魏科 許琦敏
近期發布的國際首份2021年海洋變暖報告，再次揭示了一個驚人事實：全球海洋正在加速變暖。
數據顯示，2021年海洋升溫持續，這一年成為有現代海洋觀測記錄以來海洋最暖的一年。同時，地中海、北大西洋、南大洋、北太平洋海區溫度均創歷史新高。
這份報告由中國科學院大氣物理研究所牽頭，聯合全球14個研究單位的23位科學家組成的國際研究團隊共同完成，發表于國際學術期刊《大氣科學進展》（AAS）上。
全球變暖90%以上的熱量儲存在海洋中。最新數據表明，2021年，全球海洋上層2000米吸收的熱量與2020年相比增加了14×1021焦耳，這些熱量大致相當于中國2020年全年發電量的500倍。
過去80年中，以十年為間隔，海洋在持續不斷地變暖。而海洋變暖會引發一系列影響人類活動和生態系統的嚴峻后果。
大自然再一次給人類敲響了警鐘。
過去80年，海洋每一個十年都比前十年更暖
如果讓外星人給地球起個名字，“水球”或者“藍球”應該是不錯的選擇。在宇宙中，地球看起來就是一顆藍色的水球，海洋覆蓋了地表面積的約71%，平均厚度達4千米，儲存著97%的水資源。
地球上，海洋總質量達到1.4×1018噸，與之相比，大氣總質量僅為5×1015噸，僅約為海洋總質量的0.36%。由于海水的比熱容遠大于大氣與陸地表面，因此海洋的熱儲存能力更強，是全球變化的主要調節器。
進入地氣系統的太陽輻射，經過大氣、云層和表面的反射，以及大氣層的吸收之后，只有約51%可以加熱地球表面，而這其中的70%被海洋吸收，然后再以長波輻射、潛熱感熱等多種能量形式釋放出去。
過去100多年里，全球溫室氣體逐漸增加，使地球系統“困住”了更多熱量，直接驅動了全球變暖，這些能量90%以上都存儲在海洋中，因此海洋熱含量變化是氣候變化的一個核心指針：海洋變暖實際上就等于全球變暖。
當考慮全球能量或熱量變化時，甚至可以忽略大氣和陸地表面溫度的變化，只分析海洋熱容量的變化，就可較為準確地了解地球氣候系統的變化狀況。
根據常年觀測數據統計，過去80年，海洋每一個十年都比前十年更暖。近年來，海洋變暖引發的一系列嚴峻后果逐個浮出水面，包括推升全球海平面，降低海洋二氧化碳吸收效率，增加海洋熱浪發生概率，造成更多強臺風/颶風和極端降雨等事件。
此次，研究團隊同時發布了兩個國際機構的2021年海洋熱含量數據，分別來自中國科學院大氣物理研究所的IAP/CAS海洋觀測格點數據，以及來自美國海洋和大氣管理局國家海洋信息中心（NOAA/NCEI）的NCEI格點數據。
2021年海洋變暖報告表明，海洋變暖在南大洋、中低緯度大西洋、北太平洋等區域更為劇烈。實驗表明，溫室氣體增加是驅動海洋變暖空間結構的主要原因。此外，工業和生物氣溶膠排放、土地利用變化等對海洋變暖也有一定影響。
與陸地相比，海洋對大氣溫室氣體增加的響應較為緩慢和滯后，過去的碳排放導致的海洋變暖等影響將持續至少數百年之久，這一現象凸顯了海洋在全球氣候變化中的重要作用。研究團隊指出，需要充分將海洋變暖的影響納入氣候風險、氣候影響評估和應對當中。
重建長期資料，補足海洋觀測“缺失的拼圖”
隨著全球溫室氣體濃度不斷攀升，全球升溫已成既定事實，海洋變暖多少的問題一直是科學家致力解決的難題。而海洋觀測歷史數據不足，數量偏少且質量不佳，是困擾研究的“硬傷”。
地球表面分布著數以萬計的氣象觀測站，其中最悠久的已有200多年的連續觀測歷史。這些觀測對于了解過去100多年、尤其是近50多年的陸地表面氣候變化，發揮了至關重要的作用。相比之下，氣候監測的海洋資料極為匱乏。
自1998年起，國際上開始籌建Argo全球實時海洋觀測網，以便長期、自動、實時和連續獲取大范圍、深層海洋資料。這一計劃被視為“海洋觀測手段的一場革命”。該計劃于2000年正式實施以來，包括美國、澳大利亞、法國、英國、德國、日本、韓國、印度和中國在內的近40個國家和團體在全球海洋共布放了超過1.4萬個Ar go浮標，從而真正實現了對全球海洋中上層的實時觀測。
隨著相關技術的不斷創新發展，Argo計劃又提出繼續向有冰覆蓋的兩極海區、赤道、西邊界流區和重要邊緣海拓展，并派生出了“生物地球化學Argo”和“深海Argo”等兩個子計劃。如今，Argo數據已成為海洋和大氣研究中重要的數據來源和參考依據。
