【战略前沿】持续开展海洋观测,了解未来地球气候变化(摘译)
来源: http://nap.edu/24919
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2018-01-05

 

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持续开展海洋观测,了解未来地球气候变化

 

美国国家科学工程医学院

共识研究报告

地球与生命科学局

大气科学与气候理事会

海洋研究委员会

《持续开展海洋观测,了解未来地球气候变化》委员会

 

美国科学院出版社

Washington, D.C.

2017年10月20日正式发行

 

 

摘要

海洋是地球气候系统不可或缺的组成部分。海洋覆盖地球表面的70%,作为热量和碳的主要储存库,海洋吸收了与人类活动有关的超过90%的剩余热量和约占30%的二氧化碳(CO2),并且接纳近100%陆地冰损失的淡水。热量和二氧化碳被海洋表面吸收,通过转向循环运输到整个海洋深处。尽管在海洋表面湍流边界层,这种交换发生的比较迅速,在几小时或几天内完成,而在边界层和主要温跃层分层区之间的水体交换则发生在几年至数十年的时间尺度上,深水区的水体需要几十年到1千年才能返回海面,作为热量和二氧化碳的长期储存库,海洋起着减少气候变化的近期影响的作用。由于海洋控制热量、碳和淡水交换的时间尺度很长,需要长达数十年的观测数据来充分记录、了解并预测气候系统,探测并找出由于人类活动驱动的气候变化。

 

持续观测的价值

随着温室气体在大气中的积累,尤其是化石燃料燃烧产生的二氧化碳,当今地球气候变化比人类社会出现以来任何时候都快。社会将日益面临着如何减轻气候变化造成的不利影响的复杂决定,如干旱、海平面上升、海洋酸化、物种灭绝、生长季节变化以及更强烈甚至更频繁的风暴。决策者需要凭借了解地球气候系统动力学所需的信息,才能做出科学的决策。由于这些动力学会随着气候变暖而变化,预测和预报未来气候变化的能力将取决于对关键气候参数的持续观测,不断调整和增强气候模型。观测数据在记录气候系统组成部分的状态和变异性方面,以及在促进气候预测和情景发展方面发挥着最基本的作用。进行数十年至数百年的定期和一致性的海洋观测能够获取海洋观测数据,监测地球的主要热量、二氧化碳及水的储存库,还可以在多时间尺度上提供长期变化和变异性的关键记录。测试并改进气候模型,从而为未来的气候系统提供见解,也需要持续的高质量观测数据。有了这些通过观测数据和模型获得的知识,可以在如何应对和适应气候变化,减少气候变化对国家安全、经济和社会的影响方面做出更科学的决策。

 

 

什么是海洋气候观测?

  • 海洋观测是利用卫星和原位(位于水中)仪器开展的。
  • 原位观测是通过固定和移动平台进行的,如潮汐测量仪、数据浮标、系泊设备、船基观测、分析浮标、海洋滑翔机以及海面漂流物。
  • 用于海洋气候观测变量按优先顺序分别是:海洋状况、海洋表面应力、海冰、海面高度、海面温度、次表层温度、表层洋流、次表层洋流、海面盐度、次表层盐度、海洋表面热通量以及溶解无机碳。
  • 海洋观测事业是一个从端到端系统,基于工程、运营、数据管理、信息产品以及相关人员能力等方面,通过国际协调机构以及区域和国家机构的规划和管治得到支持。

 

研究任务与途径

本研究委员会负责考虑确定海洋观测优先事项的过程,以提高了解对地球气候过程,以及长期持续开展这些观测所带来的挑战(见专题栏S.1)。为协调各国观测活动而设立的国际机构――全球气候观测系统(GCOS)和全球海洋观测系统(GOOS),已经制定了确定和发展最优先海洋气候观测规范的过程。委员会审议了这些过程,并确定它们代表了一种确定基本气候变量(ECV)和基本海洋变量(EOV)的强有力途径,以及观测这些变量的需求。认识到这一国际取得共识过程的价值,委员会将注意力集中在“保持长期观测的挑战并提出可能改进的途径”。本报告描述了这些挑战,并提出了克服这些挑战的解决途径。

