新颜医疗美容:IPCC说了什么?(十一)海洋变化与全球变暖

来源:百度文库 编辑:偶看新闻 时间:2019/10/16 17:23:39


讲气候变化,海平面上升是很吸引眼球的新闻。其实大海并不是一个平面,海洋不同地方的海平面高度并不都是相同的,不同的大洋之间的海洋高度能相差不少。人 类关心的,观测到的,实际上是沿岸的海平面。影响沿岸海平面变化的因素非常多,比如潮汐、天气,比如气候变化,还有陆地本身的上升、下降等等,当然不同的 因素有不同的时间尺度。
人类对沿岸海平面变化的观测很早,当然早期资料的代表性普遍不足。地中海的的资料比较好一些,观测到从公元1世纪到1900年的漫长时间里面,地中海的海 平面变化幅度没有超过正负25厘米,或者说基本上是稳定的;这期间地中海的海平面升降的变化速率,基本上都在每年0到2毫米之间。进入近代以后,19世纪 后半期,世界各大洋面都有了观潮仪,这样就有了对所有大洋洋面高度的监测数据。这些历史数据里面能发现明显的海平面加速上升的趋势,但是数据还不足以作定 量分析。全面系统的观潮仪的数据记录是从1961年开始的,观察到1961年到2003年间,全球海平面上升的平均速度是每年1.8+-0.5毫米,这期 间海平面并不是一个单纯的升高,而是有的年头升高,有的年头降低。更加全面的海平面数据是从1993年卫星进行测量开始的,理论上卫星观测可以得到最直接 的海平面观测数据。卫星观测到1993年到2003年间,全球海平面上升速度是每年3.1+-0.7毫米,速度明显比此前加快。但是这个加快仅仅是短期变 化,还是有长期趋势,目前还不好下结论。从观潮仪的记录来看,1993年到2003年的海平面上升速度在1950年代以后就曾经发生过,并不具有唯一性。

三个不同方法重建/观测的海平面数据:红色为从1870年开始的部分观潮仪数据;蓝色为1961年开始的全面观潮仪数据;黑色为1993年开始的卫星数据

和很多气候问题一样,尽管全球海平面呈现了整体的升高趋势,但是各个大洋的海平面变化各有不同。观察到从1992年以来,最大的海平面上升发生在太平洋西 部和印度洋东部,整个大西洋的海平面除了北大西洋部分地区外基本上在上升,但是在太平洋东部部分地区和印度洋西部,海平面实际上在下降。有兴趣的可以关注 一下几个嚷嚷得很厉害的小岛国的位置,看看对他们来讲,问题究竟是不是真的存在,是不是真得很迫切。不同的岛国,情况还是很不同的。

a) 1993-2003年卫星观测到的不同海域的海平面线性变化趋势b) 1993-2003年不同海域因为热膨胀导致的海平面变化线性趋势

有两个主要因素导致海平面变化,一个是陆地上冰川的消融导致海洋的总水量变化,另一个则是海洋自身的热胀冷缩导致海洋的体积发生变化。按照目前的分析水 平,从1961年到2003年,陆地冰川消融导致了海平面上升速度是每年0.7+-0.5毫米,在1993年到2003年间,导致的海平面上升是每年 1.2+-0.4毫米,都不到观察到的海平面实际上升数值的一半。热膨胀呢?目前计算得到的结果,是1961年到2003年间,因为热膨胀导致的海平面上 升是每年0.42+-0.12毫米,从1993年到2003年,是每年1.6+-0.5毫米。陆冰消融与海水热膨胀两个因素加在一起,这两个不同时间尺度 的海平面上升分别是每年1.1+-0.5毫米与每年2.8+-0.7毫米。后者可以说与实际观测的每年3.1+-0.7毫米已经基本上吻合,算是AR4期 间这个领域的一个重大研究成果,但是前者与观测到的每年1.8+-0.5毫米还有差距。1993年以后的分析数据与观测数据基本吻合,说明人们在相关问题 的观测水平和分析水平方面已经比较可靠,认识基本充分;对于1993年以前的数据,由于相关测量数据仍然较少,观测不够全面而导致很多区域的数据缺失,可 能是导致分析误差的重要原因。

