中国数字科技馆 2019-04-19
对于过去100多年气候变化的认识，一直有一朵挥之不去的阴云，因为所有评估气候变化的观测站点主要集中在北半球大陆地区的陆地表面，而占地球表面积71%的海洋表面及内部不仅站点稀疏，而且观测时间短，这使得我们对全球变化的大量研究和主要认知集中在陆地表面和大气中，也使得全球温度序列很有可能存在较大的偏差。最近关于海洋资料的分析，让这朵“阴云”逐渐散去，揭示了一个惊人的事实：全球海洋正加速增暖!
如果让外星人给地球起个名字，“水球”或者“蓝球”应该是不错的选择，在宇宙中地球看起来就是一颗蓝色的水球，海洋覆盖了地球表面积的约71%，平均厚度达4千米，储存着97%的水资源。海洋总质量达到1.4×10^18吨，与之相比，大气总质量仅为5×10^15吨，仅为海洋总质量的0.36%。进一步考虑到海水的比热容远大于大气与陆地表面，因此海洋的热储存能力更强，是全球变化的主要调节器。
图1. 气候系统中的各分量和重要的过程，海洋是气候系统的关键组成部分。图片来自Neelin (2010) 《Climate Change and Climate Modeling》
进入地气系统的太阳辐射，经过大气、云层和表面的反射，以及大气层的吸收之后，只有约51%可以加热地球表面，其中的70%被海洋吸收，然后再以长波辐射、潜热感热等多种能量形式释放出去。在过去100多年里，全球温室气体逐渐增加，使地球系统“困住”了更多的热量，直接驱动了全球变暖，这些能量90％以上都存储在海洋中，因此海洋热含量变化是气候变化的一个核心指针：全球变暖事实上是海洋变暖。当考虑全球能量或热量变化时，甚至可以忽略大气和陆地表面温度的变化，只分析海洋热容量的变化，也可较为准确地了解地球气候系统的变化状况。
地球表面分布着数以万计的气象观测站(图2)，其中历史最悠久的观测站已经有长达200多年的连续观测，这些历史观测对于了解过去一百多年，尤其是最近50多年的陆地表面气候变化，发挥了至关重要的作用。然而，这些观测站主要分布在北半球大陆地区，即使在大陆地区，也因为沙漠、森林和冰川等存在，站点分布并不均一，因此基于陆地表面计算的全球温度，只反映了整个气候系统的一个方面，很有可能存在较大的偏差，这是研究全球气候变化挥之不去的阴影，比如近些年研究表明，由于北极地区观测较少，使得全球表面温度估计长期趋势被低估，因为极区放大效应，导致极区气候变化幅度更大。
图2. 全球地球表面观测站点的分布。图片来自于世界气象组织（https://www.wmo-sat.info/oscar/）
随着全球温室气体浓度数值不断攀升，全球温度增加已经成为既定事实，而海洋变暖多少的问题一直没有得到有效的解决，这主要是源于过去海洋观测数据的不足，不仅数量偏少，而且质量不佳（图3）。除了在长期气候变化监测上需要海洋数据，要深刻理解诸如“厄尔尼诺”、“拉尼娜”、南极绕极流、北大西洋震荡和太平洋年代际震荡等海洋异常现象，也需要详实的海洋资料，同时海洋资料还是季节到年际时间尺度上气候预测的重要依据。
图3. 从上到下依次为1934、1960、1985和2009年海洋次表层观测分布。
红色为南森瓶或CTD(电导率温度深度记录仪)观测、浅蓝色为MBT（机械式深海温度计）观测、深蓝色为XBT（抛弃式测温仪器）观测、绿色为Argo仪器观测。图片来自于Abraham et al. (2013)
从1998 年起，国际上开始筹建Argo(Array for Real-time Geostrophic Oceanography，缩写为Argo，这是希腊神话中英雄Jason所乘船的名字)全球实时海洋观测网，Argo所用的自动剖面浮标是一种圆柱体状的自沉浮装置，长约1.5米、重45公斤左右（图4）。一旦投放入海，浮标会自动下潜至1000米水深，随着洋流漂移数天（一般为10天），再次下潜1000米，抵达2000米深度后慢慢上升，回到海洋表面，并在上升过程中利用自身携带的电子传感器，逐层测量海水的温度和盐度等海洋环境数据。当浮标到达海面后，会自动将定位及测量的数据发送给卫星，再中继给各数据中心，之后，浮标又会再次下潜，进入下一个观测循环。这种浮标具有无须日常维护、不易受到人为损坏的优点，可以长期、自动、实时和连续获取大范围、深层海洋资料，被视为"海洋观测手段的一场革命”。Argo所用的浮标可以在茫茫大海上自动运行4～5年，直到浮标自带的电池容量耗尽为止，通常一个浮标在其生存期内可以获得140-180条剖面。
图4. Argo浮标
Argo计划自2000年正式实施以来，全球包括美国、澳大利亚、法国、英国、德国、日本、韩国、印度和中国等世界上近40个国家和团体在全球海洋共布放了超过14000个Argo浮标，组成了全球Argo实时海洋观测网，从而真正意义实现了对全球海洋中上层的实时观测。目前全球海洋内部正漂流着3925个Argo浮标（2019年1月6日，图5），为全球海洋状态提供持续实时的监测。
图5. 最新的全球Argo浮标的分布，全球有将近4000个浮标对海洋进行连续不断的观测，为国际社会提供了超过200万幅来自大洋的海洋环境图像。
随着“核心Argo”网的建成，并随着剖面浮标技术的不断创新发展，该计划又提出继续向有冰覆盖的两极海区、赤道、西边界流区和重要边缘海（包括日本海、地中海、黑海、墨西哥湾和南中国海等）拓展，并派生出了“生物地球化学Argo（BGC-Argo）”和“深海Argo（Deep-Argo）”等两个子计划。早期的Argo浮标无法在冰覆盖海区进行观测，今天装备有探冰传感器的浮标可以待浮标漂移到无冰海区后，再浮出水面发送观测资料；也可以把资料暂时储存起来，等夏天冰盖融化后再把资料发回地面。如今，Argo数据已经成为海洋和大气研究中重要的数据来源和参考依据。
Argo资料真正丰富起来是在2005年之后，在此之前的海洋观测主要依靠船舶，不仅观测稀少，而且主要分布在北半球中纬度航线较为丰富的区域（图3）。海洋观测数据不足，如何估算此前的海洋状况呢？科学家永远无法穿越到上世纪重新对全球海洋中上层进行精细的测量，因此，如何深刻挖掘旧有的资料，重新获得关于过去100多年，尤其是过去50多年的海洋中上层热含量的变化状况，成为进行气候变化研究重要的研究课题。海洋数据领域科研人员一直在持续不断的改进旧数据的质量、发展新的技术以更准确的重构过去海洋的状态。…
