Küresel değişimin "kaybolan ısısının" gizemini keşfedin
Küresel ısınmayı duyduğumuzda, kafamızdaki hayal gücü havanın gittikçe daha sıcak hale gelmesi olabilir: kış daha az soğuk, yaz daha sıcak - yani insanların içinde yaşadığı atmosferin sıcaklığı arttı.
Ancak bu, yeryüzündeki hastalık ve ateşin yalnızca bir "belirtisidir" Küresel ısınmanın özü, CO2 gibi sera gazlarının sera etkisinin, okyanus ve atmosfer dahil toprağın değişimi olan tüm dünya sisteminin enerjisinde (esas olarak ısı) artışa yol açmasıdır. Ilık, hafif sıcak.
Atmosferik ısınmanın bu kısmı, dünya sisteminin ısınmasının yalnızca% 1-2'sini, toprağın ısınmasını% 3'ünü ve ısının diğer% 93'ü okyanusta depolanır.
İklim değişikliğinin enerjisi nerede depolanır? Carbon Brief'ten
Dünyanın ne kadar ısındığını bilmek istiyorsak, dünya sisteminin enerjisinin ne kadar değiştiğini bilmeliyiz. . Bu, küresel ısınmanın gözlemsel gerçeklerini belirlemede önemli bir bağlantıdır.
Dünya sisteminin enerji değişimleri nasıl takip edilir?
Şu anda, dünya sisteminin enerji değişikliklerini izlemek için iki ana yöntem vardır:
01
Dünyaya giren ve çıkan radyasyonu izlemek için atmosferin tepesine birkaç uydu koyun.İkisi arasındaki fark, dünyanın net enerji değişimidir.
Atmosferin tepesinde gözlenen enerji değişimi aşağıdaki şekilde siyah çizgi ile gösterilmektedir.Ünlü uydu CERES tarafından gözlemlenmiş ve 2000 yılından sonra yaklaşık 0.5 ~ 1.5 W / m2 olmuştur.
Trenberth'ten atmosferin tepesinde gözlemlenen net enerji bütçesi (siyah) ve okyanus enerjisi değişiminin (mavi) karşılaştırması.2010, Science
Pozitif bir değer, dünya sisteminin küresel ısınmanın itici gücü olan net bir enerji gelirine sahip olduğunu gösterir!
02
Okyanus ısınma oranını izleyin.
Okyanus, dünya sisteminin enerji gelirinin ana kısmını (% 93) emdiği için, okyanusun ne kadar ısındığını bilirsek, dünya sistemi enerjisinin ne kadar arttığını tahmin edebiliriz.
Bu iki yöntem tutarlı sonuçlar alabilmelidir!
Hey, çifte sigorta! O zaman enerji değişimi tahminimiz doğru olmalı!
Ama işte soru geliyor, onlar doğru değil, değil mi (önemli soruyu üç kez söyleyin)! ! !
Daniel K. Trenberth, 2000 yılından bu yana atmosferin tepesindeki net radyasyon bütçesini (yukarıdaki siyah çizgi) ve okyanus ısısı içeriğindeki değişiklikleri (yukarıdaki mavi) karşılaştıran, 2010 yılında Science üzerine kısa bir makale yayınladı. Dünya sistemine giren enerji yaklaşık 0,5 ila 1,5 W / m2'dir, ancak okyanusun ısı içeriği, toplam enerjinin% 50'sinden daha az olan yalnızca 0,2-0,5 W / m2 artmaktadır.
Bu boşluk çok az değil.
İşte sorun geliyor: Dünya sistemine giren tüm enerji nereye gitti?
Bu ünlü "Eksik ısı" gizemi ("eksik ısı" gizemi)
"Kaybolan ısı" nın gizemi
Son yıllarda, "kaybolan sıcaklık" bulmacasını çözmek için birçok makale yayınlandı.Akademik çevreler muhtemelen şu görüşlere sahipler:
1. Atmosferin tepesinde enerji bütçesinin gözlemlenmesiyle ilgili bir sorun var ve hata çok büyük
Daha önce bahsettiğimiz gibi, atmosferin tepesindeki hem kısa dalga hem de uzun dalga radyasyonun büyüklüğü 100 W / m2 iken, tespit etmek istediğimiz iklim değişikliği sinyali sadece 0-1,5 W / m2'dir.
