全球變化的秘密都藏在海洋里

過去30年關於全球變暖的研究，揭示了「過去100多年人類活動導致溫室氣體增加，引起全球變暖」這一現象，看似是個確定的研究，但是裡面還有不好的疑雲，比如：為什麼上世紀40年代到70年代末全球溫度降低？為什麼上世紀90年代末到本世紀初全球溫度增暖緩慢？這些問題得不到解決，終究會讓全球變暖的研究顯得「疑雲重重」。不過最新的研究揭示了一些全球變化的細節問題，烏雲正在散去。

全球變暖研究「烏雲密布」

19世紀的最後一天，英國倫敦，在皇家科學院年會上，著名物理學家威廉.湯姆生（1st Baron Kelvin，又稱開爾文勛爵Lord Kelvin）發表了新年祝詞，深邃的目光直視下一個世紀，他說：「晴朗的天空遠處，還有兩朵令人不安的烏雲，它們的存在使得物理學的優美性和明晰性黯然失色」。

這兩朵烏雲的解決後來產生了量子理論和相對論，愛因斯坦、普朗克等科學巨匠走上歷史舞台，物理學大踏步進入一個新的時代。

在全球氣候變化的研究上，這樣的「令人不安的烏雲」一直存在。

對於氣候變化，在過去30年裡，科學家們的觀點是明確和基本一致的，其主要內容為：

• 全球溫度正在變暖，1880~2012年間，全球氣溫上升了約0.85℃。

• 這次變暖是溫室氣體所帶來的溫室效應所導致的，而溫室氣體增加主要來自於人類活動的化石燃料燃燒。

• 必須採取應對措施，否則，全球變暖可能會在廣泛區域引起災害性結果。

圖1. 1900-2014年全球溫度變化序列，數值為氣候平均值（1961~1990年平均）的偏差，在長期增暖的趨勢上，疊加有明顯的階段性特徵：20世紀前期的快速增暖（1908-1945，多套資料集成趨勢為0.149℃/10年）、20世紀中期的降溫（1940-1976，-0.033/10年）、20世紀後期的快速增暖（1975-1998，0.163℃/10年）和20世紀初的增暖減緩（2001-2012，0.029℃/10年），總平均增溫趨勢為0.797℃/100年，豎直虛線表示幾次大的火山爆發，圖片來自於Yao et al. (2017)

然而，魔鬼往往藏在細節里，仔細檢查全球溫度變化的時間序列，存在不少問題還沒有得到回答，這些問題得不到解決，影響「人類活動引起全球變暖」這一科學論斷的權威性。

• 從1900到1945年期間存在快速增暖，那時候溫室氣體量才剛剛開始增加，其溫室效應引起的增溫幅度應該是有限的。

• 從40年代到70年代末，全球工業化進展迅速，溫室氣體排放量持續增加，然而這段時間全球溫度呈現出降溫趨勢。

• 從90年代末到2013年是全球溫室氣體增加最多是時段，然而這段時間全球溫度增加量非常有限，難道增溫結束了？

從30年前全球變暖的研究開始，前兩個問題就一直存在，而後面這個問題隨著「全球變暖停滯」（global warming hiatus）這樣的話題興起，使得全球變化領域內更加「烏雲密布」。

這幾個細節問題並不能通過溫室氣體的增加來解釋，成為氣候變化研究中的癥結，被反氣候/質疑氣候變化者所利用，提出一些列反對氣候變化研究的觀點，例如：

1. 根本就沒有全球變暖這回事

2. CO2和溫度之間沒有相關性

3. 氣候處於混沌狀態，不可預測

4. CO2增加對氣候影響很小，甚至沒有什麼影響

2017年6月12日，《Nature Climate Change》在線發表中科院大氣所和澳洲氣象局科學家的國際合作研究成果，題目為「Distinct global warming rates tied to multiple ocean surface temperature changes」，這項研究揭示了全球變暖速率在幾十年時間尺度上變化的成因，全球變暖研究的「烏雲」有逐漸褪去的跡象。

