海洋温度变化作为全球变化的一个指标
马丁·J·阿特里尔
普利茅斯大学海洋研究所海洋生物学与生态学研究中心，英国普利茅斯德雷克广场PL4 8AA
1.引言:海洋的作用，3。全球和区域的机制模式和修正海温在最近的偏差100 150年
2.海洋的长期趋势结论:人为温度:历史影响
上下文的引用
1.导论:海洋的作用、机制和偏差的修正
海洋扮演着关键的角色早在1959年，就有人raybet雷竞技最新提出，由于海洋的物理性质和体积，海洋的热含量可能主导着地球热平衡的变化。过去40年收集的数据表明，地球系统总热量的84%是由于海洋变暖造成的，海洋的热容量是大气的1000倍。因此，正如Barnett et al.[2]所述，“如果人们希望理解和解释这种变暖，海洋显然是值得关注的地方”。因此，要理解地球气候的变率和长期变化，就需要估计不同因素的相对贡献raybet雷竞技最新地球的部分地区系统在过去50年里吸收热量。在这段时间内，海洋的能量含量增加了约14.2 x 1022 J(图1，[3])，而大气和陆地的能量含量则<1 x 1022 J，其中57%的变化发生在1993年[3]之后。因此，将热量吸收到海洋将有效地遏制大气中潜在的热量积聚。
海洋温度的两种主要测量方法被用来评估随时间的变化:海表温度(SST)，取自海洋温度
raybet雷竞技最新气候变化:观测到的对地球的影响
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0.01
1961 - 2003
1993 - 2003
图1地球系统不同部分的能量含量变化浅色条是1961年2003年，深色条是1993年2003年。参考文献[3]及其论文数据。1961 - 2003年期间海洋的数值为14.2 x 1022 J, 1993 - 2003年期间为8.11 x 1022 J。
海表温度综合了较大水柱深度(高达3000米)的测量结果。传统上，海表温度已经测量了几十年，一直被用作全球海洋温度的主要指标，从而反映了全球表面变暖的总体趋势。然而，与陆地上的温度记录情况不同，由于测量站的固定网络[4]，陆地上的温度记录相对一致和可靠，用于记录海温的方法随着时间和空间的变化[5]。直到20世纪70年代，海水温度的读数都是完全通过船只进行的;1970年以后，测量也使用漂流浮标从20世纪80年代开始，卫星[4]。因此，海温变化的历史记录主要依赖于船舶测量，但多年来方法的变化会影响记录的温度。例如，在海温时间序列的早期(主要是1940年以前)，温度是从船只甲板上未绝缘的桶中记录的，由于船只移动和站立在空中的蒸发效应，这些桶往往会产生略低的温度[6]。随着时间的推移，随着船只越来越高，速度越来越快，冷却效果越来越强，我们引入了一个更微妙的偏差。1940年以后，更大比例的温度记录是使用船只的进水口记录的;这些记录更可能偏向于更高的温度[4]。一般来说，全球和区域海表温度值是通过数据库中所有原始数据记录的平均值计算出来的
(例如，国际海洋大气综合数据集，ICOADS[7])，因此，当主要方法发生时间变化时，或某些实践在一段时间内占据主导地位时，记录中的主要偏差问题就会出现。近年来，许多工作都致力于纠正这些偏差[5,6,8 10]，从而构建了一个更现实的SST在过去150年是如何变化的图景。这些修正的结果改变了原始海温数据的原始趋势，从而改变了我们对全球海洋温度以及全球整体温度模式在二十世纪如何变化的看法。
图2显示了原始海温数据(ICOADS)的趋势，突出显示了20世纪早期的一段寒冷期，随后在20世纪40年代达到峰值。在这个峰值之后，气温趋于再次下降，然后从20世纪60年代末开始上升，这是20世纪气候变化的“熟悉”模式。raybet雷竞技最新图2中最上面的轨迹显示了海温值[9]，该值是根据1941年之前与非绝缘桶相关的偏差进行修正的，该修正允许与二战后使用的混合方法进行校验。这造成了1941年以前气温升高的影响，尽管1945年以前的变暖趋势仍然很明显。然而，Thompson等人注意到了一个主要的o o li