2. Okyanus ısısı içeriği değişikliklerinin gözlemlenmesinde sorunlar var ve hata çok büyük
3. Hem atmosferin tepesi hem de okyanus gözlemleri sorunludur. Onların büyük hatalarını düşünürseniz, ikisi hala tutarlıdır
4. Enerji, 700 metrenin altındaki derin okyanusa koştu
Bu yüzyıldan önce, neredeyse hiç derin deniz gözlemi yoktu; 2005'ten sonra yalnızca 700-2000 metrelik gözlemler (Argo ağı) mevcuttu, bu nedenle daha önce derin deniz enerjisindeki değişikliklerin doğru bir tahminini yapmak zordu. Bu yüzyılda bile, Argo ağı küresel kapsama alanı değil ve bazı sorunlar var.
Şimdi, herkes atmosferin tepesinde ve ısı içeriğinde büyük hatalar olduğunu ve derin denizin ısınıyor olabileceğini kabul etse de, "kaybolan ısıyı" açıklayıp açıklayamayacakları konusunda hala mükemmel bir cevap yok.
Bizim amacımız, Asıl sorun, ısı içeriği tahmininde yatmaktadır!
Geçmişte okyanus ısısı içeriğindeki mevcut uluslararası değişim tahminlerinde ciddi sorunlar var, yani, "Kaybolan ısı" veri önyargısında gizlidir !
Şimdi okyanus ısısı içeriğinin tahminindeki problemlerle başlamak istiyorum:
2011'de hala çok uzaktaydı. Renren.com'da azalan ısı içeriği zaman serisinin bir resmini aşağıdaki harika metinle paylaştım ve bir dilek tuttum:
"Farklı çalışmalarla elde edilen 0-700 metreden okyanusun üst katmanının ısı içeriğindeki değişimler çok belirsiz. Altı ayın ilk hedefi eğrimi dahil etmek."
Bu dilek 6 yıl sürüyor ve ancak şimdi resmi olarak bizi daha tatmin eden bir okyanus ısısı içeriği eğrisi önerdik.
Geçtiğimiz birkaç yıl içinde, ısı içeriği tahmininde birçok büyük sorunu çözdük ve nihayet bu bilimsel konunun ön saflarında olduğumuza inanıyoruz (PS zamanı ve birikimi, bilimsel araştırmalar için gerçekten vazgeçilmez nesnel yasalardır!)
Konuya geri dönecek olursak, ısı içeriği tahmininde en büyüğü olan birkaç problem vardır. Çok az gözlem verisi !
Okyanus çok büyük ve çok sayıda deniz alanı gözlemlenmemiş Bu, haritalama yöntemi olarak adlandırdığımız uzaysal bir enterpolasyon yöntemi gerektiriyor: gözlemlenmemiş deniz bölgelerindeki sıcaklık değişikliklerini "tahmin etmek" için sınırlı gözlemlere dayalı.
Böyle bir "tahmin" için fiziksel temel şudur: Okyanustaki farklı konumlardaki değişiklikler birbirinden bağımsız değildir, ancak birleşik bir fiziksel yasa ile sınırlandırılmıştır. .
Basit bir örnek verin:
El Niño ve Güney Salınımı (ENSO) tropikal doğu ve batı Pasifik'te her zaman zıt değişikliklere neden olur, bu nedenle doğu Pasifik daha soğuk olursa, Batı Pasifik daha sıcak hale gelir. Buna dayanarak, yalnızca Batı Pasifik'e ilişkin bir gözlemimiz varsa, bunu Doğu Pasifik'teki değişiklikleri tahmin etmek için kullanabiliriz.
Nedeni çok basit, gerçek her zaman zayıf ~~~
Geçmişte uluslararası ana akım yöntemlerin nasıl yapıldığına bir göz atalım ve sonra gelişimimizin yönünü anlayacağız!
Mevcut ana akım Haritalama yöntemini temsil eden ABD Okyanus ve Atmosfer İdaresi (NOAA) yöntemine bir örnek verin.
Geniş okyanustaki bir gözlem noktası için (aşağıdaki şekilde soldaki kırmızı nokta), sadece merkezde (kırmızı noktalı daire içinde) yaklaşık 800 kilometre içindeki alandaki sıcaklık değişimini tahmin etmek için kullanılır.
NOAA'nın Haritalama yöntemiyle yeniden yapılandırılan Ocak-Mart 1971 (solda) okyanus gözlem verilerinin dağılımı (sağda)
İşte sorun geliyor, bu şekilde küresel denizler kapatılamıyor ve Güneydoğu Pasifik'in geniş boş denizleri gibi geniş alanlar da var!
