海洋如何记录全球能量变化？追踪地球的能量收支平衡

海洋如何记录全球能量变化？

地球的气候系统本质上是一个巨大的能量调节系统，自工业革命以来，人类活动改变大气成分导致的辐射强迫不断增加，打破了原有的能量平衡，这种强迫推动气候变暖，而变暖的地球又会通过增强向外太空的热辐射产生辐射响应，部分抵消强迫的影响。两者的差值就是地球能量不平衡，地球能量不平衡决定了有多少额外热量被地球系统吸收。

根据能量守恒定律，全球能量预算可以表述为：N=F+R，其中，N代表地球能量不平衡，F代表辐射强迫，R代表辐射响应。

这个简单的等式却是理解气候变化的核心，约90%的N以热能形式存储在海洋中，其余部分则分布于大气、陆地和冰冻圈。因此，如何准确量化海洋热含量变化成为重建历史能量平衡的关键。

为什么海洋可以记录全球能量变化，这源于水的高比热容，升高相同温度，水可以比其他物质需要吸收更多热量。有研究显示，在1971-2020年间，约89%的N存储在海洋中，陆地占5%，冰冻圈占4%，大气仅占2%。

图：地球热量清单的核心作用及其与人为排放、地球能量不平衡、地球系统变化以及对生态系统和人类系统的影响之间的联系的示意图🔽

地球热量清单在气候变化监测中发挥着核心作用，因为它提供了地球能量不平衡的绝对值、地球系统总热量增益以及地球系统不同组成部分的热量储存量和位置信息。图中绘制了Gulev等人（2021年）评估的地球系统相关全球尺度变化的例子，以及对生态系统和人类系统的主要影响（IPCC，2022b）。向上箭头表示变化增加，向下箭头表示变化减少，转向箭头表示变化双向。图中提供了2006年至2020年期间地球系统组成部分储存的热量百分比。

地球的能量收支平衡

传统方法对于海洋热含量依赖现场观测，但这些数据在早期时空覆盖不足，且存在仪器偏差。直到2006年Argo浮标阵列实现全球覆盖，海洋热含量的估算精度才大幅提高。

近日，《美国国家科学院院刊》的一项研究，通过一种创新方法格林函数法，首次系统重建了1880年以来的全球海洋热含量变化，并由此推演出地球能量不平衡的演变历程。这项研究不仅填补了1960年前海洋观测数据缺失的空白，还揭示了能量平衡动态的两个显著不同的阶段。

格林函数法基于一个核心原理，那就是海洋内部的温度异常源自海表热通量的累积效应，并通过海洋环流传递到深层。而海表温度数据相对完整，且格林函数法不需要直接观测深海温度，而是通过数学建模将海表信号反衍到海洋内部。

格林函数法先是构建构建格林函数，利用海洋中CFC-11和CFC-12等示踪剂的观测数据，通过逆推方法确定热量从海表传输到深海的路径和时间分布，这些人为产生的化学物质示踪剂自20世纪中期进入海洋，其分布反映了海洋环流的特征。然后，设定边界条件，使用观测的海表温度异常，并扣除由海洋环流变化引起的重新分布效应，得到纯粹由表面热通量驱动的“过剩温度”，最后，将格林函数与边界条件结合，积分得到全球海洋各深度的温度变化，最终转换为热含量变化。

格林函数法的核心思想就是先给定一个海洋内部位置，其温度异常是历史上所有海表温度异常的加权总和，权重由格林函数决定。

为了验证方法的可靠性，研究团队对比了格林函数法与现场观测法在Argo时期的估算结果，数据显示，2006-2020年间，格林函数法估计的海洋热吸收速率为0.69±0.23 W/m²，与现场观测的0.57-0.66 W/m²高度一致，证明了格林函数法的可用性。

研究重建1880年以来的海洋热含量，并首次完整描绘了地球能量不平衡的长期轨迹，并发现1880年以来，地球能量不平衡分为2个阶段。

第一个阶段为1880-1980年，这一时期，N与F的变化几乎同步，能量不平衡紧追辐射强迫。例如，1920-1940年，辐射强迫F为0.23±0.28 W/m²，而N为0.28±0.16 W/m²，两者在误差范围内一致，表明几乎所有的辐射强迫都被地球系统吸收，辐射响应R的抵消作用较弱。

第二阶段是1980年后，这一时期，由温室气体浓度增加驱动，尽管辐射强迫加速上升，但N的增长明显放缓。在2000-2020年，N仅为F的38%±15%，这意味着辐射响应R的负反馈作用增强，更多的额外热量被重新辐射回太空。

研究认为，这种转变可能与海表温度分布的变化有关，近年来的拉尼娜降温可能促进了低云的形成，增强了地球的反射能力。此外，平流层臭氧恢复和气溶胶排放减少也可能改变了气候系统的敏感性。

通过分析1980-2020年的数据，研究发现海洋热吸收呈现显著的区域不均衡，区域差异显著。南大洋贡献了全球40%的热吸收，主要源于强烈的风驱环流将表层热量带入深海；而北大西洋仅占8%，且存在明显的热量再分配，部分热量被洋流向南输送。

研究团队进一步评估了17个CMIP6的气候模型对历史能量平衡的模拟能力。研究显示模型均值与观测基本一致，整体框架合理，但个体差异显著。对人为气溶胶强迫响应“弱”的模型如CanESM5、HadGEM3等，比强响应模型更符合观测数据，这可能因为强响应模型高估了20世纪中叶气溶胶的冷却效应。不分模型低估了2000米以下海洋的热吸收，可能导致对未来预测偏差。

虽然，2000米以下海洋的观测仍不足，可能影响对热吸收总量的估算，但这项研究反应了地球系统对人为强迫的响应并非静态，气候反馈可能随变暖进程动态调整，就如1980年前后转变一样。

图：历史时期（0 至 2,000 米）全球海洋热吸收量🔽

不同的估计值用颜色编码。“本研究”和“Zanna”基于格林函数 (GF) 方法；其他三个是现场估计值。( A ) 相对于 2006-2015 年基线（1 ZJ = 10 21 J）的海洋热含量变化的时间演变。( B ) 2006-2015 年与 1956-1965 年之间的海洋热含量变化。( C ) 地球表面单位面积海洋热吸收率的时间演变。( D ) Argo 期间（2006-2020 年）的海洋热吸收率。在 ( C ) 中，变化率计算为 20 年运行窗口的线性趋势。在 ( B和D ) 中，我们的 GF 估计值的扩展被分解为由于 GF 核G引起的扩展和由于边界条件引起的扩展
；单个成员显示为圆圈。阴影和误差线表示 2 σ误差。在（A和C）中，黑色虚线与黑色实线相同，只是它是根据 SST 数据集计算得出的，没有进行偏差校正。

❓思考题：地球吸收的多余热量，主要储存在哪里？

A.大气层
B.海洋
C.冰川
D.陆地

参考文献：Time-varying global energy budget since 1880 from a reconstruction of ocean warming. https://doi.org/10.1073/pnas.2408839122