能量和热量的区别在哪你知道吗（探寻全球变化消失的热量）
能量和热量的区别在哪你知道吗（探寻全球变化消失的热量）在大气层顶放几颗卫星，监测进入地球的和出去地球的辐射，二者之差就是地球净的能量变化。01我们要知道全球到底变暖了多少，就要知道了地球系统能量变化了多少。这是建立起全球变暖观测事实的一个重要环节。怎样追踪地球系统的能量变化？目前监测地球系统能量变化的方法主要有两种：
当我们一听到全球变暖，脑袋中的想象可能是天气变得越来越热：冬天没那么冷、夏天更热了——也就是人类生活的大气环境的温度升高了。
但是，这只是地球生病发烧的一个“症状”而已，全球变暖的本质是CO2等温室气体的温室效应导致整个地球系统能量（主要是热量）增加了，是包括大气在内的海洋、陆地变暖。
大气变暖的这部分热量仅仅占了地球系统增暖的1-2%，陆地变暖占3%，另外93%的热量储存在了海洋中。
气候变化的能量存储在哪里？来自Carbon Brief
我们要知道全球到底变暖了多少，就要知道了地球系统能量变化了多少。这是建立起全球变暖观测事实的一个重要环节。
怎样追踪地球系统的能量变化？
目前监测地球系统能量变化的方法主要有两种：
01
在大气层顶放几颗卫星，监测进入地球的和出去地球的辐射，二者之差就是地球净的能量变化。
大气层顶观测的能量变化见下图的黑色线，是由著名的卫星CERES观测到的，2000年之后大概是0.5~1.5 W/m2。
大气层顶观测的净能量收支（黑色）与海洋能量变化（蓝色）对比，来自Trenberth. 2010 Science
正的数值说明地球系统有净的能量收入，这是全球变暖的驱动力！
02
监测海洋变暖速率。
因为海洋吸收了主要（93%）的地球系统能量收入，如果我们知道海洋变暖了多少，就可以估算出地球系统能量增加了多少。
这两种方法应该能够得到一致的结果！
咦，双保险了啊！那我们对能量变化的估计应该准了吧！
但是问题来了，他们对不上，对不上，对不上（重要问题说三遍）！！！
大牛K. Trenberth在2010年Science上发了一个小短文，比较了自2000年以来的大气层顶的净辐射收支（上图黑色线）和海洋热含量变化（上图蓝色）。进入地球系统的能量大约是0.5~1.5 W/m2，但是海洋的热含量增加仅仅有0.2-0.5W/m2，仅为总能量的不到50%。
这差距可不是一星半点。
问题来了：进入地球系统的那么多能量，到底跑到哪里去了呢？
这就是著名的“消失的热量”之谜（”missing heat” mystery）
“消失的热量”之谜
近些年发表了很多论文求解“消失的热量”谜题，学界大概有下面几个观点：
1. 大气层顶的能量收支观测有问题，误差太大
我们在前面讲过，大气层顶短波和长波辐射量级都在100 W/m2，而我们要探测的气候变化信号仅为0-1.5W/m2。
2. 海洋热含量变化观测有问题，误差太大
3. 大气层顶和海洋观测都有问题，如果考虑他们巨大的误差，二者还是一致的
[参考Loeb et al. 2012 Nature Geosciences]
4. 能量跑去了700米以下的深海
[参考Balmaseda et al. 2013 GRL基于欧洲中心再分析的研究]
本世纪前，深海观测几乎没有；2005年之后才有了700-2000米的观测（Argo网），所以以前很难得到深海能量变化的准确估计。即使在本世纪，Argo网也并非全球覆盖，也有一定的问题存在。
现在，虽然大家也认可大气层顶和热含量误差较大、也认可可能深海变暖，但是他们是否能解释“消失的热量”还是没有一个完美的解答。
我们的观点是，问题主要出在热含量估计上！
国际上现有的对过去海洋热含量变化的估计存在严重问题，也就是说，“消失的热量”隐藏在数据偏差里了！
现在我要从海洋热含量估计中存在的问题开始说起：
那还是遥远的2011年，我在已经走向没落的人人网发了一张热含量时间序列的图片，配上了下面的奇葩文字许了一个愿望：
“不同研究得到的海洋0-700米上层热含量变化，不确定性很大。这半年的第一个目标就是把我的曲线也可以加进去。”
这个愿望一许就是6年，直到现在我们才正式提出了让自己较为满意的海洋热含量变化曲线。