 

S.1. 任务陈述

为了解、监测气候变化以及气候变化建模,保持长期、持续海洋数据记录至关重要,然而也充满挑战。一个特别委员会将考虑确定和描述最关键的长期海洋观测过程,并确定目前方法的局限性。

在考虑选择和表征高优先级长期海洋观测的各种过程时,委员会将讨论以下可能因素,例如:

  • 观测的准确度、精度、频率以及空间分辨率;
  • 观测的持续时间(例如,用什么标准决定何时应保持高优先级的观测,不再需要对一个给定的参数进行观测,或者当前观测将被不同类型的观测手段所取代,比如通过一项新的/不同的技术);
  • 在当前有限数量的网络/平台上增加多学科观测的内在价值,和/或与启动额外的观测系统之间权衡利弊;
  • 对其他观测(或网络)的互补性观测;以及
  • 目前或不久的将来可用于开发一种成本效益更高的观测系统的技术。

该委员会的报告将确定维持长期观测的挑战,并提出可能改进途径的建议。研究过程中,委员会将召开一个研讨会,收集专家们关于长期海洋气候观测挑选优先事项过程的建议,并讨论选择和维持海洋观测的国际途径,以及对设计可持续、长期海洋观测系统重要的其他相关议题。

此“任务陈述”指示委员会把重点放在海洋气候观测上,因此,委员会的工作考虑了那些解决海洋在气候中作用的最需要的优先变量。然而,委员会认识到,在本研究范围之外,还有一些其他重要的海洋变量,比如短期现象观测以及气候变化对生态系统影响的观测。

 

热量、碳以及淡水收支

本报告确定了3个独特的全球收支-热量、碳和淡水,有助于为认识气候提供重要的观测资料。选择这些参量是由于海洋对它们每一个都起到核心作用,也由于它们为气候模式预测提供信息和探测气候系统变化的能力。海洋观测有助于深入了解这些收支变化,并为了解海平面上升等其他相关海洋变化提供信息。需要不间断时间序列观测将海洋过程的自然变异和长期气候趋势变化区分开来。尽管海洋环流模型采用数据同化方法估算海洋状况,并对观测数据在多大程度上限制这些收支提供定量估计,但要接近这些收支则需要将海洋气候观测延伸到海洋所有深度,还要延伸到采样不足地区如极地海域。需要开展额外研究来开发先进的观测能力,以便能够为每项收支的全套过程做出量化。

热量收支

海洋增温占全球表面净热量获取的90%左右。因此,准确估计海洋热容量为当前气候系统提供了基本指标,也是未来全球表面增温的决定性因素,因为海洋环流将储存在海洋深处的热量带回到海面。由于海洋表面海水吸收的热量会在横向和垂直两个方向上,通过海水混合与洋流向海洋深层和海盆传输,没有一个单独的变量可用于测量和确定海洋增温。以一个区域为基础,热量收支结算需要对海洋热容量、海气热交换、洋流及混合热传输等进行观测,而全球热量收支会在全球热量增益以及海气通量之间进行。测量海洋温度(作为热容量的一种测量)的挑战一直是在空间上(在全球范围并延伸到海洋所有深度)进行充分采样,并以足够频度解释由全球海洋环流、海气通量以及混合引起的温度变异。

碳收支

人类活动释放的二氧化碳约有30%被海洋吸收,减少了大气中二氧化碳的含量以及相应的温室效应。然而,溶解的二氧化碳会成为一种弱酸,降低海水的pH值,这种现象称为海洋酸化,将会限制海洋未来进一步吸收更多二氧化碳的能力,并可能对海洋生物产生负面影响。海洋中还存在其他碳汇,但大气中二氧化碳的溶解是迄今为止十多年到上百年的主要海洋碳汇。碳收支结算需要测量海洋表面二氧化碳分压(pCO2)或pH值、二氧化碳总溶解度以及碱度。

