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0.13°C

成里京出海科考。图源:中国科学院大气物理研究所官网
 
撰文|邸利会
 
12年前,成里京大三,第一次见到海。
 
略显浑浊的北方的海,放眼望去,真的是大;俯身尝下,也只有咸。本科学数学的他想不到,这辈子还能和海有什么瓜葛。
 
可人生就是这样,充满着机缘。院里老师与中科院大气物理研究所的一个合作项目,将他带进了海洋和气候研究的大门。
 
“当时做一点简单的数据分析,就觉得这个领域还挺有意思,后来保研就到了大气所,还是接着做数据,这个时候一个比较重要的事就是看全球变化背景下海洋的变化,后续的研究就是这么开始的。” 成里京告诉《知识分子》。
 
十几年的摸爬滚打,如今他已是全职的科研人员。今天,当和他再聊起海,除了一样的大和咸,他还会十分肯定的告诉你,海正在变暖。
 
这正是成里京和合作者们十几年辛劳得到的结论——在过去的60年,0-2000米深的海洋平均温度上升了0.13°C。
 
乍一听,似乎没啥大不了。然而,考虑到海是如此巨大(约占地球表面积的七成,体积约13.5亿立方公里),比热又高,0.13°C升温所蓄积的热量,其实已经足够 “骇人听闻” ——这些热量相当于每秒引爆4颗广岛原子弹,持续引爆60年。
 
更让人忧虑的是,变暖还在加速。
 
成里京说,从过去的80年看,每个10年都比上个10年更暖。最近的数据是,2020年海洋上层2000米比前一年多吸收的能量,足以同时烧开13亿个1.5升的热水壶。
 
给海洋测温
 
那么,这 “小数点后两位” 的变化,究竟是怎么得出的呢?
 
第一步当然是测量。
 
就在此时此刻,约4000只 “探海神器” 正在海洋中 “随波逐流”,为海洋测温。这种名为Argo的机器人,长约1.5米、重约45千克,投海后,可下潜至2000米,然后再慢慢上升,逐层收集温度、盐度等数据,等浮出水面就自动把位置等数据发到卫星,再传输给世界各地的数据中心。
 
Argo浮标可在浩瀚的海中工作4-5年,直到电量耗尽,一般能采集100-200条剖面数据。这种无需日常维护,长期、自动、实时、连续,获取大范围、深层海洋资料的方式可以说是一场革命。
 
Argo计划从2000年开始实施后,美国、澳大利亚、法国、英国、德国、日本、韩国、印度、中国等几十个国家参与布放,2005年后形成了对开阔大洋的完整覆盖——平均每个月在每一个300乘300公里的格子里就有一个观测。
 
当然,除了Argo,人们还使用其它一些仪器,如大型的要用科考船上的吊臂才能工作的温盐深探仪,有水下滑翔机,甚至还有装在海狮等动物身上的仪器。
 
虽然主要是做数据分析,成里京也过几次出海的经历。
 
2017年,他随着意大利国家新技术中心进行了一次地中海海洋科考。在两天一夜的航程中,每隔半小时或1小时就要向海中投放抛弃式测温仪XBT,测量从海面到水下700米深的海水温度,每次测量能持续1-2分钟,用完后就抛弃掉了。
 
今天在全球海底躺着的XBT估计要以百万计。
 
庞大而复杂的数据
 
不过,成里京的那次出海,也不是为了单纯 “体验生活”。
 
原来,XBT测出来的温度总是有偏差,他们想弄明白究竟是怎么回事。采取的办法是设计对照实验,投放一个比较准的仪器下去,和XBT对比,当这样的对比达到一定量,就能进行分析,看偏差是什么因素引起的。
 
纠正XBT的温度偏差很重要,因为在2000年之前,海洋温度很多是XBT的数据。如果无法订正偏差,海洋升温的可靠结论也就无从谈起。
 
其实,从上世纪70年代,XBT引起的偏差就已为人所知。渐渐地,科学家们知道,一方面是深度出错,XBT本身没有压力感受器,为此研究人员发明了一个经验性质的下降速率公式,花功夫去算准里面的参数;另一方面是纯粹的温度偏差,XBT用到的热敏电阻敏感度是±0.01°C,可XBT记录系统的总体精度是±0.2°C,不管是实验室还是海洋中的测试实验都表明,XBT测出的温度要比实际高。此外,人们还发现,不管是深度的错误,还是纯粹的温度偏差,在不同的海温情况下不一样,各个时间段也不一样。
 
数据的复杂性还不止于此。
 
要关注全球或各海盆的变化,仅靠这些原始的观测是不够的,需要将它们处理成全球覆盖的产品。除了测量仪器带来的偏差,在2005年Argo实现较完整的全球大洋上层2000米覆盖之前,由于数据覆盖不足和不均匀,还带来了空间采样的误差。
 