这些年里我们解决热含量估计的几个主要的问题，终于觉得有信心在这个科学问题上走在了国际前列（ps时间和积累真是科研工作必不可少的客观规律！）
言归正传，热含量估计中存在的问题有好几个，其中最大的问题是观测数据太少了！
海洋太大了，大量的海域没有观测，这就需要一个空间插值方法，我们叫Mapping方法：即根据有限的观测去“猜测“没观测海域的温度变化。
这样的“猜测”在物理上的依据是：海洋不同地点的变化并不是相互独立的，而是受到统一的物理规律制约。
举一个简单的例子：
厄尔尼诺和南方涛动现象（ENSO）总是造成热带东西太平洋相反的变化，那么如果东太平洋变冷了，西太平洋就有极大的可能变热了。据此，如果我们仅仅有一个西太平洋的观测，我们就可以用之推测东太平洋的变化。
这个道理很简单，现实总是骨感~~~
我们先看看以往国际主流的方法是怎么做的，就明白我们的改进方向了！
举一个美国海洋和大气管理局（NOAA）方法的例子，代表了目前主流的Mapping方法。
对于茫茫大洋中好不容易有的一个观测点（下图左侧红色点），他只用于猜测以它为圆心大概800公里范围内区域的温度变化（红色虚线圆内）。
1971年1-3月海洋观测数据分布（左）、用NOAA的Mapping方法重构（右）
问题来了，就这样也覆盖不了全球的海域啊，还有大片区域比如东南太平洋的大片空白海域！
在NOAA的分析里面（上图右），这些区域的历史变化几乎为0（白色）。
蕴含的假设是：没观测的区域历史海洋变化是0。
在全球变暖的背景下，显然这样的假设会低估历史海洋温度变化，这也是为什么以往的研究低估了海洋热含量长期变化的主要原因。
另外，怎么用红色的观测点猜测红色虚线框范围内的变化呢？方法就是按照观测和待分析位置的直线距离远近做一个加权平均，潜在假设是空间上越接近海域的温度变化越相似（空间相关性越高），且东南西北各个方向相关性都是一致的。
这个假设造成了历史温度的重构场的等值线大多都是近圆形分布的（上图右），显然不是真实的情况。真实的海洋在东西向和南北向的变化差异极大，东西向相似度比南北向要高很多。换句话说，同样的距离，东西向比南北向相关性更高。
哦了！为什么他们必须要做这些看起来不太好的假设呢？
这是因为我们不知道海洋任何两个位置之间相关性到底是多少。
这种"无知"使科学家们必须做出一些不是特别准确的假设。
我们的进展
我们在2014年底突然有一个想法，就是能否用气候模型对历史海洋变化的模拟结果来更好的定义海区之间的相关性？
但问题是模型是有偏差的、且不同模型之间差异很大（世界太复杂，我们能做到的太少）。因此，如果只用单个模式肯定会有偏差。
接着，我们就考虑是否可以用很多个模型作为样本（国际模式比较计划CMIP5模式集合），找到这些模型的一个线性组合，如果该组合与真实的观测相比最为接近，那我们就对海域之间的空间相关性做出了一个最优的猜测（算是往真相更接近了一步）。
很显然，这个方法比之前国际上使用的方法更符合事实。
同时，更为准确的空间相关性也使得我们可以把每一个观测的空间影响范围从800公里扩展到2000~2500公里，这保证了我们的分析就是一个真正的“全球“分析，而不是像上图的NOAA做的那样大片海区无法进行分析。
我们的方法数学推导/分析/详细验证在2016年发表在
J. Clim（Cheng&Zhu2016），以及2017年Sci. Adv. (Cheng et al. 2017)。
放一个更直观的图看看我们数据的优势吧！
两套数据集1983-1998年上层1500米海洋热含量变化趋势：左侧为Ishii数据；右侧为大气所IAP数据。图片来自Wang et al.2017还在审稿，请耐心等待
上图对比了IAP和日本Ishii两个数据的1983-1998年间海洋上层1500米热含量变化趋势。Ishii的数据几乎是目前气候界使用最多的海洋次表层格点数据（之一？）。
可以看到，北半球二者还是比较接近，但是南半球，Ishii数据的温度变化非常弱！
这几乎是不可能的，海平面变化的观测以及一些稀疏的温度观测表明南大洋升温非常快、而且南大洋（南极绕极流ACC区）富含涡旋结构，空间变率非常大。Ishii数据南半球偏弱的变化反映了目前国际常用的Mapping方法对气候变化信号的严重低估！