NOAA'nın analizinde (yukarıda sağda), bu alanlardaki tarihsel değişiklikler neredeyse 0'dır (beyaz).
Altta yatan hipotez şudur: Gözlemlenmeyen alandaki tarihsel okyanus değişimi sıfırdır.
Küresel ısınma bağlamında, bu tür varsayımların tarihsel okyanus sıcaklığı değişikliklerini hafife alacağı açıktır, bu da önceki çalışmaların okyanus ısısı içeriğindeki uzun vadeli değişiklikleri hafife almasının ana nedenidir.
Ek olarak, kırmızı noktalı çerçeve içindeki değişiklikleri tahmin etmek için kırmızı gözlem noktaları nasıl kullanılır? Yöntem, gözlem ile analiz edilecek konum arasındaki düz çizgi mesafesine göre ağırlıklı bir ortalama yapmaktır.Altında yatan varsayım, uzayda denize ne kadar yakınsa, sıcaklık değişimlerinin o kadar benzer olması (uzamsal korelasyon ne kadar yüksekse) ve güney, doğu ve kuzeybatıdaki tüm yönlerdeki korelasyonun tutarlı olmasıdır.
Bu varsayım, yeniden yapılandırılmış tarihsel sıcaklık alanının sınırlarının çoğunun neredeyse dairesel olmasına neden olmuştur (yukarıdaki şekilde sağda) ki bu açıkça gerçek durum değildir. Gerçek okyanus, doğu-batı ve kuzey-güney yönlerinde büyük ölçüde değişir ve doğu-batı benzerliği, kuzey-güney yönünden çok daha yüksektir. Diğer bir deyişle, Aynı mesafe için, doğu-batı kuzey-güneyden daha ilişkilidir. .
Oh! Neden iyi görünmeyen bu varsayımları yapmak zorundalar?
Bunun nedeni, okyanustaki herhangi iki konum arasındaki ilişkinin ne olduğunu bilmiyor olmamızdır.
Bu "cehalet", bilim adamlarını özellikle doğru olmayan varsayımlar yapmaya zorlar.
İlerlememiz
2014'ün sonunda aniden bir fikrimiz oldu, yani deniz alanları arasındaki ilişkiyi daha iyi tanımlamak için tarihsel okyanus değişikliklerini simüle etmek için iklim modellerini kullanabilir miyiz?
Ancak sorun şu ki, modeller önyargılı ve farklı modeller arasındaki farklar harika (dünya çok karmaşık ve biz çok az yapabiliriz). Bu nedenle sadece tek bir mod kullanılırsa kesinlikle sapmalar olacaktır.
Daha sonra, çok sayıda modeli örnek olarak kullanıp kullanamayacağımızı düşünüyoruz (Uluslararası Model Karşılaştırma Programı CMIP5 model seti), bu modellerin doğrusal bir kombinasyonunu bulup, kombinasyon gerçek gözlemlere en yakınsa, o zaman yapabiliriz Uzaysal korelasyonu optimal bir tahminde bulundu (gerçeğe bir adım daha yakın).
Açıkçası, bu yöntem, uluslararası alanda kullanılan önceki yöntemlere göre gerçeklerle daha uyumludur.
Aynı zamanda, daha doğru uzamsal korelasyon, her bir gözlemin mekansal etki aralığını 800 kilometreden 2000 ~ 2500 kilometreye genişletmemize izin verir, bu da analizimizin yukarıdakine benzemeyen gerçek bir "küresel" analiz olmasını sağlar. Resimde NOAA gibi geniş bir deniz alanını incelemek imkansızdır.
Yöntemimiz matematiksel türetme / analiz / detaylı doğrulama 2016 yılında yayınlandı
J. Clim (ChengZhu2016) ve 2017 Sci. Adv. (Cheng ve diğerleri 2017).
Verilerimizin avantajlarını görmek için daha sezgisel bir grafik koyun!
İki veri seti 1983-1998 üst 1500 metrelik okyanus ısısı içeriği değişim eğilimi: sol taraf Ishii verileridir; sağ taraf atmosferik IAP verileridir. Wang ve arkadaşlarından alınan resim hala inceleniyor, lütfen sabırla bekleyin
Yukarıdaki şekil, IAP ile Ishii, Japonya arasında 1983'ten 1998'e kadar yukarı okyanusun 1500 metredeki ısı içeriğinin eğilimini karşılaştırmaktadır. Ishii'nin verileri, iklim dünyasında neredeyse en çok kullanılan okyanus altı ızgara noktası verileridir (biri?).