淡水平衡

淡水平衡对了解海洋盐度变化十分重要,海水盐度是影响海洋分层和环流的参数,因此,也是海洋表层与大气之间热量和碳进行交换的参数。海洋盐度是衡量海水含盐量的指标,它通过稀释(通过来自降水、河流流入海洋以及地表径流或冰融化汇入的淡水)而降低,也由于水分蒸发而增加。对淡水平衡的评估需要对海水盐度、温度、海冰、速度及海洋混合等,以及以降雨、大陆与冰盖径流以及蒸发等形式流入或流出海洋的淡水通量进行观测。

海平面反映热量收支与和淡水平衡

海平面上升是气候变暖的主要指标之一,将对沿海社区和经济产生重大影响,影响航运、国家和国土安全、旅游业以及其他有价值社会活动等。海洋热容量提供了对海平面上升速率的比热容估值,一种由于海洋吸收了越来越多的热量而引起海水膨胀造成的海平面上升。对海平面上升的另一个主要贡献是,当增温导致陆地冰融化并流入海洋时,净输入到海洋的淡水量增加。为了评估热量与淡水收支的这些组成部分,在整个水柱内进行温度和盐度的现场测量十分必要。此外,需要海洋环流观测来评估热、盐传输,及它们对区域海平面的影响。基于一个全面的实地测量结果来精练这些收支的计算,将推动我们对全球和区域海平面变化的了解,这对于评估美国沿海社区和基础设施以及对全世界低洼地区的风险至关重要。

海洋观测所取得的进展

对于每一个这些收支平衡和海平面变化的预估,通过开展持续的全球海洋观测已经取得了重大进展,比如通过卫星遥感对一些海洋特性的海况覆盖(synoptic coverage),通过全球浮标阵列采样,科考船重复沿着海盆路线取样,在固定地点使用系泊法在长时间序列获取数据以及其他方法。然而,我们还不能对衡量热、碳和淡水收支中涉及的所有过程进行直接测量,对这些收支的完全结算仍然是一个科学和技术上的挑战。对这些收支完全结算的能力将得益于把观测扩大到采样不足的地区,得益于开发尚未能够测量过程的量化方法,以及部署新的传感器来对生物地球化学特性进行采样,并协助调查碳收支。而且,随着时间的推移,新的科学目标会作为持续开展海洋观测驱动因素而成熟起来,需要对其评估新的优先事项。

发现:目前的海洋观测系统为更好地了解海洋在地球系统中的作用,包括热、碳和淡水收支,以及更好地了解全球和区域海平面变化做出了重大贡献。持续、优化并增加海洋观测能力将进一步提高对海洋在气候中作用的认识。

 

在气候领域以外海洋观测带来的益处

一套持续的海洋气候观测将带来对地球气候未来变化更好的了解,同时还会有产生其他科学、商业和人类安全方面的短期利益。现代天气预报依靠相同卫星以及用于观测海洋气候的原位测量。对海洋温度、海面温度模式甚至海冰范围的观测,越来越多地与模型一起应用,可靠地预报飓风的强度和轨迹,以及季节性降水和风暴。提供海平面上升信息的潮汐计还用于追踪风暴引起的水位变化,评估沿海地区可能的淹没地区。持续的海洋观测对于监测可能影响海洋生物的环境条件变化至关重要,如珊瑚礁和具有重要商业价值的渔业和水产养殖。

发现:海洋观测系统不仅有助于我们了解气候变异与变化,而且有助于其他各种服务,包括天气和季节-年际时段预报、海洋生物资源管理、以及海洋导航。这种对气候变异和变化以及其他服务的了解,是国防、经济和社会政策决策的基础。

 

优先级海洋观测

全球气候观测系统

由于气候观测的全球属性,通过全球气候观测系统(GCOS)制定了国际框架,确立了足够的采样分辨率、长期协调、数据共享以及能力建设等观测需求。全球气候观测这一重要的早期步骤,其目的旨在提供整个气候系统的全面信息,涉及多学科范围包括物理、化学及生物特性,以及大气、海洋、水文、冰冻圈及陆地过程等。GCOS有一个制定实施计划的流程,以阐明并解决在整个地球系统中被确定为基本气候变量(ECV)的观测。