这只是一个肉眼可见的例子，还有更多细微但不可忽略的问题，我在这就不讨论了。
基于包括新Mapping方法解在内的一系列先进技术（比如XBT偏差修正），我们重构了历史海洋0-2000米温度（1940-至今），基于此得到了一个更准确的历史海洋上层2000米热含量变化估计。
我们的全部重构是1940年至今，但经过严格验证比较准确的是1955年之后。InsideClimate news的编辑专门为我们的时间序列以及误差做了一个更高大上的图。↓感慨一下作图的艺术~
显然的，海洋在持续变暖；且变暖一直在加速，特别是在上世纪90年代之后。
回到“消失的热量“之谜
新的海洋热含量变化估计是否可以帮助我们解开“消失的热量”之谜呢？
我们在下图对比了海洋热量变化（蓝色）与0.93倍的大气层顶观测的能量收支（黄色），惊人的发现：它们有非常好的匹配！
海洋能量收支（蓝色阴影）、与93%倍的大气层顶能量收支（黄色）。海洋不同深度的能量变化由不同的蓝色表示。灰色虚线为海洋能量收支的不确定性（95%置信区间）。图来自Cheng et al. 2017。大气层顶能量变化观测见Allan et al. 2014
也就是说，进入地球系统的能量没有也不可能凭空消失，确实主要的能量都存储在了海洋当中。
之所以大家发现能量消失了，是因为：
（1）以往海洋热含量估计存在问题导致海洋能量变化被低估
（2）深海700-2000米在上世纪末之后加速变暖。
新的海洋变暖估计比国际政府间气候变化专门委员会第五次气候变化评估报告（IPCC-AR5）中的估计快13%（对比1971-2010同期）。
“技术的进步推动了新的科学认知”（导师的教导！）
海洋热含量估计的一系列技术进步，推动了“消失的热量“之谜的最终解开！
启发
当然，新的热含量估计以及新的历史海洋次表层温度的重构数据还有更多的“潜力”去解决一些另外些重要问题，同时也对一些重要问题有一些启发：
1
海平面上升？
海平面上升研究有一个重要问题：海平面上升的主要贡献因子包括冰川融化导致的净海水质量增加、也包括海洋温度上升导致海洋膨胀的效应、以及河流的输入流量变化等等。
然而，过去总的海平面变化观测结果与其各个贡献因子的累加总是不能完美匹配：如IPCC第五次评估报告中，观测的海平面上升速率比各贡献因子累加之和更强。
我们的研究证实了更快的海洋变暖，即海洋热膨胀效应导致的海平面上升比以往认为更大。考虑这个因素后，我们能够有效的解决海平面上升不平衡的问题。(可参考华盛顿邮报的报道)
2
深海和大洋能量变化原因以及对未来气候的影响？
这是无比广阔的研究领域，好的观测和好的模式都必不可少。
举个例子，我们的估计证实海洋在1990年之后表现出显著的深海（700米以下）加速变暖。深海变暖预示着当前的气候对未来气候的深远影响：由于海洋环流的存在，深海变暖的海水可能在若干个世纪之后重新回到海表，可能影响未来气候变化。
3
变暖停滞？
我们从能量角度反映出气候变暖并没有发生停滞，相反，海洋和地球系统在加速吸收热量。
这表明近期地表/海表温度增加的减弱仅仅是海气相互作用的自然变率的产物，是由于海洋能量在不同深度间的输送导致的，全球变暖并未停滞，而是以前所未有的速度加速变暖！（援引Matt Palmer在CarbonBrief的话）。
4
海洋气候变化的空间差异以及成因？
海洋并不是一致增暖的，有显著的空间差异性，为什么呢？和辐射强迫有关？还是和海表变化的空间差异有关？还是和海洋环流变化有关？
大量气候科学家在针对这些问题展开研究，我们的数据可以为这些问题的解决提供一些帮助。
5
最后
现代大气/海洋/气候分析广泛使用现场观测数据、观测格点数据、再分析数据，我们在使用这些数据的时候都应该明白这些数据的优势和缺陷，特别是缺陷，如果用不好的话做出来的结论都是不靠谱的。
之前问过某大牛怎么审稿的，他说他看一个文章首先就看数据是否正确使用，能够支持文章的结论。因为很多时候，数据的发布者们是不会告诉你自己数据的缺点的。
对于年轻人来说，多用几个数据、多和用过的人交流、多想多问不迷信某数据，是好的办法。
2017年3月22日于地中海
作者系中科院大气物理研究所国际气候与环境科学中心博士
