作者：魏科、黄刚、罗京佳（中国科学院大气物理研究所）
19世纪的最后一天，英国伦敦，在皇家科学院年会上，著名物理学家威廉.汤姆生（1st Baron Kelvin，又称开尔文勋爵Lord Kelvin）发表了新年祝词，深邃的目光直视下一个世纪，他说：“晴朗的天空远处，还有两朵令人不安的乌云，它们的存在使得物理学的优美性和明晰性黯然失色”。
这两朵乌云的解决后来产生了量子理论和相对论，普朗克、爱因斯坦等科学巨匠走上历史舞台，物理学大踏步进入一个新的时代。
在全球气候变化的研究上，同样有着“令人不安的乌云”，直到最近“乌云”才逐渐散去。
全球变暖研究“乌云密布”
对于气候变化，在过去30年里，科学家们的观点是明确和基本一致的，其主要内容为：
(1) 全球温度正在变暖，1880~2012年间，全球气温上升了约0.85℃。
(2)这次变暖是温室气体所带来的温室效应所导致的，而温室气体增加主要来自于人类活动的化石燃料燃烧。
(3)必须采取应对措施，否则，全球变暖可能会在广泛区域引起灾害性结果。
1900-2014年全球温度变化序列，数值为气候平均值（1961~1990年平均）的偏差，在长期增暖的趋势上，叠加有明显的阶段性特征：20世纪前期的快速增暖（1908-1945，多套资料集成趋势为0.149℃/10年）、20世纪中期的降温（1940-1976，-0.033/10年）、20世纪后期的快速增暖（1975-1998，0.163℃/10年）和20世纪初的增暖减缓（2001-2012，0.029℃/10年），总平均增温趋势为0.797℃/100年，竖直虚线表示几次大的火山爆发，图片来自于Yao et al. (2017)
然而，魔鬼往往藏在细节里，如果仔细检查全球温度变化的时间序列，你就会发现这里存在不少问题还没有得到回答：
1）从1900到1945年期间存在快速增暖，那时候温室气体量才刚刚开始增加，其温室效应引起的增温幅度应该是有限的。
2）从40年代到70年代末，全球工业化进展迅速，温室气体排放量持续增加，然而这段时间全球温度呈现出降温趋势。
3）从90年代末到2013年是全球温室气体增加最多是时段，然而这段时间全球温度增加量非常有限，难道增温结束了？
从30年前全球变暖的研究开始，前两个问题就一直存在，而后面这个问题随着“全球变暖停滞”（global warming hiatus）这样的话题兴起，使得全球变化领域内更加“乌云密布”。而这些问题得不到解决，直接影响着“人类活动引起全球变暖”这一科学论断的权威性。
这几个细节问题并不能通过温室气体的增加来解释，成为气候变化研究中的症结，被反气候/质疑气候变化者所利用，提出一系列反对气候变化研究的观点，例如：
1.根本就没有全球变暖这回事
2.CO2和温度之间没有相关性
3.气候处于混沌状态，不可预测
4.CO2增加对气候影响很小，甚至没有什么影响
2017年6月12日，《Nature Climate Change》在线发表中科院大气所和澳洲气象局科学家的国际合作研究成果，题目为“Distinct global warming rates tied to multiple ocean surface temperature changes”，这项研究揭示了全球变暖速率在几十年时间尺度上变化的成因，全球变暖研究的“乌云”逐渐褪去。
来自海洋的秘密
是的，解决全球变暖的“乌云”，秘密来自于海洋。
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》
地球是一颗蓝色的水球，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。
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。
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，仅为海洋的约0.36%，并且海洋的比热容远大于大气与陆地表面，其对热量的吸收和释放的微小变化，都有可能通过大气环流影响到全球温度。
因此海洋成为整个气候系统中最重要的热容器，是地球气候系统最有力和最直接的调节器，对气候平均态的形成和各种尺度的气候变率都发挥着显著的调制作用。
