 CMIP5 模型，估計在 RCP8在5種情景下（假設未來沒有減少排放的氣候政策），整個2000公尺高的海洋將平均變暖078攝氏度（相對於1991-2024年的氣候狀態），是過去60年海洋總變暖的6倍！在 RCP2 中6 在此情景下（假設未來的氣候政策能夠接近或達到《巴黎協定》的目標），2,000 公尺以上的海洋變暖平均為 04攝氏度。
人類活動深刻改變了海洋環境，海洋變暖導致海平面上公升、溶解氧下降、極端事件加劇、珊瑚白化等後果。 然而，由於海洋對溫室氣體反應的“滯後效應”，海洋正在加速變暖，本世紀將出現更嚴重的海洋變暖。 即使接近或實現了《巴黎協定》的目標，海洋變暖及其影響仍將持續。 如果我們不積極應對，未來人類和地球生態系統都將面臨嚴重的氣候風險。
在過去的6-8年裡，全球變暖停滯（HIATUS）已成為氣候變化領域的熱門話題，並催生了大量的科學和自然層面**，以及更多的職業**。 這一概念是基於這樣乙個事實，即2024年超聖嬰之後，全球地表溫度的上公升是有限的，例如，在國際氣候變化特別委員會（IPCC-AR5）的第五次評估報告中，全球平均地表溫度序列顯示，自2024年以來的平均上公升率為011±0.03攝氏度持續10年，而全球平均地表溫度公升溫率僅為005±0.10攝氏度持續10年，這無疑是變暖停滯或放緩的表現。 一些氣候變化懷疑論的反對者抓住機會迅速煽動諸如“變暖謊言”和隨之而來的陰謀論等觀點。
然而，隨著2024年後氣溫的回公升，尤其是2015-2024年的超級聖嬰現象，導致全球氣溫飆公升，2024年的高溫紀錄迅速下降到10位，全球變暖停滯的概念突然似乎成為“過去”。 但是，全球地表氣溫資料中顯示的“停滯”是如何產生的呢？事實上，需要更合理的科學解釋。
利用全球海洋熱含量資料回顧近50年的氣候變化，可以發現海洋熱含量序列中沒有變暖停滯期，其變化呈現出穩步增長的趨勢。 這表明，如果我們想研究地球的氣候變化，我們需要同時考慮大氣和海洋，並且海洋熱容比表面溫度序列更準確地反映了過去幾十年中發生了什麼樣的氣候變化，因為海洋面積巨大，熱容量巨大。 由於全球溫室氣體的增加導致全球變暖，其熱量分布和流動在整個氣候系統中進行，而近期表層海面溫度變化的“停滯”只是海氣相互作用自然變異的產物，這是由海洋能量在不同深度之間的傳輸引起的， 全球變暖並沒有停止。在觀察海氣系統的變化時，“全球變暖停滯”（HIATUS）一詞基本上是乙個錯誤的命題。