他为海洋“测体温”：打造专用数据集，准确再现1960年以来海洋气候变化趋势

来源：DeepTech深科技

2023 年夏天，中国多个城市经历了高达 40℃ 的高温，地球仿佛烧成了“火球”。中国国家气候中心表示，2023 年极可能成为有记录以来最热的一年。

毫无疑问，全球气候变暖的发展形势已经十分严峻。那么，你是否知道其实“海洋变暖”也是气候变化的核心？

如果你对此有所关注，或许会在网上看到过来自中国科学院大气物理研究所（以下简称“大气所”）成里京研究员的科普内容。前不久，他还入选了 2023 达摩院青橙奖名单。

图丨成里京（来源：资料图）

或文章、或节目、或视频，他总在通过各种形式，耐心地为“大朋友”或“小朋友”科普与海洋和气候相关的内容。

比如，海洋与气候之间有何关系？为什么海洋热得快？以及如何给海洋“测体温”？

科普视频里的他，常常身着一套黑色西服向观众分享上述知识。此时，观众几乎不会想到他原本是一个比较内向，又极易害羞的人。

形成如此反差的背后，有一个重要的缘由：他羡慕身边那些天生的“社交达人”，因此想借助科普、演讲等方式，锻炼自己在这方面的能力。

其实，他在业余科普时讲到的内容，也是他十多年来专注的主要科学问题。在大气所，他的研究对象是海洋和气候变化。但其与海洋的缘分，却并非源自本科所学的专业。

2005 年，成里京考入中国矿业大学（北京）学习数学专业。本科期间，他一直被一个问题所困扰，那就是搞数学到底有什么用。

直到快要毕业之际，他才误打误撞地接触到大气海洋方面的课题，并在大气所朱江研究员的指导下，用所学的数学知识，解决与海洋温度数据相关的实际问题。

如他所说，他很享受解决问题的过程。于是，2009 年 9 月，本科毕业的他没有选择继续学习数学，而是来到大气所读博。2014 年，他获得博士学位。此后至今，他一直留在大气所从事科研工作。

目前，他主要从事海洋观测数据处理和重建、海洋热含量变化、地球系统能量和水循环等方面的研究，并取得了一些具有代表性的研究成果。比如，利用数学方法订正海洋里一段“虚假暖期”的观测数据；建立格点观测数据集等。

给海洋“测体温”

由于气候变化，太阳辐射进入地球系统的总能量与地球系统向外释放回宇宙空间的那部分能量之间有一个微小的差值，地球能量等式正处于失衡的状态，这些热量应该与加热海洋、陆地、大气与融化冰雪的能量总和相等。

不过，十余年前，科学家们通过卫星、器测资料等观测数据发现，所观测到的地球系统获得的总能量，要比各圈层的能量总和多得多。

那么，消失的能量都去哪了？由于全球气候变化的本质是温室气体增多，而温室气体拥有固定能量的能力，因此科研人员猜测，正是这部分能量，让地球系统的能量变得越来越多。

又因为海洋的比热容和密度都比较大，能够吸收全球变暖带来的 90% 以上的能量，所以许多学者认为，地球系统多余的能量大多进入了海洋。

为了找到充分的证据证明上述猜测，科学家们需要对海洋观测数据进行处理和重建，才能算出海洋究竟变暖了多少，从而实现整个地球能量收支的平衡。给海洋“测体温”，是对这一过程的形象描述。

在处理海洋观测数据之前，必得先经过采集数据的阶段。目前，包括卫星监测、海洋观测以及模型模拟等在内的手段，都可以用来计算地球系统能量。

其中，对于海洋观测法来说，有许多能够测量海洋温度的仪器。投弃式温度深度计（XBT，expendable bathythermograph），是最常用到的一种仪器。将其扔到水中做自由下落运动，一分钟左右便能测出几百米深的海水温度。

