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橡树村:【读书笔记】IPCC究竟讲了什么？17 冰雪圈

讲气候变化，海平面上升是很吸引眼球的新闻。大海并不是一个平面，人类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，从很多历史文献、地质资料里面能够找到一些蛛丝马迹，当然这些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，基本上是稳定的，这期间海平面升降的变化速率，基本上都在每年0到2毫米之间。观潮仪是很直接的对海平面高度的测量，在世界各大洋面都建立观潮仪要到19世纪后半期才开始的，分析这些历史数据，可以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，而是有升高，也有降低。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。

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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。这个现象很可能与ENSO和NAO有关。ENSO等区域气候指数对海平面的影响是很大的，比如观察到的1997-1998年的海平面急剧波动，很可能就与当年的ENSO有密切关系。与海平面变化同时观测的还有潮水的高度。1975年以来发现极端的高潮位的数量有增多趋势，地区分布非常广泛，但是因为缺乏更长期的纪录，还无法作更全面的分析。高潮位受到大气条件变化的影响较大，高潮位的极端变化和区域气候指数，如ENSO和NAO相关。

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1992年以来的海平面异常

南北纬65度时间的平均。不同颜色为不同卫星的数据

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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凝结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。上一节对于陆地冰川的消融已经有了介绍，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，在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，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，应该是导致分析误差的重要原因。

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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

这样就提到了海水的温度分布。已经观测到了从1955年以来，海水在升温，不仅仅是前面讲过的0到5米深度的表层海水在升温，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。

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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。人类对海洋的感测的覆盖面也有限，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是不错的。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2004年和2005年与2003年相比海洋都有冷却迹象。注意到在1969到1980年间海洋内能有很高速率的上升，随后是1980到1983年更快速率的下降，这期间0-700米海洋层的冷却速度达到了1.2W/m2，这个现象可能与PDO有关。

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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

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两个不同历史时期的海洋温度变化观测点的密度分布

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渗透也要比太平洋、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，与ENSO和PDO看起来有着不小的关系。

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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

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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。

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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。前面讲过，大气中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。

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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

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1750-1994年不同区域海洋对人类排放的二氧化碳的吸收

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