a) 1955-2003年观潮仪记录到的不同海域的海平面线性变化趋势b) 1955-2003年不同海域因为热膨胀导致的海平面变化线性趋势

讲到海水的热膨胀,就需要讲海水的温度分布。已经观测到了从1955年以来,海水整体上在升温。不仅仅是前面讲过的0到5米深度的表层海水在升温,实际上 整个海水都在升温。由于海洋的热容量要比大气大出差不多1000倍,所以海洋对热量的吸收能力远远超过地表上的其他因素。实际上由于海洋内能在地表内能里 面所占的比例太大,对海洋内能的观测,几乎就是对全球气候系统内能的观测。下图就是子系统的内能变化估计,蓝色是1961到2003年期间的变化,紫色是 1993到2003年间的变化,可以对各个不同子系统在全球气候系统内能中所占的比例有个直观认识。

不同地表系统在1961-2003(蓝色)和1993-2003(紫色)期间的内能变化情况从上到下分别为海洋、陆地冰川和冰盖、格陵兰冰原、南极冰原、大陆、大气、北极海冰、总和

海洋内能的计算是根据大量的测量数据,通过计算方法对不同历史时期的海洋温度分布进行重建以后得到的。海洋的观测数据来源很广泛,但是不同的数据来源之间 数据质量有很大差别,这就给数据处理带来了很大的难度。人类对海洋的观测的覆盖面也有限,实际上有一些区域的覆盖面积明显不足。这两个主要原因都会对结果 产生不小影响。即使使用同样的数据,不同的研究者使用的构建方法不同,结果也有差别。下面图里面是三个不同研究的结果,应该说三者吻合得还说得过去。综合 一下,从1993年到2003年,0到700米海洋层的内能变化,是0.5+-0.18W/m2(该单位平均到整个地球表面,不仅是洋面),而从1961 年到2003年间,0到3000米海洋层已经吸收了14.1 X 10^22焦耳的能量,相当的平均加热速度是0.2W/m2,0到700米海洋层这期间吸收能量8 X 10^22焦耳,相当于平均升温0.1摄氏度,或者折合平均加热速度0.14+-0.04W/m2。这里面可以看出1993年到2003年期间的变暖速率 比1961年到2003年间的长期趋势要高,但是需要指出这并不是再说每年海洋温度都在升高,一些年份海洋也会冷却的,比如2004年和2005年与 2003年相比海洋都有冷却迹象。

0-700米深度海洋层的内能变化不同颜色为不同研究者的结果

虽然全球海洋观察到了变暖的趋势,但是具体到局部地区,各地的情况都很不同。大西洋的变暖趋势最为明显,在北纬45度以南的海域,整个大西洋基本上在变 暖,由于北大西洋可以发生深翻转环流,所以观察到的大西洋洋盆变暖的深度也要比太平洋、印度洋要深。印度洋除了赤道附近基本上都在变暖。太平洋北部有明显 的冷却,在赤道附近,太平洋西部变暖,东部降温。

1955-2003年不同海洋区域0-700米海洋层内能线性变化线间距为0.25W/m2,红色为增加,蓝色为减少1955-2003年三大洋及平均不同纬度、深度温度变化线性趋势红色为升温,蓝色为降温,细实线间距为每十年0.1摄氏度。粗实线为0

大量陆地冰川的融水进入海洋,不仅会提升海平面,还会改变海水的盐度。实际情况要更加复杂一些,不仅仅冰川融化会影响海水盐度,降水、蒸发、河流流量等等 都会影响海水盐度。全球海水的盐度变化数据还不够充分,不过已经可以给出主要大洋的盐度变化情况。能看出总的趋势是在淡化,但是还不足以进行令人满意的定 量分析。下图显示了1955到1998年间各大洋500米以内海水层的盐度变化情况。可以看出在大西洋南纬15度与北纬42度之间盐度在增加,再向北到北 纬72度,盐度在降低。再向北的数据可靠性不足,还不能下结论。其他两个大洋,太平洋盐度在降低,印度洋海水盐度在增加。由于融化的陆地冰川集中在高纬度 地区,所以高纬度地区的盐度降低应该与这些冰川消融有关系,但是这个现象更多的可能与这些地区降水量增加有关系。而盐度增高的地区,很多都是蒸发性高的地 区,这就与地球的水循环变化达成了一致。目前的大气中水分的模型中,水分从低纬度被输送到高纬度地区,从大西洋输送到太平洋,与这些地区盐度的变化相符 合。