全球海洋观测系统

全球海洋观测系统(GOOS)计划的立项,是为了满足国际协同网络对原位和远程海洋观测平台两方面研究与运行工作的需求。与GCOS(全球气候观测系统)的ECVs(基本气候变量)相似,专家小组开发了基本海洋变量(EOVs),这些海洋变量被国际学界公认是在海洋观测中的优先变量,ECV和EOV在海洋气候领域有重叠。对于这些专家小组,需要按照一个严格的结构来制定EOV采样需求的技术标准。确定EOV的过程是一项不断进行的工作。随着科学和社会需求的发展,随着观测具体变量的准备状况和可行性的提高,专家组将更新其评估,因此EOV的列表也将会发生变化。GOOS制定了《海洋观测框架》,阐明了一个多学科海洋观测系统的需求与技术准备情况,以同时满足科学和社会的需求。GOOS利用该框架指导实施一项综合和可持续海洋观测系统,通过确定解决社会问题的科学需求、所需的观测类型,以及为解决这些问题提供产生相关有影响信息所需的部署和维护。

发现:GOOS致力于有效促进国际合作,维持海洋气候观测系统。其指导性文件-《海洋观测框架》-及其确定优先观测的程序-基本海洋变量,对于确定持续海洋观测的不间断要求(精度、频率、空间分辨率)具有建设性意义,并为开展持续观测选择和确定优先级海洋变量提供了一个坚实的基础。

GOOS(全球海洋观测系统)得到国际协同合作,美国做出了重大贡献。已与其他国家就具体贡献达成了协议,比如热带太平洋观测系统。海洋学与海洋气象学联合技术委员会(JCOMM)负责协调监督并指导全球海洋观测,并提供了一个论坛,通过招募新国家和能力建设来提高观测能力。

发现:通过美国/国际(双边或多边)协调与资源共享,可以增加持续海洋观测空间覆盖率和开展多学科性质观测的机遇。

发现:能力建设加强了持续海洋观测系统的国际支持,对于增加信息国际应用与观测责任分享等也具有重要意义。

在工作期间,委员会确定了构建和维持海洋气候观测系统基本要素的许多挑战。这些挑战包括政府间组织和美国联邦机构之间的协调,国家优先事项的确定与规划,提供稳定的资金、劳动力支持与培训,以及观测基础设施与技术开发。下面总结了当前现状与存在的挑战。

 

国际协作挑战

GOOS(全球海洋观测系统)提供了一个框架,各国可以在此框架下规划并设置其海洋观测活动的优先事项。虽然GOOS没有提供维持国家承诺的机制,但这种海洋观测的国际协同与合作通常很有效。然而,在经济特区(EEZ)内部署观测系统要素或者移动平台的浮漂诸如Argo浮标等问题,依然是一个挑战,并可能成为在全球某些海洋地区部署观测系统的障碍。全球大约有30%的海域位于沿海国家的经济特区内,或在其他特殊海域,如受南极条约体系管辖的地区内。在那些经济特区界内部署仪器以及穿过这些特区部署漂浮物,对于全球海洋观测系统至关重要。

关于国际合作的结论:为海洋气候观测全球事业,全球海洋观测系统组织有效地组织国家参与并提供能力建设。获准在各国经济特区建设漂流平台方面仍面临挑战,这一挑战有可能由国家海洋研究领导委员会解决。

 

国家优先事项的设置

在美国境内,联邦机构参与国际层面的政府间谈判,并通过资助研究、技术与运维,成为海洋观测活动的主要支持者。这包括建设并维持设备部署、维护与运行所需的研究队伍;通过联邦实验室和运行项目开展研究;并担任国际舞台上的协调员。美国的这些投资对国际计划做出了贡献,但通过海洋观测所获得的知识,也有助于解决与经济、社会和国家安全相关的国家问题。海洋学研究机构也在联邦资助的支持下承担着相当大一部分的观测系统工作,开展有助于海洋知识状况及其在气候变化中作用的研究。一些慈善和非营利组织为海洋保护研究与技术开发提供资金。