Kuzey yarımküredeki ikisinin hala nispeten yakın olduğu görülebilir, ancak güney yarımkürede Ishii verilerinin sıcaklık değişimi çok zayıftır!
Bu neredeyse imkansız ... Deniz seviyesi değişiklikleri gözlemleri ve bazı seyrek sıcaklık gözlemleri, Güney Okyanusu'nun çok hızlı ısındığını ve Güney Okyanusu'nun (Antarktika Dairesel Akım ACC bölgesi) vorteks yapıları açısından zengin ve uzaysal değişkenliğin çok büyük olduğunu gösteriyor. Güney yarımkürede Ishii verilerindeki daha zayıf değişiklikler, mevcut uluslararası olarak kullanılan Haritalama yönteminin iklim değişikliği sinyallerinin ciddi şekilde eksik tahminini yansıtıyor!
Bu sadece çıplak gözle görülebilen bir örnek, daha incelikli ama önemsiz olmayan sorunlar var, burada tartışmayacağım.
Yeni Haritalama yöntemi çözümünü (XBT sapma düzeltmesi gibi) içeren bir dizi gelişmiş teknolojiye dayanarak, 0-2000 metrelik (1940'tan günümüze) tarihsel okyanus sıcaklığını yeniden yapılandırdık ve buna dayanarak, 2000 metrelik daha doğru bir tarihsel okyanus üst tabakası elde ettik. Isı içeriği değişikliği tahmini.
Tüm rekonstrüksiyonlarımız 1940'tan günümüze, ancak sıkı doğrulamadan sonra daha doğru olanı 1955'ten sonradır. InsideClimate haberlerinin editörü, zaman serilerimizin ve hatalarımızın daha yüksek bir resmini çıkardı. Çizim sanatı hakkında iç çekin ~
Açıkçası, okyanus sürekli ısınıyor ve özellikle 1990'lardan sonra ısınma hızlanıyor.
"Kaybolan ısı" gizemine geri dönüyoruz
Okyanus ısısının içeriğiyle ilgili yeni tahminler "kaybolan ısı" gizemini çözmemize yardımcı olabilir mi?
Okyanus ısısı değişimini (mavi) aşağıdaki şekilde atmosferin tepesinde gözlemlenen enerji bütçesinin (sarı) 0,93 katı ile karşılaştırdık ve şaşırtıcı bir bulgu bulduk: çok iyi bir eşleşmeleri var!
Okyanus enerjisi bütçesi (mavi gölgeleme) ve atmosferik en yüksek enerji bütçesinin (sarı)% 93'ü. Okyanusun farklı derinliklerindeki enerji değişiklikleri farklı mavilerle temsil edilir. Gri kesik çizgi, okyanus enerji bütçesinin belirsizliğidir (% 95 güven aralığı). Resim Cheng ve diğerleri 2017'den alınmıştır. Atmosferik üst enerjideki değişikliklerin gözlemleri için Allan ve diğerleri 2014'e bakın.
Diğer bir deyişle, yeryüzü sistemine giren enerji, ince havadan yok olmadı ve yok olamaz, aslında, ana enerji okyanusta depolanır.
Herkesin enerjinin kaybolduğunu bulmasının nedeni şudur:
(1) Geçmişte okyanus ısısı içeriğinin tahmin edilmesindeki problemler, okyanus enerjisi değişikliklerinin hafife alınmasına yol açmıştır.
(2) 700-2000 metre derinliğindeki deniz, geçen yüzyılın sonundan sonra hızlanmıştır.
Yeni okyanus ısınmasının, Beşinci Hükümetlerarası İklim Değişikliği Paneli'nin (IPCC-AR5) tahmininden% 13 daha hızlı olduğu tahmin edilmektedir (1971-2010'daki aynı döneme kıyasla) .
"Teknolojinin ilerlemesi yeni bilimsel anlayışı teşvik ediyor" (Öğretmenin öğretimi!)
Okyanus ısısı içeriğinin hesaplanmasındaki bir dizi teknolojik ilerleme, "kaybolan ısı" gizeminin nihai çözümünü teşvik etti!
Aydınlatmak
Tabii ki, yeni ısı içeriği tahminleri ve yeni tarihsel okyanus yeraltı sıcaklığı yeniden yapılanma verileri, diğer bazı önemli sorunları çözmek için daha fazla "potansiyele" sahiptir ve ayrıca bazı önemli sorunlara ilham verirler:
1
Deniz seviyesi yükselmesi?