过去的十几年,成里京做了不少工作,从 “故纸堆” 中寻找数据和技术中偏差的线索,提出了XBT系统性偏差的纠正方案,以及新的空间插值技术,并据此重新估计了1960年代以来海洋温度的变化。
 
“我从2008年就开始做这个事情,数据量非常大。比如说从海表到水下700米,每10米一个观测,这一组数据是一条廓线。现在数据库里面大概有上千万温度的廓线,上千万盐度的廓线,所以你可以想象,我们要利用这么大的数据量,解决这些问题,花了特别多的时间。大概十年,到2017年我们才第一次提出了全球海洋变暖的一条时间序列。全球海洋下至2千米的温度变化到底是多少,过去几十年怎样变化的,我们才搞定,所以是非常不容易的,现在仍然也在做这个事情,因为还有其他的问题存在。” 成里京告诉《知识分子》。
 
这的确需要十足的耐心,尤其在国内,这种基础性的数据分析工作并不 “时髦”,往往耗时很长,并不是那种 “挑一块薄木板,凿很多孔” 的工作。
 
“我博士阶段没什么压力,五年时间里三年都没有任何论文发表。但是,如果你一旦是工作了以后,三年没有产出,基本上是活不下去的。” 成里京说。
 
不过,业内都知道的一个现实是,此前中国在数据方面基本没有什么国际话语权。
 
一个直接的例子是,2013年第5次IPCC(政府间气候变化专门委员会)评估报告给全世界决策者看的《决策者摘要——技术摘要》,列出了10个主要的气候变化判断指标,50多个时间序列,没有一个是来自中国的。
 
而在过去的十几年研究中,包括成里京在内的研究者所利用的海洋数据,主要是来自美国的国家海洋数据中心(National Oceanographic Data Center)或其它国际数据中心的数据。
 
“美国的数据管理机制比较完善,包括研究所等各个机构出海观测后的数据大部分都可以公开,最后都会汇集到国家数据中心,然后做数据标准化整编、处理、质量控制、偏差订正之后分享给所有人。他们从上个世纪80年代,到现在做了四五十年了,所以实力非常强。所有人都知道他们做的工作很重要,所以会给稳定的长期的支持。对他们的评判的标准也并不是文章,而是一些服务性的东西。” 成里京说。
 
相反,中国在数据共享、分析方面差距巨大。
 
在2017年9月发表在《中国基础科学》的文章中,几位海洋研究领域的作者们指出——
 
“迄今国际上广泛使用的全球变化有关的全球海洋环境要素的观测数据产品都是国外的产品,我国的贡献几近于无,与大国地位严重不符,也制约了我国科学家利用鲜活的第一手科学数据及时取得原创性科学成果。”
 
好在,这些年中国也意识到这个问题,在大力倡导和推动数据共享。
 
国际合作与话语权
 
幸运的是,在最新发布的《气候变化中的海洋和冰冻圈特别报告》(SROCC)中,成里京等中国学者构建的海洋数据集首次被用到了IPCC报告中。
 
而这一开端离不开长期的努力。
 
成里京至今都清晰的记得,2017年6月29日,他正坐着公交从所里回家,当收到IPCC邀请信时,那种难以抑制、无法言说的激动。
 
这份历时两年的评估报告,共有全球36个国家的104位作者参与,引用了6000篇文献,收到了3万条修改意见。给决策者的摘要简本,100多个国家的代表坐在一起逐行审议,谁有意见就举手,争执不下就开小会,在5天的时间里每天都开会到深夜,最后两天经过50多个小时的连续工作后,才获得通过。
 
 
2019年,成里京参加IPCC海洋与冰冻圈特别报告撰写,与作者们在一起,由受访者提供。
 
这是一段难忘的经历。对于像成里京这样在国内学术环境中成长起来的学者,之前并不习惯和不同年龄、不同背景的人进行学术争论,国内的学术争论也相对较少。
 
“基础研究一定要放到全世界,放开和别人争论,有争论有质疑,才能更好地发现问题、解决问题,我觉得这是我受到冲击相当大的一个地方。” 成里京说。
 
这份已经发布的特别报告,核心信息很明确:“海洋物理环境和生态系统已经发生了并将持续发生系统性的变化;海洋变化已经对人类和生态系统造成了系统性的负面影响,人类需要适应并减缓该影响。”
 
具体到海洋升温,呈现出的信息令人揪心:
 