在20世纪以来全球温度渐进上升的过程中，海洋起到了重要的作用。
由大气所LASG国家重点实验室黄刚团队与澳大利亚气象局罗京佳研究员共同完成的这项研究主要有以下结论：
在温室气体排放增加所造成的全球增暖过程中，全球海洋同步增暖或者各海盆间海温异位相变化决定了全球温暖化速率在几十年时间尺度上的变化细节：20世纪以来的两次全球变暖加速与全球海洋同步增温有关，而降温或增暖减缓事件则是由于多数海洋降温或海盆间海温异位相变化所造成的，在全球温度的阶梯升高过程中，海洋确实发挥了协调器的作用。
在20世纪前期的快速增暖期（1908-1945）和20世纪后期的快速增暖期（1975-1998）有非常明显的海温增加，而在20世纪中期的降温期（1940-1976）和21世纪初的增暖减缓期（2001-2012）全球大部分地区海温降低，这在多套资料中得到证实，用几种不同的计算方法，也印证了这几个时间段的温度趋势。
利用MLOST陆地气温和海洋表面温度(HadCRUT4)资料估算的20世纪前期的快速增暖期（1908-1945）、20世纪中期的降温期（1940-1976）、20世纪后期的快速增暖期（1975-1998）和20世纪初的增暖减缓期（2001-2012）的全球温度变化，其中点表示通过信度检验区。
为了与观测数据相比较，这项研究还利用到了第五次耦合模式比较计划（CMIP5）中来自于42个模式的128个历史模拟结果，9个模式中只有温室气体强迫的35个模拟结果，10个模式中只有自然强迫驱动的38个模拟结果，以及5个模式中只有人为气溶胶驱动的21个模拟结果，这些海量的模式模拟数据为观测数据提供了印证，也证实了目前国际主流的数值模式具有较好的模拟真实气候变化的能力。
为了分析每一具体海盆海温在全球变暖中的作用，把大洋分为以下6个部分：TPO（热带太平洋）、NPO（北太平洋）、TAO（热带大西洋）、NAO（北大西洋）、TIO（热带印度洋）和SOC（南大洋），这一项研究还利用德国马普气象研究所的大气环流模式（ECHAM5.4.1）做不同海盆的海温驱动的数值模拟，比如做TPO实验，即只在TPO海区用各个增速和减速时间段的实际海温变化趋势加气候态海温，而在其他地方用气候态海温，驱动大气环流模式，同时温室气体含量固定不变，这样得到的趋势变化，即反映了TPO海温变化在全球温度变化中的作用。
数值模拟的温度基于以下海温驱动：Glb（全球海温）、TPO（热带太平洋）、NPO（北太平洋）、TAO（热带大西洋）、NAO（北大西洋）、TIO（热带印度洋）和SOC（南大洋）
在四个时期观测和数值模拟的全球（上图）和陆表（下图）的温度变化趋势，其中数值模拟的温度基于以下海温驱动：Glb（全球海温）、TPO（热带太平洋）、NPO（北太平洋）、TAO（热带大西洋）、NAO（北大西洋）、TIO（热带印度洋）和SOC（南大洋）
因此包括热带太平洋的多个海洋的海温变化，共同决定了全球变暖在几十年时间尺度上的速率，值得注意的是，在20世纪中期降温时期，降温主要来自于TPO（热带太平洋）和NAO（北大西洋）的影响。而21世纪初的增暖减缓，主要是TPO（热带太平洋）区海温影响，这个区域在21世纪初产生了明显的降温，但是热带太平洋所引起的全球变冷效应完全被印度洋和大西洋升温所引起的全球变暖效应抵消。
思考人类活动的影响
如果进一步把各个时期各个海区海温变化的原因进一步细分，分为温室气体（GHG）、人为气溶胶（AA）和自然变率（Natural），自然变率包含了众多的因子，比如太阳活动变化引起的辐照度变化、火山活动引起的平流层气溶胶增加，以及气候系统内部的变化，例如洋流的变化、海盆之间的相互作用、热带和热带外相互作用等等。
这些自然变化过程中，有些周期固定，例如太阳11年周期，有些周期并不固定，例如火山活动，有些具有非常长的周期变化，从几十年周期的北大西洋年代际振荡(AMO)、太平洋海温年代际振荡(PDO)，到长达数百到千年的大西洋经向翻转环流（AMOC），因此最终反映到全球各海洋温度变化上，很有可能是多种因子的影响。
全球温盐环流，各个层次和区域的周期和影响并不同，图片来自于Kuhlbrodt et al. (2007)