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1880 1900 1920 1940 1960年 1980 2000 1880 1900 1920 1940 1960年 1980 2000 图2 19世纪70年代以来详细的海表温度值。上图为经ENSO波动校正的全球平均海表温度时间序列和1941年以前的方法人工制品(使用甲板桶)。中间，与顶部时间序列相同，但由于采样方法的变化，来自ICOADS的未校正数据突出了1940年之前的明显寒冷期。底部，可以确定来自美国(暗线)和英国(浅线)船只的观测百分比。垂直线表示1941年12月。所有数据集都显示了1945年的明显间断(温度急剧下降)，这是由于取样从美国(发动机进气)转移到英国(铲斗)计划所致。左纵轴为温度异常;刻度表示0.5°C的步长。右纵轴为观测值百分比。图经麦克米伦出版有限公司[自然]从汤普森等人的许可重绘。[9]。 1945年数据的不连续性，当时气温急剧下降，导致20世纪40年代初出现温度峰值(图2，上)。正如预期的那样，两次世界大战期间实现的海表温度测量数量急剧下降(见参考文献[4]中的图1);二战期间，大约80%的测量来自美国船只，这些船只主要依靠机舱进气测量。1945年之后，英国重启了监测计划，但仍然使用无绝缘桶;1945年至1949年之间^50%的观测数据来自英国，只有30%来自美国[9](图2，下)。因此，二战记录的主要方法是偏暖的，1945年期间海温的突然下降与从机舱到桶测量的未经校正的变化相一致，而不是20世纪40年代早期异常温暖，但记录的这一特征在包括海温数据在内的20世纪所有气候模式中都存在。raybet雷竞技最新有趣的是，1940年代早期的这段温暖时期，由于有偏暖的机舱数据占主导地位，是唯一一个高于政府间气候变化专门委员会(IPCC)模型预测[11]的时期，而且在仅使用土地测量时并不明显。raybet雷竞技最新目前对数据的重新评估正在进行中，以纠正这些偏差，但1942年至1945年的记录很可能会向下修正0.3°C，同时在1945年之后立即向上调整数据，在较小程度上，到20世纪60年代也是必要的。自2001年以来，可能需要进一步调整，以适应从基于船舶的海温测量转向基于浮标的海温测量，因为后者倾向于冷偏(~0.1°C)。这可能通过提高最近的海温值[9]来增加百年趋势。 The Met Office Hadley Centre (United Kingdom) is currently assessing adjustments to the dataset to accommodate this range of bias corrections [9]. Overall, this will not change the general pattern of increased warming through the twentieth century, in particular the last three decades, but it is more likely to smooth, or even remove, the current peak in 1940s temperatures. 然而，修正已应用于更近期的数据，以解释由于温度测量方法造成的偏差，在本例中是关于海洋热含量的数据[8,12]，从而改进了对海洋变暖的估计。自1950年以来，利用一系列方法获得了上层海洋的数据，如反向温度计(全周期)、消耗性深海温度计(自20世纪60年代以来)、船上电导率-温度-深度探测器(自20世纪80年代以来)和2001年以来，Argo浮标．这些方法之间的最大差异是XBTs和CTDs[8]之间，XBTs的温偏为0.2 0.4°C;xbt构成了数据集的最大比例。特别是20世纪90年代的速率由于仪器误差[12]而具有正偏差，因此为解释这些近期偏差的范围而调整的温度导致热含量趋势自20世纪50年代以来呈现持续上升的趋势(图3)。Domingues等人[12]表明实际海洋变暖  1950 1960 1970年1980年1990年2000年图3由Domingues等人提出的自1950年以来上层海洋变暖的改进估计，并经麦克米伦出版有限公司许可重新绘制[自然]。粗黑线是应用最近的方法修正后的上部海洋热含量(细线1SD)。折线是海面温度。所有时间序列都用三年的运行平均值平滑，并相对于1961年。 “哦, 1950 1960 1970年1980年1990年2000年图3由Domingues等人提出的自1950年以来上层海洋变暖的改进估计，并经麦克米伦出版有限公司许可重新绘制[自然]。粗黑线是应用最近的方法修正后的上部海洋热含量(细线1SD)。折线是海面温度。所有时间序列都用三年的运行平均值平滑，并相对于1961年。 1950年至2003年的趋势比先前的估计大50%，但1993年至2003年的趋势要小40%左右(因此会影响图1)。值得注意的是(图3)，上层700米的海洋热含量变暖趋势比海温的增长更快。 2.海水温度的长期趋势:历史背景 各种代用指标可以重建海洋温度随地质时间的变化，从而评估全球气候趋势。