那么，如何了解50年乃至100年前海洋中上層熱含量的變化狀況呢？目前，國際海洋研究領域一般推薦用海洋次表層XBT（拋棄式測溫儀器）溫度觀測數據。XBT是1970年到2001年海洋次表層最主要的溫度觀測儀器，占1970-2001年所有次表層溫度數據的41%。盡管基于這個儀器的觀測數據存在各種問題，但這是目前僅有的歷史資料里的核心部分。
自2008年起，各國科學家都在致力于訂正歷史XBT數據的系統性偏差。2014年，中國科學院大氣物理研究所研究團隊提出的海洋數據偏差訂正方案，成為目前國際上推薦的最佳訂正方案。
另外，海洋中存在大量缺測的區域，需要利用已有的觀測去“推算”無觀測區域的溫度變化。中科院大氣物理所研究團隊利用海洋豐富的時空相關性，提出了一個新的空間插值方案，并重建了一個自1940年以來全球海洋上層2000米的溫度數據集，并不斷對數據進行更新。
變暖從未停滯，海洋升溫“滯后效應”正在顯現
根據大氣物理所重建的數據集進行重新評估，科學家得出了一個驚人結果：以此估計出的海洋變暖速度，比政府間氣候變化專門委員會（IPCC）第五次評估報告中的估計快約13%——全球變暖速率比我們以為的更快。而且，該研究從能量角度表明，海洋和地球系統在加速吸收熱量，特別是深海變暖在加速。
2019年，中外科學家在美國《科學》雜志上撰文，他們利用當時最新改進的數據，重新估算了海洋上層熱含量的變化。結果表明，各個數據使用新的方法之后，顯示出高度一致性——自1955年以來，全球海洋熱含量上升趨勢明顯。而且，全球海洋上層2000米變暖速率在上世紀90年代后顯著加速，這直接反映了人類活動持續排放的溫室氣體對海洋的影響。
這項研究還利用可信度較高的模型，預估假設未來不采取任何減排的氣候政策可能帶來的后果：2081-2100年間，整個海洋上層2000米將平均變暖0.78℃（相對于1991-2005的氣候狀態），這是過去60年海洋變暖總量的6倍！倘若未來氣候政策可以接近或達到《巴黎協定》目標，到2081-2100年，海洋上層2000米將平均變暖0.4℃。
這一研究表明，人類活動已經深刻改變了海洋環境，海洋增溫已經造成了海平面上升、溶解氧下降、極端事件加劇、珊瑚白化等后果。然而，由于海洋對溫室氣體響應的“滯后效應”，海洋正在加速變暖，更強的海洋增暖將發生在本世紀。即使全球升溫幅度接近或者達到《巴黎協定》目標，海洋升溫及其帶來的影響也將持續。若不積極應對，未來人類和地球生態系統都將面臨嚴重的氣候風險。
溫度影響氧在水中的溶解度，海水溫度越高，能夠容納的氧氣就越少。全球變暖在海水表層增溫更高，而深水的增溫更慢，這會使得海水上下的層結（穩定性）更強，不利于表層和深水區的物質交換，氧氣向下的輸送會更加困難，這會讓海洋缺氧更加“雪上加霜”。二氧化碳增多引起海洋酸化和全球變暖引起海洋缺氧正同步發生，其對海洋生物和生態系統的影響還在持續，需要高度警惕。
過往十年，“全球變暖停滯”曾一度成為氣候變化領域的熱門話題。因為在1998的超強厄爾尼諾現象之后，全球地表氣溫的增溫幅度有限。然而，隨著2013年之后溫度重新飆升，全球變暖停滯的概念似乎又成了“明日黃花”。不過，全球地表氣溫資料中顯示出的“停滯”是如何形成的，確實還需要更合理的科學解釋。
如果利用全球海洋熱含量的數據來回看過去50年的氣候變化，可以發現，海洋熱含量序列里根本就沒有變暖停滯期，其變化表現出穩定的增長趨勢。這說明，如果要考察地球的氣候變化，需要將大氣與海洋一起綜合考慮。
由于海洋面積巨大、熱容量龐大，海洋熱容量比地表溫度序列更能準確反映過去幾十年里所發生的氣候變化。溫室氣體排放增加引起的全球增暖，其熱量分配與流動在整個氣候系統里進行，所以短期地表/海表溫度變化的“停滯”，僅僅是海氣相互作用的自然變率的產物，是由于海洋能量在不同深度間的輸送導致的，全球變暖其實并未停滯。所以，當綜合考察海-氣系統的變化之后，“全球變暖停滯”基本上就成了偽命題。
（魏科系中國科學院大氣物理研究所副研究員）
