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20世纪初,海洋发生了一些奇怪的事情。北大西洋和东北太平洋的温度似乎是全球平均水平的两倍,而西北太平洋在过去几十年里逐渐变冷。

大气和海洋模型很难解释这些温度变化的差异,这导致了气候科学中的一个谜题:为什么在20世纪初海洋的温度和温度变化速度如此不同?

现在,哈佛大学和英国进行了研究美国国家海洋学中心(National Oceanography Centre)指出了一个答案,就像小数点截断一样简单,也像全球政治一样复杂。部分是历史,部分是气候科学,这项研究纠正了数十年的数据,并表明海洋变暖以一种更为均匀的方式发生。

这项研究发表在《自然》杂志上。

几个世纪以来,人类一直在测量和记录海面温度。海洋表面的温度帮助水手们确认航线,确定方位,预测暴风雨天气。

直到20世纪60年代,大多数的海洋表面温度测量都是通过把一个桶扔到海里,测量里面海水的温度来完成的。

美国国家海洋和大气管理局(NOAA)和美国国家科学基金会的国家大气研究中心(NCAR)保存了一系列可以追溯到19世纪早期的海平面温度读数。该数据库包含了来自世界各地的渔业、商业、研究和海军舰艇的1.55亿次观测结果。这些观测对于理解海洋表面温度随时间的变化,无论是自然的还是人为的,都是至关重要的。

它们也是统计上的噩梦。

例如,你如何比较1820年的英国军人与1920年的日本渔船或1950年的美国海军舰艇的尺寸?您如何知道使用的桶是什么类型的,以及在采样时它们是被阳光加热了多少,还是被蒸发冷却了多少?在典型的天气条件下,帆布桶里的水在甲板上放置三分钟,可以比在同样条件下的木桶里的水冷却0.5摄氏度。考虑到20世纪的全球变暖约为1摄氏度,不同测量方案的偏差需要仔细计算。

哈佛大学约翰·a·保尔森工程与应用科学学院(SEAS)地球与行星科学及环境科学与工程教授、论文资深作者彼得·休伯斯(Peter Huybers)说:“这个数据库中有千兆字节的数据,每一个数据都有一个离奇的故事。”“数据充满了独特性。”

人们已经做了大量的研究来识别和调整这些特性。例如,在2008年,研究人员发现1945年海面温度上升了0.3摄氏度,这是由机舱进气口测量的结果。然而,即使有了这些修正,数据也远非完美,海面温度仍有无法解释的变化。

Huybers和他的同事提出了一种综合的方法来修正数据,使用一种新的统计技术来比较附近船只的测量数据。

这张图表显示了来自北太平洋(上)和北大西洋(下)不同数据集的海洋表面温度的年度变化。蓝线表示该研究的修正数据。它表明,与之前的估计相比,北太平洋变暖程度更高,北大西洋变暖程度更低。

哈佛大学艺术与科学研究生院的研究生、这篇论文的第一作者Duo Chan说:“我们的研究方法是观察不同船只经过附近时,在300公里以内、相隔两天的时间内,海面温度测量值的差异。”“使用这种方法,我们在十字路口附近发现了1780万个,并在一些群体中发现了一些较大的偏见。”

研究人员将研究重点放在1908年至1941年间的数据上,这些数据根据船籍国和“甲板”进行了分类,“甲板”是用穿孔卡片的甲板存储的海洋观测数据。其中一个甲板包括罗伯特·法尔肯·斯科特(Robert Falcon Scott)和欧内斯特·沙克尔顿(Ernest Shackleton)的南极之旅。

英国国家海洋学中心的合著者伊丽莎白·肯特说:“这些数据经历了从原始航海日志到现代档案的漫长旅程,人们做出了艰难的选择,以便将可用的信息装入穿孔卡片或数量可控的磁带卷中。”“我们现在有了方法和计算机能力来揭示这些选择是如何影响数据的,还能找出由于不同国家观测实践的差异而产生的偏差,让我们更接近真实的历史温度。”

研究人员发现了北太平洋和北大西洋差异的两个关键原因。

第一个原因与日本记录的变化有关。1932年以前,日本船只在北太平洋的海面温度记录大多来自渔船。这些数据分布在几个不同的甲板上,最初是用整个华氏度记录的,然后转换成摄氏度,最后四舍五入到十分之一度。

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然而,在第二次世界大战之前,越来越多的日本读数来自海军舰艇。这些数据存储在另一个甲板上,当美国空军将收集的数据数字化时,他们截断了数据,截断了十分之一度的数字,并以整个摄氏度来记录信息。

Huybers说,未被认识到的截断效应在很大程度上解释了在1935年到1941年间太平洋海面温度估算中明显的快速降温。在校正了由截断引起的偏差后,太平洋的变暖更加均匀。

虽然日本的数据掌握着20世纪初太平洋变暖的关键,但德国的数据在了解同一时期北大西洋海面温度方面发挥了最重要的作用。

在20世纪20年代末,德国船只开始提供北大西洋的大部分数据。这些测量数据大多收集在一个甲板上,与附近的测量数据相比,甲板上的温度要高得多。调整后,北大西洋的变暖变得更加缓慢。

通过这些调整,研究人员发现,整个北太平洋和北大西洋的变暖速度变得更加相似,而且变暖模式更接近温室气体浓度上升的预期。然而,差异仍然存在,在测量中发现的整体变暖速度仍然比模型模拟预测的要快。

“剩余的不匹配突出了继续探索气候是如何受到辐射影响的重要性,气候的敏感性及其内在的可变性。与此同时,我们需要继续梳理数据——通过数据科学、历史调查和对问题的良好物理理解,我敢打赌,还会发现更多有趣的特征。”

这项研究是由英国国家海洋学中心的David I. Berry共同完成的。

这项研究得到了哈佛全球研究所、美国国家科学基金会和自然环境研究委员会的支持。

新闻旨在传播有益信息,英文原版地址:https://news.harvard.edu/gazette/story/2019/07/researchers-find-a-simpler-pattern-of-ocean-warming/

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