raybet雷竞技最新特别地，方解石的氧同位素比率(d18O)取决于它从其中沉淀出来的环境水温，因此分析钙质浮游生物化石的壳(如有孔虫和可可-石藻)可以估计过去的海洋表面温度。在地球长期历史的大部分时间里，海洋(和全球气候)都比今天要温暖[14]，并且自白垩纪[15]以来一直在以数百万年的规模逐渐下降。raybet雷竞技最新这对深海来说尤其明显，在过去70 Ma[16]中，深海的温度几乎呈线性下降，至少下降了12℃。在过去的5 Ma中，从温暖的上新世[18]开始，总体的下降趋势也很明显([17]，图4，上)，尽管由于米兰科-维奇循环和冰河时代的开始^2.75 Ma，随着时间的变化有所增加;最近的间冰期温度峰值几乎与>3 Ma前明显的温暖温度相匹配(图4，上)。 然而，目前的间冰期几乎没有退缩的迹象(图4，中):尽管在8200年前有一个明显的原始峰值，但最近温度再次上升，2001年至2005年的平均海温温度在过去1.4 Ma期间是最高的(图4，中;[20])。  2928 25 135 c ３ ２ 时间现在之前/马  9cc 45c 3cc 15c 现在之前的时间/ka 1S70 2005日期 现代海温  现代海温 1 cc 15毫升 19 cc 700 1100 图4顶部，Lisiecki和raybet雷竞技最新Raymo[17]的气候记录，结合57个全球分布的深海沉积物岩心的测量数据构建。原始数字由Robert A. Rohde of Global Warming Art从已发表的数据(http://www.globalwarmingart.com/wiki/Image:FiveMyr Clima te Change Rev png)。西赤道太平洋的中期、现代海面温度与古气候代理数据的比较。raybet雷竞技最新现代数据是5 a的运行平均值，而古气候数据的分辨率为1000 a。图重绘自Hansen et al.[20raybet雷竞技最新]，版权(2006)美国国家科学院。来自冰岛沉积物岩心的烯酮数据重构了过去2000年a的温度结构。实线是10点运行平均值，细线表示温度数据的范围。重绘自Sicre et al.[23]经Elsevier许可。 然而，偏离这一总体模式的变化是明显的，热带太平洋西部在过去10000年里似乎普遍下降了0.5°C。利用沉积物岩心[22]中的Mg/Ca比值和球石藻Emiliania huxleyi[23]中的烯酮生物标记物等技术，还重建了过去2000年的海洋温度趋势，提供了有关最近趋势的历史背景的更多细节。大多数数据集显示了900 - 1300年左右的中世纪温暖期趋势，从这一时间点开始海洋温度普遍下降[24]，这一趋势在上个世纪已明显逆转。切萨皮克湾的记录表明，气候系统最近的异常行为超过了2000年创纪录的[22]，这种现代的温度上升在冰岛[23]附近的记录中要近得多raybet雷竞技最新(但同样显著)，此前的海洋温度自1300年以来一直在稳步下降(图4，底部);现代记录的温度相当于中世纪温暖时期的温度。 3.过去100-150年全球和区域海水温度的格局 自19世纪后期以来，全球海温趋势可以划分为几个清晰的时期(图2)，尽管一些年代年趋势的幅度和清晰度部分是由于第1节中讨论的采样人工成果[5,6,8,9,12]。二十世纪早期普遍见证了1910年前后海温温度下降的趋势，现在主要归因于来自大气气溶胶的持久影响大型火山爆发如喀拉喀托火山(1883)和圣玛丽亚(1902)([4,9,25,26];(见第4章)，火山冷却的特征在20世纪中期的次表层海洋温度中清晰可见。个别火山爆发导致了二十世纪海洋温度记录中的几次不连续性[4,9]，特别是火山的爆发皮勒1991年([25];图3);在模拟中，从这次喷发中恢复的温度到2000年还没有完成，这抑制了潜在的变暖趋势[25]。 20世纪有两个明显的变暖期:20世纪20年代至40年代的气温恢复低迷，以及1978年至今的明显变暖期。随着时间的推移，第一阶段被夸大了，这是由于20世纪40年代获得的温偏sst和1941年[9]之前的冷偏记录的问题，尽管也有证据表明，由于温室气体，人类引起的辐射强迫不断增加，而且在这段时间[28]期间，海洋-气候的年代际变化得到了特别大的实现。这些记录，加上前面[9]讨论的1945年海温的主要不连续，也将抑制1945年至1970年未校正数据中明显的冷却趋势(图2)。因此，最终校正的全球海温记录极有可能显示出20世纪20年代至70年代整体逐渐变暖，随后是现代加速变暖时期。在过去30年里，海洋温度也出现了一些变化，特别是自1998年以来变暖趋势趋于平稳[29;图2]。