不过，用该方法获得的数据，可能会产生系统性的偏差，原因主要在于深度偏差、温度偏差和仪器类型等方面。

首先，用 XBT 采集到的数据并不是测出来的，而是借助深度方程计算的，如果方程出现问题，计算出的数据就会存在偏差。

其次，XBT 在水中下落时可能会经过冷的海水和暖的海水，不同温度的海水会影响其下落速度，进而导致偏差。

同时，相较于大型的海洋观测仪器，XBT 的体积较小，精确度也就不如前者。

另外，XBT 有多种仪器类型，不同的仪器设计略有差别，也会导致偏差的出现。

因此，科研人员在拿到数据之后，要先对其进行分析和评估，即进行数据的质量控制，剔除质量不佳的数据，并订正数据中存在的系统性偏差。

在此基础上，才能把零散分布的海洋观测数据进行时空重建，用有限的数据反演海洋的整体变化状况。

建立格点观测数据集，为研究海洋气候提供基础支撑

正是基于上述流程和一些数学工具，成里京解决了一项困扰学界多年的问题，订正了二十世纪七八十年代的一段“虚假暖期”的观测数据。

“在计算海洋变暖的历程时，很多研究人员都发现，海洋在二十世纪七八十年代出现了一个系统性的暖期，随后很快就降下来，而到九十年代时重新又升了上去，但却不知道其中的原因。”成里京表示。

他经过仔细研究发现，原来是数据处理方式出现问题，导致数据存在偏差，才产生这一现象。在将问题一一解决之后，他得出了最终的结论，海洋变暖一直处于上升的过程，在九十年代后呈现出加速趋势。

与此同时，他还采用海水盐度的数据，反算出大尺度大气的水分循环变化，发现过去半世纪大气降水减去蒸发的强度增加了约 2%-4%。

“海水盐分的变化能够反映出降水和蒸发的变化。因为降水是淡水，降水多了以后，海水会变淡；而海水蒸发得到的也是淡水，相当于把海洋中的淡水提取到大气中，海洋就会变得更咸。”成里京解释道。

此外，他和团队还建立了格点观测数据集（IAP 海洋数据集），覆盖全球海洋温度、盐度、层结等海洋最主要的物理变量。

据了解，该数据集的原始数据取自全球海洋数据库提供的全球共享数据，并在此基础上进行了偏差订正和空间插值。

目前，该数据集依旧能够准确地再现 1960 年以来的气候变化趋势，能为海洋气候、社会经济、气候政策等众多研究领域提供基础性支撑，帮助这些领域的科研人员解决他们研究的科学问题。

凭借这一系列的成绩，成里京获得美国气象学会 2023 年“The Nicholas P. Fofonoff Award”，并入选了 2023 达摩院青橙奖名单。

极端气候变化也和海洋有关吗？

读到这里，我们已经知道全球变暖与海洋之间有着非常紧密的关系。那么，极端气候变化也和海洋有关吗？

据世界气象组织发布的《2023 全球气候状况报告》，2023 年成为有记录以来人类历史上最热的一年，平均气温与工业化之前相比，有约 1.4 摄氏度的升高。

“这主要是由于全球气候变暖的整体趋势叠加年与年之间的波动造成的。”成里京表示。

从短期来看，今年中东太平洋区域海温增暖，即强大的厄尔尼诺现象，导致全球大气海洋偏暖引发的；从长期来看，则是全球性的气候变化影响。

据了解，极端气候变化也是成里京感兴趣并正在关注的研究方向，比如台风、热浪等。

就台风而言，虽然它生长在热带温暖的洋面上，但海洋才是它的能量来源，会提供很多能量来维持它的发生和发展。如果海洋变得越来越暖，台风的强度和降水就会不断增加，进一步引发极端事件。

而当海水的温度较高时，也可能产生海洋热浪，并给海洋的生物多样性、养殖业等带来灾难性影响。

“比如被誉为海洋中的‘热带雨林’的珊瑚礁，在被动地承受高温之后，肯定会危害其所支撑的丰富的生态系统。”成里京说。

显而易见，不管是应对全球变暖，还是极端气候变化，都需要全世界的共同努力。

2016 年，由全球 178 个国家共同签署的《巴黎协定》正式实施，要求控制地球平均气温的上升幅度，不能超出前工业化时期 2 摄氏度。为更好地响应这一协定，中国也于 2020 年明确提出“碳达峰”和“碳中和”的目标。

而刚结束不久的于阿联酋迪拜举办的第 28 届联合国气候变化大会，也旨在促进全世界增强合作，践行节能减排，进一步落实《巴黎协定》的目标。

对此，成里京也表达了自己的看法。“即便达到该协定，地表温度也会有 2 摄氏度的上升，这仍然是一个比较高的水平。同时，海洋温度也依然会继续增加。

在这种情况下，我们在减缓气候变化的同时，必须要学会适应气候变化，积极应对如海面上升导致的海岸侵蚀、极端事件频发等情况的发生。”

而他本人，也将在自己的研究领域继续不懈前进，用所得的科学知识和成果，为人类有效适应和减缓气候变化做出自己的贡献。

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