Deniz seviyesindeki yükselme çalışmasında önemli bir konu var: deniz seviyesinin yükselmesine katkıda bulunan ana faktörler arasında buzulların erimesi nedeniyle net deniz suyu kalitesindeki artış, okyanus sıcaklığındaki artıştan kaynaklanan okyanus genişlemesinin etkisi ve nehir giriş akışındaki değişiklik yer alıyor.
Ancak, geçmişte deniz seviyesi değişikliklerinin gözlemlenen toplam sonuçları ve bunların ilgili katkı faktörlerinin birikimi her zaman mükemmel bir eşleşme değildir: örneğin, IPCC beşinci değerlendirme raporunda, gözlemlenen deniz seviyesi yükselme oranı, katkı faktörlerinin toplamından daha güçlüdür.
Araştırmamız, okyanus ısınmasının daha hızlı olduğunu, yani okyanus termal genleşmesinin neden olduğu deniz seviyesinin daha önce düşünülenden daha fazla olduğunu doğruluyor. Bu faktörü göz önünde bulundurduktan sonra, dengesiz deniz seviyesi yükselmesi sorununu etkili bir şekilde çözebiliriz. (Lütfen Washington Post raporuna bakın)
2
Derin deniz ve okyanus enerjisindeki değişimlerin nedenleri ve bunun gelecekteki iklim üzerindeki etkileri nelerdir?
Bu son derece geniş bir araştırma alanıdır ve iyi gözlemler ve iyi modeller gereklidir.
Örneğin, tahminlerimiz, okyanusun 1990'dan sonra derin okyanuslarda (700 metrenin altında) önemli ölçüde hızlandırılmış bir ısınma gösterdiğini doğrulamaktadır. Derin denizin ısınması, mevcut iklimin gelecekteki iklim üzerindeki derin etkisini göstermektedir: okyanus sirkülasyonunun varlığı nedeniyle, derin denizin ısınması birkaç yüzyıl sonra deniz yüzeyine dönebilir ve bu da gelecekteki iklim değişikliklerini etkileyebilir.
3
Isınma durgun mu?
Enerji açısından iklim ısınmasının durmadığını, aksine okyanus ve yeryüzü sisteminin ısının emilimini hızlandırdığını yansıtıyoruz.
Bu, yüzey / deniz yüzeyi sıcaklığındaki artışın son zamanlardaki zayıflamasının, yalnızca hava-deniz etkileşimlerinin doğal değişkenliğinin bir ürünü olduğunu gösteriyor. Okyanus enerjisinin farklı derinlikler arasında taşınmasından kaynaklanıyor. Küresel ısınma durmadı, ancak daha önce görülmemiş bir hızla. Isınmayı hızlandırın! (CarbonBrief'te Matt Palmer'dan alıntı).
4
Okyanus iklimi değişikliğinin mekansal farklılıkları ve nedenleri nelerdir?
Okyanus tekdüze ısınmıyor ve önemli mekansal farklılıklar var. Neden? Işınımsal zorlamayla ilgili mi? Yoksa deniz yüzeyi değişikliklerinin mekansal farklılığıyla mı ilgili? Yoksa okyanus dolaşımındaki değişikliklerle mi ilgili?
Çok sayıda iklim bilimcisi bu sorunlar üzerinde araştırma yapıyor ve verilerimiz bu sorunların çözülmesine yardımcı olabilir.
5
Sonunda
Modern atmosferik / okyanus / iklim analizi, alan gözlem verilerini, gözlem ızgara verilerini ve yeniden analiz verilerini yaygın olarak kullanır.Bu verileri kullanırken, bu verilerin avantajlarını ve dezavantajlarını, özellikle de eksiklerini, iyi kullanılmadıkları takdirde anlamalıyız. Sonuçlar güvenilmezdir.
Daha önce büyük bir ineğe el yazmasını nasıl gözden geçireceğini sordum ve verilerin doğru kullanılıp kullanılmadığını görmek için önce bir makaleye baktığını ve makalenin sonucunu destekleyebileceğini söyledi. Çünkü çoğu zaman veri yayıncıları size verilerinin eksikliklerini anlatmayacaktır.
Gençler için, birkaç veriyi daha kullanmanın, onu kullananlarla daha fazla iletişim kurmanın ve belirli veriler hakkında batıl inançları olup olmadığını düşünmenin iyi bir yoludur.
22 Mart 2017 Akdeniz'de
Yazar Doktora, Uluslararası İklim ve Çevre Bilimleri Merkezi, Atmosfer Fiziği Enstitüsü, Çin Bilimler Akademisi
