研究糾正了數十年海面溫度測量值的數據

2020-09-10 無名指下

研究糾正了數十年海面溫度測量值的數據

20世紀初，海洋發生了一些奇怪的事情。北大西洋和東北太平洋的溫度似乎是全球平均水平的兩倍，而西北太平洋在過去幾十年裡逐漸變冷。大氣和海洋模型很難解釋這些溫度變化的差異，這導致了氣候科學中的一個謎題:為什麼在20世紀初海洋的溫度和溫度變化速度如此不同?

現在，哈佛大學(Harvard University)和英國國家海洋學中心(National Oceanography Centre)的研究指出了一個答案，這個答案既平凡得像小數點截斷一樣，也複雜得像全球政治一樣。一部分是歷史，一部分是氣候科學，這項研究糾正了幾十年的數據，並表明海洋變暖以一種更加均勻的方式發生。

幾個世紀以來，人類一直在測量和記錄海面溫度。海洋表面的溫度幫助水手們確認航線，確定方位，預測暴風雨天氣。直到20世紀60年代，大多數的海洋表面溫度測量都是通過把一個桶扔到海裡，測量裡面海水的溫度來完成的。美國國家海洋和大氣管理局(NOAA)和美國國家科學基金會的國家大氣研究中心(NCAR)保存了一批可追溯到19世紀早期的海平面溫度讀數。該資料庫包含了來自世界各地的漁業、商業、研究和海軍船隻的1.55億次觀測數據。這些觀測對於理解海洋表面溫度隨時間的變化，無論是自然的還是人為的，都是至關重要的。

它們也是統計上的噩夢。例如，你如何比較1820年英國軍艦與1920年日本漁船與1950年美國軍艦的尺寸?您如何知道使用的桶是什麼類型的，以及在採樣時它們是被陽光加熱了多少，還是被蒸發冷卻了多少?例如，在典型的天氣條件下，一個帆布桶放在甲板上3分鐘可以比在相同條件下測量的木桶冷卻0.5攝氏度。考慮到20世紀的全球變暖約為1攝氏度，不同測量方案的偏差需要仔細計算。

哈佛大學約翰·a·保爾森工程與應用科學學院(SEAS)地球與行星科學及環境科學與工程教授、論文資深作者彼得·休伯斯(Peter Huybers)說:「這個資料庫中有千兆字節的數據，每一個數據都有一個離奇的故事。」「數據充滿了獨特性。」人們已經做了大量的研究來識別和調整這些特性。例如，2008年，研究人員發現，1945年海面溫度上升0.3攝氏度，是由機艙進氣口的測量結果造成的。然而，即使有了這些修正，數據也遠非完美，海面溫度仍有無法解釋的變化。

在這項研究中，Huybers和他的同事提出了一種綜合的方法來修正數據，使用一種新的統計技術來比較附近船隻的測量數據。哈佛大學藝術與科學研究生院的研究生、這篇論文的第一作者Duo Chan說:「我們的研究方法是觀察不同船隻經過附近時，在300公裡以內、相隔兩天的時間內，海面溫度測量值的差異。」「使用這種方法，我們在十字路口附近發現了1780萬個，並在一些群體中發現了一些較大的偏見。」

研究人員將重點放在1908年至1941年的數據上，按船的原產國和「甲板」分類，「甲板」是一個術語，源於海洋觀測是用穿孔卡片的甲板存儲的。其中一個甲板包括羅伯特·法爾肯·斯科特(Robert Falcon Scott)和歐內斯特·沙克爾頓(Ernest Shackleton)的南極之旅。英國國家海洋學中心的合著者伊莉莎白•肯特說:「這些數據經歷了從原始航海日誌到現代檔案的漫長旅程，人們做出了艱難的選擇，以便將可用的信息裝入穿孔卡片或數量可控的磁帶卷中。」「我們現在有了方法和計算機能力來揭示這些選擇是如何影響數據的，還能找出由於不同國家觀測實踐的差異而產生的偏差，讓我們更接近真實的歷史溫度。」

研究人員發現了北太平洋和北大西洋變暖差異的兩個關鍵原因。第一個原因與日本記錄的變化有關。1932年以前，日本船隻在北太平洋的海面溫度記錄大多來自漁船。這些數據分布在幾個不同的甲板上，最初是用華氏度來記錄的，然後轉換成攝氏度，最後四捨五入到十分之一度。然而，在第二次世界大戰之前，越來越多的日本讀數來自海軍艦艇。這些數據存儲在另一個甲板上，當美國空軍將收集的數據數位化時，他們截斷了數據，砍掉了十分之一度的數字，並將信息記錄在整個攝氏度中。

Huybers說，未被認識到的截斷效應在很大程度上解釋了先前對1935年至1941年間太平洋海面溫度的估計中明顯的快速降溫。在校正了由截斷引起的偏差後，太平洋的變暖更加均勻。雖然日本的數據掌握著20世紀初太平洋變暖的關鍵，但德國的數據在了解同一時期北大西洋海面溫度方面發揮了最重要的作用。20世紀20年代末，德國船隻開始在北大西洋提供大部分數據。這些測量數據大多收集在一個甲板上，與附近的測量數據相比，甲板上的溫度要高得多。調整後，北大西洋的變暖變得更加緩慢。

通過這些調整，研究人員發現，整個北太平洋和北大西洋的變暖速度變得更加相似，而且變暖模式更接近溫室氣體濃度上升的預期。然而，差異仍然存在，在測量中發現的整體變暖速度仍然比模型模擬預測的要快。「剩餘的不匹配突出了繼續探索氣候是如何受到輻射影響的重要性，氣候的敏感性及其內在的可變性。與此同時，我們需要繼續梳理數據——通過數據科學、歷史調查和對問題的良好物理理解，我敢打賭，還會發現更多有趣的特徵。」

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