1955-1998年三大洋及平均不同纬度深度盐度变化线性趋势红色为增加,蓝色为减少,细实线间隔为每十年0.01psu。粗实线为0

温度盐度之外,海水还有很多指标在发生变化,特别是二氧化碳有关的变化。人类活动排放的二氧化碳有很大一部分被海洋吸收,这些多出来的二氧化碳就会对海水 造成一些影响。二氧化碳是弱酸,这样,海洋中增加的二氧化碳就可能导致pH值降低。有研究比较了1750年与1994年之间的数据,发现全球浅层海水pH 值平均下降了0.1,其中在热带和亚热带地区下降了0.06,在高纬度地区下降了0.12,与海洋从高纬度吸入二氧化碳,在低纬度呼出二氧化碳这样的机制 相符合。由于海水的pH值在7.9到8.3之间,pH值降低之后的海水仍然呈弱碱性。对海水pH值直接的观测也进行了20年,已经发现了速度为每十年 0.02个pH值的下降趋势。海洋的pH值是很重要的,酸化的海水会影响依赖海水中的碳酸钙的海洋生物比如贝壳和珊瑚的生长,会影响海底的沉积,海水表面 pH值的下降还可以导致海洋吸收二氧化碳的能力减弱。

三个不同测量系列的二氧化碳浓度(左)与pH值(右)的变化情况蓝色:欧洲系列;绿色:夏威夷系列;红色:百慕大系列1750-1994年不同区域海洋对人类排放的二氧化碳的吸收

到这里,已经介绍了目前已经观察到的各种大气、冰雪圈以及海洋等方面的变化,很多变量都得出了变化趋势,一些可以得出来变化速率等等。那么这些通过不同的 测量手段和工具所得到的不同的气候现象的变化,之间是否有关系呢?在这些变化里面,是否有什么更加普遍规律呢?这些变化之间,按照我们目前对气候的理解, 是否存在矛盾?

陆地海洋平均温度比较

上图是不同研究者独立得到的地表气温变化趋势、浅层海水温度变化趋势,以及全球夜间海洋温度变化趋势。图上蓝色的线是浅层海水平均温度,从1850年开 始;绿色的线是海洋上空夜间平均温度,从1856年开始;红色的是陆地平均温度,从1850年开始。具体的数值以三组数字1961年到1990年的平均值 为零点。里面的小图,显示的是相同历史时期陆地表面温度异常与海洋表面温度异常的差值。三条曲线虽然各自不同,但是基本上展现了很好的温度变化趋势,包括 19世纪后半期的温度有波动但是相对稳定,从1915年到1945年的全球温度上升,1940到1970年代的全球温度略有下降,以及1979年以后的明 显加快速度的温度升高。在2000至2005年,三个温度都已经明显高出1961-1990年平均值0.4-0.6度,这个升温信号是非常强烈的。仔细考 察这些数据,还可以发现陆地温度的年际变化要比海洋温度的年际变化要大,而1979年以来陆地温度的上升趋势也要快于海洋的温度上升趋势,表现在陆地温度 异常与海洋浅层温度异常的差值已经在增大。这个现象,与海洋的热容量要远远大于陆地的热容量,所以热惯性要大很多,变化迟缓的一般理解是一致的。

