大氣所等解析半世紀(jì)以來海洋層結(jié)變化及其三維結(jié)構(gòu)
9月28日，中國科學(xué)院大氣物理研究所聯(lián)合美國國家大氣研究中心、賓州州立大學(xué)、美國圣-托馬斯大學(xué)組成的國際團隊以Increasing Ocean Stratification Over the Past Half Century為題在Nature Climate Change上發(fā)表論文，解析出自1960年以來海洋層結(jié)變化的三維結(jié)構(gòu)，指出全球海洋垂向?qū)咏Y(jié)已經(jīng)加強了5.3%。
海洋上層平均密度較小、深層密度較大，形成了較為穩(wěn)定的垂向熱力結(jié)構(gòu)。海洋這種較為穩(wěn)定的層結(jié)結(jié)構(gòu)會抑制垂向混合過程，進而影響熱量、碳、溶解氧、營養(yǎng)鹽等物質(zhì)和能量的垂向輸送。海洋層結(jié)是影響全球氣候的一個關(guān)鍵因子，其變化對海洋環(huán)流和海洋生態(tài)系統(tǒng)有重要影響。
在全球變暖的背景下，海洋溫度、鹽度、密度都發(fā)生了系統(tǒng)性變化，海洋層結(jié)也相應(yīng)發(fā)生一系列變化，那么海洋層結(jié)過去幾十年到底變了多少？目前，科學(xué)界對海洋層結(jié)變化的估算存在較大爭議。2013年發(fā)布的IPCC-AR5指出：1971-2010年間，海洋上層200米層結(jié)增強了4%；而2019年發(fā)布的IPCC海洋和冰凍圈特別報告（SROCC）指出上層200米層結(jié)從1971-1990年到1998-2017年增加了2.18%~2.42%，兩次IPCC報告結(jié)果迥異。研究人員表示，這主要是由于國際已有的海洋溫度、鹽度數(shù)據(jù)差異較大，以及傳統(tǒng)層結(jié)估算方法存在問題導(dǎo)致。例如，以往一般使用海表和200米處的溫度或密度差來近似代表海洋層結(jié)，忽略了海水溫度和鹽度復(fù)雜的三維結(jié)構(gòu)。
研究利用自主發(fā)展的海洋溫度、鹽度網(wǎng)格化數(shù)據(jù)產(chǎn)品，在一些關(guān)鍵技術(shù)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(jié)變化，同時也給出了過去半世紀(jì)以來海洋層結(jié)變化的三維結(jié)構(gòu)（圖1）。該研究發(fā)現(xiàn)，1960年以來海洋上層2000米的層結(jié)加強了5.3%，相當(dāng)于每十年約1%的增速。其中海洋上層150米層結(jié)增加了5~18%。同時，深海1500~2000米也已經(jīng)觀測到顯著的層結(jié)增加。此外，海洋層結(jié)年際波動主要受到ENSO變率的調(diào)控。
海洋層結(jié)增強反映出海洋的垂向熱力穩(wěn)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(qū)域的層結(jié)變化。例如，在西太平洋熱帶區(qū)域，鹽度降低趨勢（淡化趨勢）貢獻了約50%以上的層結(jié)增加。在北極海域，由于海冰和冰蓋融化導(dǎo)致的鹽度貢獻主導(dǎo)了層結(jié)變化。
研究人員表示，海洋層結(jié)變化對全球氣候有重要影響。更強的海洋層結(jié)會抑制海洋垂向熱量交換，導(dǎo)致熱量容易集中于海洋表層，進而導(dǎo)致全球氣溫上升。已有研究表明，目前的氣候和地球系統(tǒng)模式對海洋層結(jié)的模擬能力較弱，使得模式中的海洋層結(jié)比觀測偏弱，因而主流的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(jié)會抑制海洋垂向溶解氧輸送，導(dǎo)致海洋內(nèi)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?qū)咏Y(jié)的增加會抑制海洋深對流，對大洋經(jīng)圈翻轉(zhuǎn)環(huán)流有重要影響。根據(jù)位渦守恒原理，層結(jié)的增加也會調(diào)節(jié)大洋風(fēng)生流渦。
大氣所博士研究生李冠城為論文論文第一作者，大氣所副研究員成里京和研究員朱江為論文共同通訊作者。
該研究團隊同時發(fā)布了1960-2018年海洋0-2000米層結(jié)格點數(shù)據(jù)。該研究得到了中科院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項（B類）“印太交匯區(qū)海洋物質(zhì)能量中心形成演化過程與機制”、國家重點研發(fā)計劃全球變化及應(yīng)對專項“海洋環(huán)境變化關(guān)鍵參數(shù)觀測數(shù)據(jù)處理方法和產(chǎn)品研制”（2017YFA0603202）、中科院海洋大科學(xué)中心自主部署項目（COMS2019Q01）等資助。（信息來源：海洋網(wǎng)）