发现:提高对持续海洋气候观测重要性和价值的认识,可以增加来自包括慈善组织在内的多个部门对观测系统的支持。

美国负责海洋观测的主要联邦机构是美国国家海洋与大气管理局(NOAA)、国家科学基金会(NSF)以及美国国家航空航天局(NASA),海军研究办公室(ONR)对技术发展提供额外支持。在这些机构和其他一些机构间开展的联邦活动,由国家科学技术委员会(NSTC)属下的一系列跨机构工作组进行协调。由《国家海洋合作伙伴法案》(1996)建立的国家海洋研究领导委员会(NORLC),就是在此结构内组建,负责促进合作伙伴关系,加强海洋观测、研究与教育。由NOAA、NSF和白宫科学与技术政策办公室(OSTP)的代表担任联合主席的海洋科学与技术小组委员会(SOST)监督机构间海洋观测委员会(IOOC)的工作,此委员会依据《海岸带与海洋综合观测系统(ICOOS)法案》(2009)建立,旨在“就与海洋观测相关事项提供咨询、协助及建议”。

 

国家协调、规划与资金的挑战

虽然上述的跨部门机构有责任协调与海洋气候观测有关的活动,在海洋、气候与观测相互交叉的领域内,委员会尚未明晰确定一个国家领导地位。委员会也未能确定一个国家计划来维持并扩大这个对于气候变化至关重要的海洋观测系统。尽管国会认识到《ICOOS法案》要求持续开展海洋观测,但年度预算无法与维持现有劳动力、基础设施和数据管理等体系的成本相匹配。由于缺乏一个由配套资源承诺的、同时缺少强有力领导的国家总体长期(如10年)规划,这些因素对美国持续开展海洋观测的贡献提出了挑战。因为这会抑制有效的协调,并影响对观测系统的多种部门的多年度投资。

发现:海洋观测的连续性是准确了解气候的基础。依靠年度预算审批或短期补助的资助机制,可能会导致海洋气候观测的不连续,从而降低当前及未来观测的价值。

关于规划的结论:由于气候观测所需的时间延长,美国海洋观测系统10年期规划将是确保获取关键海洋信息以了解未来气候的最佳途径。10年期规划与海洋观测框架的一致性将优化美国对于国际社会相关贡献的投资;为了与国际活动同步,在10年间,此规划可能需要更新。10年期规划的要素包括:确定需求,评估现有系统的充分性,将在10年内部署的方面,技术进步的潜力以及实施计划所需资源的估计。根据《ICOOS法案》,国家海洋研究领导委员会(NORLC)有权监督长期规划的发展与采纳,NORLC可以利用IOOCORAP负责定期评估和更新。该规划的实施进展取决于更广泛的利益相关者群体的参与,以及在全球海洋观测系统中与各国际合作伙伴之间的协调。

关于合作伙伴关系的结论:在第五章详细论述的海洋-气候伙伴关系组织(OCP),将是增加海洋观测科学界与非营利组织、慈善组织、学术界、美国联邦机构以及商业部门参与和协同的有效机制。通过他们在观测数据及其相关产品上的共同利益,OCP成员可以精诚合作,朝着持续海洋气候观测系统这一目标而努力。

 

劳动力的挑战

大部分原位海洋观测系统由学术机构和政府研究机构及其雇佣的专家来运行。研究机构及其资助方高度重视同行评议、原创性研究,导致把关注点放在观测数据的价值和质量上。一些与研究型实验室有着深厚的渊源观测系统部门,同时它们由被支持使用观测系统的数据的科学家领导,这些部门取得了显著的成功。

发现:直接科学参与持续观测规划,从设计到实施到分析,合成到发布,确保海洋观测系统在数据质量、接纳新方法与新技术以及科学分析等方面的鲁棒性;所有这些都是实现长期持续观测价值的基本要素。

