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半個世紀以來大氣層結及其三維結構分析

在全球變暖的背景下,海洋的溫度、鹽度和密度都發生了系統的變化,海洋層結也發生了壹系列的變化。那麽在過去的幾十年裏,海洋分層發生了多大的變化呢?目前,科學界對海洋層結變化的估計存在很大爭議。2013發布的IPCC-AR5指出:1971-2010期間,海洋上層層結增強4%;2019年發布的IPCC海洋與冰凍圈特別報告(SROCC)指出,上層200m層結增加2.1971-1990至1998-2018% ~。研究人員表示,這主要是由於現有的國際海洋溫度和鹽度數據差異較大,以及傳統的分層估算方法存在問題。例如,過去壹般用海面與200米之間的溫度或密度差來近似表示海洋分層,忽略了海水溫度和鹽度復雜的三維結構。

利用自主開發的海洋溫鹽網格化數據產品,改進了垂直梯度計算中缺乏垂直分辨率等壹些關鍵技術問題,估算了1960以來2000米上層海洋的層結變化,並給出了半個世紀以來海洋層結變化的三維結構(圖1)。發現1960年以來,2000m上層海洋的層結加強了5.3%,相當於每十年約1%的增長率。其中,150m上層海洋的層結增加了5~18%。與此同時,在1500~2000米的深海中觀測到了明顯的分層增加。此外,海洋層結的年際波動主要受ENSO變率的調節。

海洋層結的增強反映了海洋的垂直熱穩定性在加強,主要是因為海洋上層的增溫速率快於深層海水。此外,海水鹽度的變化也直接影響某些地區的層化變化。例如,在西太平洋的熱帶地區,鹽度的下降趨勢(脫鹽趨勢)對層化增加的貢獻超過50%。在北極水域,海冰和冰蓋融化造成的鹽度貢獻主導了層化變化。

研究人員表示,海洋分層的變化對全球氣候有重要影響。更強的海洋層結會抑制海洋的垂直熱交換,導致熱量容易集中在海洋表面,從而導致全球溫度上升。以往的研究表明,目前的氣候和地球系統模型對海洋層結的模擬能力較弱,這使得模型中的海洋層結弱於觀測,因此主流氣候模型可能低估了未來全球變暖的水平。

同時,更強的海洋層結會抑制海洋中溶解氧的垂直輸運,從而進壹步降低海洋中的含氧量,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的深層對流,對海洋經圈的翻轉環流產生重要影響。根據位渦守恒原理,層結的增加也會調節海洋風生流渦。

大氣所博士生李冠成為論文第壹作者,大氣所副研究員程麗靜、研究員朱江為論文通訊作者。

同時,研究團隊發布了0-2000m海洋的1960-2018網格點數據。本研究獲得了中科院戰略性先導科技項目(B類)“印度-太平洋結合部海洋物質能量中心形成演化過程與機制”、國家重點R&D計劃“海洋環境變化關鍵參數數據處理方法與產品開發”(2017YFA0603202)、中科院海洋科學中心自主部署項目(COMS2019Q01+)

1960-2018期間0-2000米海洋層結的線性趨勢。該圖分別顯示了太平洋、大西洋和印度洋的緯向平均趨勢。南大洋趨勢是中間的直方圖。

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