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【气候变化】消失的热量去了哪里?

更新时间:2017-05-19 00:00:00 来源: 深圳市气象局

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  本期嘉宾: 中国科学院大气物理研究所

  助理研究员

  气象学博士 成里京

  采访人: 本报记者 刘钊

  普通公众大多只能体会到全球变暖的局部影响。尽管人们可以从海冰融化的新闻, 或是越来越多的极端天气来感知, 还可以从冬天不冷、 夏天更热来判断, 但这并不是全球变暖的本质, 只是它所引起的一系列 “症状” 之一。如果我们换一个角度, 将地球当作一个整体看待, 所谓 “全球变暖” , 实际上是地球系统能量 (以热量为主) 的增加, 原因则是二氧化碳等温室气体增加导致的温室效应。无论大气、 海洋还是陆地的变暖, 都包含在其中。

  由于时刻生活在其中, 人类最易察觉到近地面大气的变暖。但在全球变暖中, 大气蕴含的热量占比其实很小, 仅占地球系统整体增暖的1%-2%; 与人类关系密切的陆地, 变暖热量也仅占3%; 而93%的热量都储存在了海洋之中。

  那么, 如果人们想知道地球究竟变暖了多少, 就要对地球系统能量的变化进行监测。人类用两种方法监测地球如何变热。第一种是依靠卫星。这种方法的依据很直接, 即监测进入地球的辐射有多少, 离开地球的辐射又有多少, 出入之间的差距就是地球增加的热量。这个数值并非一直是正的, 但近20年来基本都维持在正数, 说明地球整体正在变暖。

  而另一种方法则试图通过局部推论整体。科学家监测海洋变暖速率, 并由海洋93%的热量占比反推地球变暖的情况。因为海洋吸收了绝大部分的热量,因此这种方法也会比较方便。按照科学家的设想, 将这个数据与卫星观测到的数据对照, 如同上了一个双保险, 应该能够准确获知地球到底变暖了多少。

  但问题就出在这里, 卫星观测的数据和海洋监测数据始终对不上。卫星告诉我们, 自2000年以来,根据大气层顶的净辐射收支, 进入地球的能量约为0.5瓦/平方米-1.5瓦/平方米, 但是海洋监测又告诉我们, 海洋的热量增加为 0.2 瓦/平方米-0.5瓦/平方米, 不到前者的一半。这个巨大的差距, 被学界称为 “消失的热量” (Missing Heat) 。

  那么, 这些消失的热量去了哪里呢?学界对此屡有论文发表, 观点大致如下:

  第一种观点认为卫星观测有问题, 误差太大。这种推测不无道理,因为大气层顶部无论是短波或长波辐射, 量级都在100瓦/平方米, 而变暖的数字小得多, 为0.5瓦/平方米-1.5瓦/平方米, 测不准也是有可能的。第二种观点认为海洋观测存在误差。也有人认为, 两者都存在不小的误差, 把这些误差都考虑上的话, 应该能够 “扯平” , 实际上不存在什么“消失的热量” 。还有一种观点比较独特: 认为能量进入了深海, 而人类对深海的观测很有限。直到2005年, 人类才建立起了名为Argo网的深海观测网, 可观测700米至2000米深度的海洋, 此前深海观测几乎是空白。因此, 深海观测存在遗漏也说不定。

  而大气所的观点认为, 问题主要是由于热含量估计不准确引起的。也就是说, 热量其实消失在数据的偏差中。

  简单说, 海洋太辽阔, 观测十分有限, 大量海域没有直接观测数据。但人们在研究海洋变暖时, 不可能留下这么多空白, 因此, 就使用了插值方法, 利用有限的观测数据去推论无观测海域的温度。它的理论依据是, 海洋不同地点的变化并不是孤立的, 而是彼此影响, 受统一的规律制约。这样一来, 科学家就可以通过各个点的温度来推测整体的温度变化。但是海洋中的观测点实在是太少了。以美国海洋和大气管理局(NOAA) 为例, 某些观测点甚至用于估测半径800公里内的温度变化。而这样的海区还不是最差的, 东南太平洋有些区域没有任何观测点, 一片空白。这些地区的海洋温度变化只好被假设为0。显然, 这里就存在不少低估的部分。另一方面, 通过某个点推测周边的海温也是不准确的,这种方法假设各个方向的相关性都是一致的, 但在真实的海洋中, 东西、南北向变化差异很大: 东西相似度高, 而南北则变化迅速。

  基于这种研究上的困境, 大气所另辟蹊径, 尝试利用气候模型定义各个海区之间的相关性。由于气候模型也有偏差, 他们把很多气候模型集合起来进行推测。

  经过改善后的方法有两个优点, 一是对海区温度变化的估计更为准确, 二是从单点可以推测的范围更广。这样一来, 海洋中的 “空白” 地区就被大大压缩了。

  利用这个技术, 大气环境所重构了1940年至今海洋0米至2000米深度的海温, 得到了一个更准确的海洋热含量变化估计。新的数据证明, 海洋在持续且加速变暖, 特别是在20世纪90年代之后。更令人惊喜的是, 新数据和卫星观测到的大气层顶能量收支基本匹配。

  热量当然不可能消失, 新的研究结论表明, 它们确实大部分进入了海洋。而之所以此前认为它消失了, 一是因为海洋热含量的估计有问题, 二是深海加速变暖。

  这一结论或许还可以解决更多以往有争议的问题, 例如海平面上升速率为何比各贡献因子累加之和更强?这可能是因为海洋加速变暖, 导致了更大的热膨胀。又如深海能量变化会如何影响气候变化、 气候变暖是否停滞。随着数据不断得到更新与修正, 人类对于这些问题的回答将更加准确。

(来源:中国气象报)