就某个科学家而言,开始并实施海洋观测活动非常耗时,而且如果没有大量的机构支持和长期资金保障,可能相当困难。从本质上来说,观测科学通常需要多年数据获取才能公布结果。对于考虑希望把海洋观测活动(并非仅仅利用现有的数据集)作为职业的早期职业生涯的科学家来说,可能起一种阻碍作用。由于研究机构和实验室用于保持科学家、工程师和技术人员的代际继承的专业奖励或职业激励十分有限,发展并维护未来必要的专家队伍所需的长期投资是一个挑战。迄今为止,在海洋观测基础设施的开发、部署和运行方面,得到一群规模相对较小但有献身精神的科学家和其他专业人士所支持;尽管这种长期性质的观测活动通常不会得到学术界的奖励,这群人还是将其职业生涯奉献给了观测活动。

关于劳动力的结论:直接科学参与持续观测规划,从设计到实施到分析,合成到发布,确保海洋观测系统在数据质量、包含新方法与新技术情况以及科学分析等方面的鲁棒性。因此,科学家的代际继承对维持气候观测的时间尺度至关重要。OCP可以优先关注改善科学工作者的职业激励工作。

 

端到端系统

海洋观测事业是一个从端到端的系统,不仅依赖于海洋气候观测科学家,还依赖于工程师的技术开发、船舶对观测平台的部署与运行,以及处理数据的管理与应用。

发现:为避免数据缺口,确保数据质量满足要求,确保数据适用于数十年气候监测,海洋观测项目需要考虑相关观测计划端到端的费用范围,包括适当的后勤计划,以及包括数据分析、数据管理和科学参与在内的所有过程。

 

新技术挑战

开展持续观测,海洋是具有挑战性的环境,推动了平台和传感器技术不断进步的需求。新技术的开发,可以提高海洋观测仪器长年在恶劣环境下收集数据的效果和效率,从而避免高成本的维护费用,而这往往需要大量的船舶使用时间。持续海洋观测的成熟,受益于美国机构如ONR和NSF对海洋观测平台和传感器的投资与开发。预算的削减与不足,减少了对新技术的投资及对现有技术的改进。用于提高技术能力的有限投资是一个挑战,一旦得到解决,将通过开发更强大、更有效的传感器与平台,通过观测方法的成熟来解决现有的和新出现的科学挑战,从而在持续观测平台的整个寿命周期内产生显著的回报。

关于技术的结论:投资减少已经放慢了新技术发展的步伐,已被证明的是:新技术可以提升观测系统的扩展作用、效率及其能力。一些慈善机构的努力填补了这一空白,OCP还可以鼓励更多参与者支持。

 

研究舰队的挑战

尽管如自主远洋舰这类新技术大有前景,但在部署与维护海洋观测平台时,仍然需要船舶,特别是全球和远洋级别的船舶。建立海洋观测台站,例如系泊台站或重复占用船舶采样航线,需要每年或每10年(有可能需要很长时间)通过船舶定期访问那些观测地点,这对美国研究舰队每年可在海上航行的天数提出了重要需求。全球及远洋研究型船舶数量的减少,造成全球海洋采样所需的基础设施不足,并使扩大对极地海域等采样少的地区采样工作产生影响。船舶需要长期规划与投资,维护一支能力强大的研究舰队,是美国持续海洋观测的一个重要组成部分。

 

关于研究舰队的结论:尽管新技术对进入海洋研究有作用,但是拥有一支能力强大的研究舰队,包括具有能够抵达全球范围的研究船舶,对于保持美国对海洋观测的贡献至关重要。

 

持续海洋观测的潜在新支持模式

本报告确定了维持和发展全球海洋观测系统能力的许多益处,推动气候科学,提高预测变化的能力,对减缓和适应气候变化决策至关重要。由于需要海洋气候数据为国家安全、经济发展和社会在气候变化和其他与海洋相关问题作决策时提供信息依据,而且在参与全球政府间谈判时需要这些数据,支持海洋观测系统的责任主要落在美国联邦政府的肩头。然而,有限的资金意味着需要优先安排任务,提高现有业务的效率。为了实现海洋观测和研究的共同目标,除了对有限的政府资助优先排序以外,在创造新的政府与私营、非营利部门的合作伙伴关系模式上还有一个机遇。

 

原文题目:

Sustaining Ocean Observations to Understand Future Changes in Earth's Climate

资料来源:

http://nap.edu/24919

 

(黄铭瑞、王化编译,殷永元审核)