科研進展

NCC: 大气所研究解析半世纪以来海洋层结变化及其三维结构

  9月28日,中科院大气所联合美国国家大气研究中心、宾州州立大学、美国圣-托马斯大学组成的国际团队在《Nature Climate Change》上发表题为“Increasing Ocean Stratification Over the Past Half Century”的研究論文。该研究在国际上首度解析出自1960年以来海洋层结变化的三维结构,指出全球海洋垂向层结已经加强了5.3%。

  海洋上層平均密度較小、深層密度較大,形成了較爲穩定的垂向熱力結構。海洋的這種較爲穩定的層結結構會抑制垂向混合過程,進而影響熱量、碳、溶解氧、營養鹽等物質和能量的垂向輸送。海洋層結是影響全球氣候的一個關鍵因子,其變化對海洋環流和海洋生態系統有关键影響。

图. 由于海水密度差异导致的海水水平方向的颜色差异。摄影:朱江。

  在全球变暖的背景下,海洋温度、盐度、密度都发生了系统性变化,海洋层结也相应发生一系列变化,那么海洋层结过去几十年到底变了多少? 目前,科学界对海洋层结变化的估算存在较大争议。2013年发布的IPCC-AR5指出:1971-2010年间,海洋上层200米层结增强了4%;而2019年发布的IPCC海洋和冰冻圈特别报告(SROCC)指出上层200米层结从1971-1990到1998-2017年增加了2.18%~2.42%,两次IPCC报告结果迥异。“这主要是由于国际已有的海洋温度、盐度数据差异较大,以及传统层结估算方法存在问题导致。例如,以往普通使用海表和200米处的温度或密度差来近似代表海洋层结,忽略了海水温度和盐度复杂的三维结构。”論文作者之一朱江研究员介绍道。

  新研究利用自主發展的海洋溫度、鹽度網格化數據産品,在一些關鍵技術問題如計算垂向梯度過程中的垂向分辨率不足方面進行了改進,估算了1960年以來海洋上層2000米的層結變化,同時也給出了過去半世紀以來海洋層結變化的三維結構(圖1)。該研究發現,1960年以來海洋上層2000米的層結加強了5.3%,相當于每十年約1%的增速。其中海洋上層150米層結增加了5~18%。同時,深海1500~2000米也已經觀測到顯著的層結增加。此外,海洋層結年際波動主要受到ENSO變率的調控。

圖1.1960-2018年間0-2000m海洋層結變化線性趨勢。圖中分別顯示了太平洋、大西洋、印度洋緯向平均趨勢;南大洋趨勢爲中間的柱狀圖。

  海洋層結增強反映出海洋的垂向熱力穩定性在加強,這主要是由于上層海洋的增暖速度要比深層海水更快。此外,海水鹽度的變異也直接影響了一些區域的層結變化。例如,在西太平洋熱帶區域,鹽度降低趨勢(淡化趨勢)貢獻了約50%以上的層結增加。在北極海域,由于海冰和冰蓋融化導致的鹽度貢獻主導了層結變化。

  “海洋层结变化对全球气候有关键影响。更强的海洋层结会抑制海洋垂向热量交换,导致热量更容易集中于海洋表层,进而导致全球气温上升。已有研究表明,目前的气候和地球系统模式对海洋层结的模拟能力较弱,使得模式中的海洋层结比观测偏弱,因而主流的气候模型可能低估了未来全球变暖的水平。”論文作者之一成里京副研究员介绍。

  同時,更強的海洋層結會抑制海洋垂向溶解氧輸送,導致海洋內部的氧含量進一步減少,威脅海洋生物的生存。此外,副極地海域層結的增加會抑制海洋深對流,對大洋經圈翻轉環流有关键影響。根據位渦守恒原理,層結的增加也會調節大洋風生流渦。

  論文第一作者是来自中科院大气所博士研究生李冠城,成里京副研究员和朱江研究员为共同通讯作者,合作者包括美国国家大气研究中心K. Trenberth,美国宾州州立大学M. Mann以及美国圣托马斯大学J. Abraham。

  该研究团队同时发布了1960-2018年海洋0-2000米层结格点数据(数据地址:http://159.226.119.60/cheng/或http://www.casodc.com/#/data/special/global-ocean ) 。欢迎大家使用。该研究得到了中國科學院战略性先导科技专项(B类)“印太交汇区海洋物质能量中心形成演化过程与机制”、国家重点研发计划全球变化及应对专项“海洋环境变化关键参数观测数据处理方法和产品研制”(2017YFA0603202)、中科院海洋大科学中心自主部署项目(COMS2019Q01)等资助。

  論文:

  Li, Guancheng, L. Cheng*, J. Zhu*, K. E. Trenberth, M. E. Mann, J. P. Abraham, 2020: Increasing ocean stratification over the past half century. Nature Climate Change. https://www.nature.com/articles/s41558-020-00918-2

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