冷夜和暖夜出现概率的变化情况

如果全球的平均气温升高,那么具体到每一天的情况,高温的天数就应该增多,低温的天数就应该减少。虽然气候变化复杂,年际变率和地区差异很大,但是全球综 合下来,这样的规律应该是有的。上图显示了分布在全球的202个历史数据比较齐全(超过80%)的站点从1901年到2003年之间对夜晚温度异常的统计 结果。左边这个图,横坐标是夜晚温度出现在最冷的10%的年数比例,显示的是冷夜的情况,右边的图,横坐标是夜晚温度出现在最暖的10%的年数比例,显示 的是暖夜的情况。纵坐标是概率。黑线是1901年到1950年的统计情况,兰线是1951年到1978年的统计情况,橙线代表1979年到2005年。可 以看到对于冷夜的比例,橙线最少,其次是蓝线,最多的是黑线,对于暖夜的比例,橙线最多,蓝线其次,最少的是黑线。不过蓝线和黑线相差不多,而橙线与两者 有较明显的区别。这就是说的确随着全球平均气温的变暖,冷夜的数量在减少,暖夜的数量在增加。更系统的研究认为从1946年起,全球陆地74%的地区冷夜 数量在下降,73%的地区暖夜数量在上升。与此同时,中纬度地区的霜日数量减少也是这一情况的合理反应。

地表以及不同高度大气层的气温变化趋势

高空的气温变化也应该与地表的气温变化相符合。上图是不同高度大气从1950年代以来的温度异常情况,由于早期数据不充分,这里面1979年以后的数据更 加可靠。从上到下,分别是平流层底部,对流层中高层,对流层底部,以及地表的四个气温变化趋势。这里面可以看出来对流层的变暖趋势与地表气温的变化趋势是 基本一致的,只不过温升幅度可能更大一些。气温升高还导致对流层顶的高度更高,这也与观测到的现象相符合。大气气温增加的趋势,与观测到的温室气体总量的 增加,平流层臭氧耗减的变化规律也都是一致的。

南北半球海冰面积变化情况

气温升高也应该带来冰雪圈的退缩。冰雪圈的数据比较多,这里不一一列举。可以肯定地说雪盖、积雪厚度、山地冰川的深度和范围、北冰洋害病范围、常年冻土层 的厚度和温度、季节性冻土的范围、江河湖泊冰期的变化趋势等等,都有气温的变化相符合。上图是1979年以来南北半球平均海冰范围的变化趋势,南半球海冰 (下图)变化不大,可能略有增加,而北半球海冰(上图)长期下降趋势非常明显。

水汽与温度之间的关系也是合理的。气温升高大气中的水含量就应该升高,这一点,已经观测到了大气中水含量的增高,包括对流层上层水汽的增加,全球平均的数 据也显示了一个大气越来越潮湿的长期趋势。比湿,或者说大气中的水含量在全球变暖后出现上升,随着水汽含量上升,强降水事件的数量会广泛增加,很多陆地上 的洪水可能性就会增加,包括在降水总量减少的地区也有这样的趋势。独立观测的海洋盐度变化也支持地球水分循环的变化情况,通过对盐度变化的观察,已经发现 有越来越多的淡水从海洋转移到更低纬度的大气中去,符合变暖情况下的大气水汽运动模型。

全球干旱分布及变化趋势

大气水含量增加的同时,全球干旱面积在扩大,干旱的持续时间在延长,旱情强度在增加。气温升高导致地表水分的蒸发不断增加,导致大气中的水汽含量增加,这 样就有了增加降水的趋势。但是,在地表水份本身有限的区域,在降水不充足的时候,陆地温度升高导致的挥发量增加会导致干旱。积雪场、积雪、大气环流形势以 及风暴路径的变化会对季节性的降水造成影响,从而导致一些地区的干旱。特别在低纬度地区,浅层海水温度的变化、大气环流和降水的变化已经扩大了干旱的区 域。上图是使用帕玛干旱指数衡量的全球干旱情况以及历史变化情况。上部分是世界各个区域1900年到2002年间的干旱指数,下部分是1900年以来干旱 指数的变化情况,红色和橙色表示更加干旱的区域,蓝色和绿色表示变湿的区域,黑色实线是十年平均。在1970年代以来,热带和亚热带地区的干旱已经扩大。 在澳大利亚和欧洲出现的伴随干旱的高温和热浪,可能与这个趋势也有关系。
还有很多可以互相印证互相证实的独立现象,在人类目前对气候的理解下,都是一致的。这些现象都说明了一个问题:地球的确正在变暖。