是的，解決全球變暖的「烏雲」，秘密來自於海洋。

圖2. 氣候系統中的各分量和重要的過程，海洋是氣候系統的關鍵組成部分，圖片來自Neelin (2010) 《Climate Change and Climate Modeling》

地球是一顆藍色的水球，海洋覆蓋了地球表面積的約71%，平均厚度達4千米，儲存著97%的水資源。

進入地氣系統的太陽輻射，經過大氣、雲層和表面的反射，以及大氣層的吸收之後，只有約51%可以加熱地球表面，其中的70%被海洋吸收。

海洋總質量達到1.4×10^18噸，與之相比，大氣總質量僅為5×10^15噸，僅為海洋的約0.36%，並且海洋的比熱容遠大於大氣與陸地表面，其對熱量的吸收和釋放的微小變化，都有可能通過大氣環流影響到全球溫度。

因此海洋成為整個氣候系統中最重要的熱容器，是地球氣候系統最有力和最直接的調節器，對氣候平均態的形成和各種尺度的氣候變率都發揮著顯著的調製作用。

在20世紀以來全球溫度漸進上升的過程中，海洋起到了重要的作用。

這個研究的主要結論為：在溫室氣體排放增加所造成的全球增暖過程中，全球海洋同步增暖或者各海盆間海溫異位相變化決定了全球溫暖化速率在幾十年時間尺度上的變化細節：20世紀以來的兩次全球變暖加速與全球海洋同步增溫有關，而降溫或增暖減緩事件則是由於多數海洋降溫或海盆間海溫異位相變化所造成的，在全球溫度的階梯升高過程中，海洋確實發揮了協調器的作用。

在20世紀前期的快速增暖期（1908-1945）和20世紀後期的快速增暖期（1975-1998）有非常明顯的海溫增加，而在20世紀中期的降溫期（1940-1976）和21世紀初的增暖減緩期（2001-2012）全球大部分地區海溫降低，這在多套資料中得到證實，用幾種不同的計算方法，也印證了這幾個時間段的溫度趨勢。

圖3. 利用MLOST陸地氣溫和海洋表面溫度(HadCRUT4)資料估算的20世紀前期的快速增暖期（1908-1945）、20世紀中期的降溫期（1940-1976）、20世紀後期的快速增暖期（1975-1998）和20世紀初的增暖減緩期（2001-2012）的全球溫度變化，其中點表示通過信度檢驗區。

為了與觀測數據相比較，這項研究還利用到了第五次耦合模式比較計劃（CMIP5）中來自於42個模式的128個歷史模擬結果，9個模式中只有溫室氣體強迫的35個模擬結果，10個模式中只有自然強迫驅動的38個模擬結果，以及5個模式中只有人為氣溶膠驅動的21個模擬結果，這些海量的模式模擬數據為觀測數據提供了印證，也證實了目前國際主流的數值模式具有較好的模擬真實氣候變化的能力。

為了分析每一具體海盆海溫在全球變暖中的作用，把大洋分為以下6個部分：TPO（熱帶太平洋）、NPO（北太平洋）、TAO（熱帶大西洋）、NAO（北大西洋）、TIO（熱帶印度洋）和SOC（南大洋），這一項研究還利用德國馬普氣象研究所的大氣環流模式（ECHAM5.4.1） 做不同海盆的海溫驅動的數值模擬，比如做TPO實驗，即只在TPO海區用各個增速和減速時間段的實際海溫變化趨勢加氣候態海溫，而在其他地方用氣候態海溫，驅動大氣環流模式，同時溫室氣體含量固定不變，這樣得到的趨勢變化，即反映了TPO海溫變化在全球溫度變化中的作用。