• 自1970年以来,几乎确定海洋上层2000米在持续增暖。
 
• 1993-2017年间的增暖速率至少为1969—1993年的2倍,体现出显著的变暖增强趋势。
 
• 在20世纪90年代以后,2000米以下的深海也已观测到了变暖信号,尤其是在南大洋(30°S以南)。
 
• 基于耦合气候模型预估,几乎可确定海洋将在21世纪持续增暖,2018—2100年间海洋热含量上升幅度可能是1970—2017年间的5~7倍或2~4倍。
 
• 变暖导致的热膨胀效应贡献了1993年以来全球海平面上升的约 43%。
 
不确定的未来
 
近百年来,人类生产活动消耗着化石燃料,释放了大量的二氧化碳等温室气体。在过去的80万年,大气中二氧化碳的浓度在170-300ppm(1ppm为百万分之一)之间波动。而在2020年,大气二氧化碳的浓度已经超过了415ppm。
 
越来越多的温室气体,就像给地球盖了一层棉被,使得地球气候系统的能量逐渐增加。而在这些增加的能量中,93.4%储存在了海洋中,其余的2%加热陆地,2%加热大气,最后的2%融化冰川、冰盖以及海冰。
 
“如果我们把气候变化比喻成大象,海洋就是大象的身子,而地表温度的上升其实是大象的鼻子,比较灵活、变动也快,而’底盘’其实是在海洋这。” 成里京解释说。
 
如今,海洋升温已是不争的事实,热量正逐步向深海蔓延,上层的海水越来越轻,海洋上下的密度分层更加剧烈,阻隔了氧气、营养物质的交换;与此相伴的,海洋的盐度也发生着变化,咸的地方更咸,淡的地方更淡;而海洋的酸化也在导致珊瑚礁的消失,物种的灭绝。
 
过去的这些年,海洋升温导致的危害也频频被报道。威尼斯在本世纪已经发生了2次水淹;因为海洋热浪,2017年大约1亿尾太平洋冷水鳕鱼消失,刚刚过去的2020年又发生了一次。温度每升高一度,大气中的水汽含量便增加7%,进一步给台风和飓风添加燃料。
 
当然,还有平均海平面的上升。
 
从1993年到现在,海平面已经增长了75毫米,其中的40%由海水变暖的受热膨胀导致。由于海洋的升温有滞后,本世纪海洋的变暖也将不可避免。如果《巴黎协定》的目标能够实现,2100年海平面估计将上升0.43米,到2300年上升1米;但如果仍不加限制,2100年海平面将上升0.84米,2300年将上升到3.5米,超过一层楼的高度。而海平面上升导致的极端事件,包括咸潮、风暴潮也将明显增多。
 
“我们在海洋和冰冻圈报告里提到,以前百年一遇的极端海平面事件,在2050年将变成每年一遇。这是一个非常可怕的数字,所以,我记得非常清楚。” 成里京说。
 
吸收了大量热量的海洋,也许会像一头发烧的大象,变得狂暴而反复无常,冲击城市,屠戮生灵。如果不加遏制,未来的海,也将不再是那个孕育了万千生命的、生机勃勃的海。
 
参考资料:
 
1. Special Report on the Ocean and Cryosphere in a Changing Climate, https://www.ipcc.ch/srocc/
 
2. Cheng L., J. Zhu*, R. Cowley, T. P. Boyer and S. Wijffels, 2014: Time, Probe Type, and Temperature Variable Bias Corrections to Historical Expendable Bathythermograph Observations. J. Atmos. Oceanic Technol., 31(8), 1793- 1825, https://doi.org/10.1175/JTECH-D-13-00197.1
 
3. Cheng L.*, K. E. Trenberth, J. T. Fasullo, T. Boyer, J. Abraham, J. Zhu, 2017: Improved estimates of ocean heat content from 1960 to 2015, Science Advances, 3, e1601545. http://dx.doi.org/10.1126/sciadv.1601545
 
4. 张斌,王凡,成里京,王鑫,张冬生,赵苑,李学刚,陈昇,王秋璐.海洋环境变化关键参数观测数据处理方法和产品研制[J].中国基础科学,2017,19(05):6-11.
 
5. 蔡榕硕 , 谭红建 . 海平面加速上升对低海拔岛屿、沿海地区及社会的影响和风险 [J]. 气候变化研究进展 , 2020, 16 (2): 163-171 Cai R S, Tan H J. Impacts and risks of accelerating sea level rise on low lying islands, coasts and communities [J]. Climate Change Research, 2020, 16 (2): 163-171
 
6. Barbeaux, S., and Coauthors, 2019: Chapter 2: Assessment of the Pacific cod stock in the Gulf of Alaska. GOA Pacific Cod, https://archive.fisheries.noaa.gov/afsc/refm/stocks/plan_team/2019/GOApcod.pdf.



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