除了需要对较早[12]详细说明的1990年代进行方法上的调整外，这一趋势很可能是El Niño南方涛动(ENSO)周期行为的函数，该周期对世界气候[30]具有重大的控制影响;raybet雷竞技最新1997 - 1998年的“超级”厄尔尼诺Niño部分是有记录以来最极端的[30]，使气温上升了趋势线[20]0.2°C。太平洋ENSO周期最近(2000年代后期)已进入冷却La Niña阶段，但在2005年，在没有厄尔尼诺[20]的推动下，也录得接近创纪录的温度。在整个海洋温度记录中，ENSO导致了任何变暖趋势周围的波动，因此可以在模拟中进行修正，以了解潜在的趋势[9]。对海洋变暖的最现代的改进估计消除了ENSO的影响，并调整了方法上的偏差[12]，导致自1950年以来全球温度出现了明显的持续上升趋势(图3)，没有自1998年[29]以来长期变冷的潜在证据。 然而，海洋温度的全球趋势在所有海域并不一致。虽然大多数记录确实显示出与全球趋势相当的温度上升轨迹[5,26]，但自1850年以来，北半球海洋比南半球海洋变暖得更多[5]。北半球海温的年代际过滤差异为0.71°C±0.06;南半球平均变暖0.64°C±0.07[5]。这种变暖趋势差异在北极地区更为明显，自1966年以来，北极海冰系统的变暖速度一直高于全球平均水平[31]。就海表温度而言，一个明显的全球异常(连同北太平洋的部分地区和格陵兰岛[32]以南)是赤道东太平洋地区，那里是ENSO事件的起源和最显著的地方。自1870年以来，海温[5](如果有[10]的话)的长期趋势仅显示出适度的上升趋势，这主要是由于信风的增加和[32]的上升流，但这导致了海洋温度的另一种趋势，具有重大的全球后果。在二十世纪的过程中，赤道太平洋[32]的温度梯度有所增加，这种温度梯度的建立通常是厄尔Niño事件[30]的前兆。Hansen等人[20]认为这一趋势将增加强厄尔尼诺的可能性Niños。有证据表明，近几十年来厄尔Niño事件正变得越来越频繁和严重[33,34]，导致东太平洋地区海温[34]的变率增加(从而出现更极端的峰值)，从而影响世界气候和海洋温度。raybet雷竞技最新 Such Pacific temperature distributions may have been apparent during the warm Pliocene which had a permanent El Niño-like climate: paleoceanographic data suggest Pacific SST distribution pre-Ice Ages most resembled that of the 1997 1998 El Niño [35]. 4.结论:人为影响 总之，海洋在上个世纪一直在变暖，最新最准确的调整数据[5,8,9,12]解释了方法上的人工制品(例如，20世纪40年代)，表明这一趋势比以前认为的更加一致和持续，自20世纪70年代以来，海洋温度特别显著上升(图2和3)全球变暖的原因已经在前面的章节中讨论过(例如，第16章)，但对于海洋来说，有明确的证据表明，在过去40年的变暖模式中存在人为信号[2,36]。人类活动引起的气候变暖的渗透在海平面上方700米和所有海洋中都很明显，但信号很复杂，不同海洋的变化也很大。图5显示了自1960年以来三个主要海洋北部地区深海温度变化的例子(全套数据见[2])，并说明了深海变暖是如何变化的。北大西洋在深达700米的地方表现出强烈的变暖模式，从深度到表面的变化率在增加。然而，太平洋和印度洋的变暖更多地局限于100米以上，特别是北太平洋实际上显示出深度的冷却(图5，右图)。深对流是而在太平洋，浅层经向翻转环流隔离了表层，从而将信号限制在上层海洋[2]。为了评估变暖趋势的原因，Barnett et al.[2]模拟了所有自然的变暖效应内部的变化；图5中的灰色多边形显示了该自然信号强度的90%置信极限。可以看出，观测到的变暖模式与由于内部变率而引起的变暖的预期几乎没有相似之处。观测到的变暖也与太阳和火山变化造成的信号没有相似之处(图5，开圈)，但与模拟的人为强迫信号强度[2]非常吻合。因此，近年来收集的证据[2,36,37]有力地证明了海洋温度记录中存在人为引起的变暖信号。 北大西洋 印度北部 北太平洋 1030英镑75英镑125克200300500700- 北大西洋 1030英镑75英镑125克200300500700- 
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