圖4. 數值模擬的溫度基於以下海溫驅動：Glb（全球海溫）、TPO（熱帶太平洋）、NPO（北太平洋）、TAO（熱帶大西洋）、NAO（北大西洋）、TIO（熱帶印度洋）和SOC（南大洋）

圖5. 在四個時期觀測和數值模擬的全球（上圖）和陸表（下圖）的溫度變化趨勢，其中數值模擬的溫度基於以下海溫驅動：Glb（全球海溫）、TPO（熱帶太平洋）、NPO（北太平洋）、TAO（熱帶大西洋）、NAO（北大西洋）、TIO（熱帶印度洋）和SOC（南大洋）

因此包括熱帶太平洋的多個海洋的海溫變化，共同決定了全球變暖在幾十年時間尺度上的速率，值得注意的是，在20世紀中期降溫時期，降溫主要來自於TPO（熱帶太平洋）和NAO（北大西洋）的影響。而21世紀初的增暖減緩，主要是TPO（熱帶太平洋）區海溫影響，這個區域在21世紀初產生了明顯的降溫，但是熱帶太平洋所引起的全球變冷效應完全被印度洋和大西洋升溫所引起的全球變暖效應抵消。

思考人類活動的影響

如果進一步把各個時期各個海區海溫變化的原因進一步細分，分為溫室氣體（GHG）、人為氣溶膠（AA）和自然變率（Natural），自然變率包含了眾多的因子，比如太陽活動變化引起的輻照度變化、火山活動引起的平流層氣溶膠增加，以及氣候系統內部的變化，例如洋流的變化、海盆之間的相互作用、熱帶和熱帶外相互作用等等。這些自然變化過程中，有些周期固定，例如太陽11年周期，有些周期並不固定，例如火山活動，有些具有非常長的周期變化，從幾十年周期的北大西洋年代際振蕩(AMO)、太平洋海溫年代際振蕩(PDO)，到長達數百到千年的大西洋經向翻轉環流（AMOC），因此最終反映到全球各海洋溫度變化上，很有可能是多種因子的影響。

圖6. 全球溫鹽環流，各個層次和區域的周期和影響並不同，圖片來自於Kuhlbrodt et al. (2007)

引起20世紀中期的降溫主要來自於熱帶太平洋和大西洋的海溫降低，而進一步分析表明，人為氣溶膠（AA）在這兩個海區溫度變化中起到重要作用，其作用占降溫的主要部分，降溫程度超過了人為溫室氣體增加導致的影響，自然變率起到的作用非常小，在其他海區也能識別出人為氣溶膠引起的強烈的降溫作用，因此20世紀中期人為氣溶膠引起了全球海表溫度的降低。而引起21世紀初增暖減緩的主要是熱帶太平洋海區溫度降低，其原因目前不能被多模式集合平均的模擬結果所解釋，其成因（包括自然變率和外部強迫）有待進一步研究。

圖7. 以下海區在四個時期（a,b,c,d）的觀測、外源強迫數值模擬和區分三種強迫（GHG：溫室氣體，AA：人為氣溶膠，Natural：自然變率）的海溫變化趨勢：Glb（全球海溫）、TPO（熱帶太平洋）、NPO（北太平洋）、TAO（熱帶大西洋）、NAO（北大西洋）、TIO（熱帶印度洋）和SOC（南大洋）

20世紀中期全球人為活動引起氣溶膠飆升，這與全球發達國家的快速工業化過程密切相關，在那段氣溶膠飆升的日子裡，爆發了著名賓夕法尼亞州多諾拉（Donora）污染事件、倫敦煙霧事件、洛杉磯光化學煙霧事件等，引起了全球環境保護運動和對環境保護的重視，1956年英國頒布《清潔空氣法》，1963年美國頒布《清潔空氣法》，1974年德國頒布《聯邦污染控制法案》。具有標誌性意義的是聯合國於1972年6月12日在斯德哥爾摩召開了「人類環境大會」，在這次大會上各國簽署了「人類環境宣言」，開始了環境保護事業。