引起20世纪中期的降温主要来自于热带太平洋和大西洋的海温降低，而进一步分析表明，人为气溶胶（AA）在这两个海区温度变化中起到重要作用，其作用占降温的主要部分，降温程度超过了人为温室气体增加导致的影响，自然变率起到的作用非常小，在其他海区也能识别出人为气溶胶引起的强烈的降温作用，因此20世纪中期人为气溶胶引起了全球海表温度的降低。
而引起21世纪初增暖减缓的主要是热带太平洋海区温度降低，其原因目前不能被多模式集合平均的模拟结果所解释，其成因（包括自然变率和外部强迫）有待进一步研究。
以下海区在四个时期（a,b,c,d）的观测、外源强迫数值模拟和区分三种强迫（GHG：温室气体，AA：人为气溶胶，Natural：自然变率）的海温变化趋势：Glb（全球海温）、TPO（热带太平洋）、NPO（北太平洋）、TAO（热带大西洋）、NAO（北大西洋）、TIO（热带印度洋）和SOC（南大洋）
20世纪中期全球人为活动引起气溶胶飙升，这与全球发达国家的快速工业化过程密切相关，在那段气溶胶飙升的日子里，爆发了著名宾夕法尼亚州多诺拉（Donora）污染事件、伦敦烟雾事件、洛杉矶光化学烟雾事件等，引起了全球环境保护运动和对环境保护的重视，1956年英国颁布《清洁空气法》，1963年美国颁布《清洁空气法》，1974年德国颁布《联邦污染控制法案》。具有标志性意义的是联合国于1972年6月12日在斯德哥尔摩召开了“人类环境大会”，在这次大会上各国签署了“人类环境宣言”，开始了环境保护事业。
在环保事业中，有位女作家功不可没，1962年美国女作家蕾切尔·卡逊（Rachel Carson）的《寂静的春天》出版，在全世界唤起了人们的环境意识，成为的环境保护运动中具有里程碑意义的事件，尽管她两年后死于乳腺癌，1980年，美国第三十九任总统杰米·卡特依然追授她“总统自由奖”。
二战以后，洛杉矶饱受光化学烟雾折磨，1948年圣诞节重度污染的天空，严重的污染促使美国1963年颁布《清洁空气法》，立法通过30年后，美国的空气质量才根本好转起来。
尽管人类活动引起全球气溶胶量超高已经成为往事，但是人类活动的影响又制造出温室气体的超高数值，2017年5月16日，美国夏威夷莫纳罗亚山（Mauna Loa）观测站的二氧化碳数值飙升到411ppm以上，一举成为过去80万年来的最高数值，甚至很有可能是过去200-300万年的最高数值。温室气体增加带来新的危急，其引起的全球增暖与海洋的变化相互影响，共同决定了全球温度的数值。
2017年5月16日，夏威夷莫纳罗亚观测站测量的二氧化碳浓度超过411 ppm，是过去80万年里的最高值。研究进一步估计，这可能是过去200~300万年里最高的数值。图片来自于https://scripps.ucsd.edu/programs/keelingcurve/
2015至2016年，在赤道东太平洋的广袤海域形成了一次强的El Nino事件，东太平洋区域最高增温幅度超过2.3度，持续时间长达19个月，被认为是继1982-83和1997-98以来持续时间最长强度最大的El Nino事件，受这次事件的影响，全球变暖在2014、2015和2016年屡创新高，多个机构相继发布研究结果，认为这三年分别为有现代观测记录以来全球温度第3、第2和第1高的三年。
因此随着GHG排放的持续增加，尽管未来全球变暖可期待，但是考虑到各海盆海温变化的复杂性，有可能与GHG引起的增暖同步，也有可能与增暖异步，这就使得对于未来的预估更为复杂，一旦二者增暖同步，引起的全球变暖速率必将超过目前，后果难以想象，因此进一步研究深入了解各洋盆海温对温室气体增加的响应、气候自然变化，以及各洋盆之间的相互影响等，才有助于改进百年尺度上全球变暖率的预估精度，从而更好地帮助实现2015年12月巴黎气候协定1.5度阈值的目标。
参考文献
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
在面对气候灾害时，各个国家基础设施和适应能力差别巨大，最贫穷的发展中国家和穷人是气候变化的最大受害者，是否采取具体措施应对全球变暖，涉及到众多发展中国家解决饥饿、贫穷和社会稳定问题，2015年底，世界银行发布的一份报告显示，如果不采取应对气候变化的措施，到2030年会有1亿人口因气候影响重新陷入贫困。
（文章首发于科学大院，中科院大气所供稿，光明网授权转载）