在環保事業中，有位女作家功不可沒，1962年美國女作家蕾切爾·卡遜（Rachel Carson）的《寂靜的春天》出版，在全世界喚起了人們的環境意識，成為的環境保護運動中具有里程碑意義的事件，儘管她兩年後死於乳腺癌，1980年，美國第三十九任總統傑米·卡特依然追授她「總統自由獎」。

圖8. 二戰以後，洛杉磯飽受光化學煙霧折磨，1948年聖誕節重度污染的天空，嚴重的污染促使美國1963年頒布《清潔空氣法》，立法通過30年後，美國的空氣質量才根本好轉起來。

儘管人類活動引起全球氣溶膠量超高已經成為往事，但是人類活動的影響又製造出溫室氣體的超高數值，2017年5月16日，美國夏威夷莫納羅亞山（Mauna Loa）觀測站的二氧化碳數值飆升到411ppm以上，一舉成為過去80萬年來的最高數值，甚至很有可能是過去200-300萬年的最高數值。溫室氣體增加帶來新的危急，其引起的全球增暖與海洋的變化相互影響，共同決定了全球溫度的數值。

圖9. 2017年5月16日，夏威夷莫納羅亞觀測站測量的二氧化碳濃度超過411 ppm，是過去80萬年裡的最高值。研究進一步估計，這可能是過去200~300萬年裡最高的數值。圖片來自於https://scripps.ucsd.edu/programs/keelingcurve/。

2015至2016年，在赤道東太平洋的廣袤海域形成了一次強的El Nino事件，東太平洋區域最高增溫幅度超過2.3度，持續時間長達19個月，被認為是繼1982-83和1997-98以來持續時間最長強度最大的El Nino事件，受這次事件的影響，全球變暖在2014、2015和2016年屢創新高，多個機構相繼發布研究結果，認為這三年分別為有現代觀測記錄以來全球溫度第3、第2和第1高的三年。

因此隨著GHG排放的持續增加，儘管未來全球變暖可期待，但是考慮到各海盆海溫變化的複雜性，有可能與GHG引起的增暖同步，也有可能與增暖非同步，這就使得對於未來的預估更為複雜，一旦二者增暖同步，引起的全球變暖速率必將超過目前，後果難以想象，因此進一步研究深入了解各洋盆海溫對溫室氣體增加的響應、氣候自然變化，以及各洋盆之間的相互影響等，才有助於改進百年尺度上全球變暖率的預估精度，從而更好地幫助實現2015年12月巴黎氣候協定1.5度閾值的目標。

在一個水球上，氣候變化的大多數秘密都藏在海洋里

參考文獻

Kuhlbrodt, T., A. Griesel, M. Montoya, A. Levermann, M. Hofmann, and S. Rahmstorf, 2007: On the driving processes of the Atlantic meridional overturning circulation. Rev. Geophys., 45. doi:10.1029/2004rg000166

Neelin, J. D., 2010: Climate change and climate modeling. ed. Cambridge University Press, 304pp.

Yao, S.-L., J.-J. Luo, G. Huang, and P. Wang, 2017: Distinct global warming rates tied to multiple ocean surface temperature changes. Nature Clim. Change, advance online publication.

https://www.nature.com/nclimate/journal/vaop/ncurrent/full/nclimate3304.html .

延伸

在面對氣候災害時，各個國家基礎設施和適應能力差別巨大，最貧窮的發展家和窮人是氣候變化的最大受害者，是否採取具體措施應對全球變暖，涉及到眾多發展家解決飢餓、貧窮和社會穩定問題，2015年底，世界銀行發布的一份報告顯示，如果不採取應對氣候變化的措施，到2030年會有1億人口因氣候影響重新陷入貧困。

（http://www.worldbank.org/en/news/feature/2015/11/08/rapid-climate-informed-development-needed-to-keep-climate-change-from-pushing-more-than-100-million-people-into-poverty-by-2030 ）

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