高分辨率集合降尺度模拟中黑潮的真实表征对海洋热浪模拟的改进

《Weather and Climate Extremes》：Improving Marine Heatwave Simulations Through Realistic Kuroshio Representation in a High-Resolution Dynamical Downscaling Ensemble

本研究针对全球气候模式（GCM）因分辨率不足难以准确模拟西北太平洋复杂海域海洋热浪（MHW）的问题，通过利用八个CMIP6模式驱动高分辨率区域海洋模式系统（ROMS，1/8°）进行动力降尺度集合模拟（1982–2014年）。结果表明，ROMS集合中位数能将CMIP6海表温度（SST）暖偏差降低20–69%，并显著改进MHW时空特征，尤其在冬季西北太平洋MHW频率模拟上改善幅度达80–97%。这得益于高分辨率模拟对黑潮及其延伸体更为真实的刻画，增强了来自低纬的暖水平流输送。该研究凸显了高分辨率海洋模拟在提供可靠未来极端海洋事件预估中的关键价值。

　　

海洋，这片覆盖地球表面超过70%的广阔疆域，孕育了丰富的生物多样性，也为人类提供了至关重要的食物来源和生态服务。然而，在全球变暖的背景下，海洋正经历着前所未有的快速变化，其中，海洋热浪（Marine Heatwave, MHW）作为一种极端海洋温度事件，正日益频繁地闯入人们的视野。海洋热浪是指海水温度异常偏高并持续一定时间（通常定义为连续5天或以上日海表温度（SST）超过当地该日气候平均态90^th百分位阈值）的事件。这类事件如同海洋中的“高烧”，对海洋生态系统（如导致珊瑚白化、渔业资源衰退）和依赖海洋经济的社会社区造成了深远且往往是破坏性的影响。近年来，西北太平洋海域，这片生物多样性丰富且经济活动活跃的复杂海域，海洋热浪的发生频率和强度呈现出显著的增加趋势，例如著名的“The Blob”事件，对海洋哺乳动物、海鸟、渔业及相关社区造成了毁灭性打击。为了制定有效的政策，以构建该区域具有可持续性和恢复力的海洋生态系统，获取高分辨率且可靠的海洋气候信息至关重要。

目前，对未来海洋热浪的预估主要依赖于全球气候模式（Global Climate Model, GCM），例如耦合模式比较计划第五阶段和第六阶段（CMIP5/CMIP6）的模式。这些模式在全球尺度评估气候变化对海洋热浪的影响方面发挥了重要作用。然而，其空间分辨率通常较为粗糙（通常为100公里量级），难以充分解析对海洋动力学和海洋热浪有关键影响的海洋中尺度过程（如海洋涡旋、边界流）。特别是在西北太平洋这样拥有黑潮（Kuroshio）、对马暖流等强大洋流并伴随复杂局地海洋环流的区域，低分辨率全球模式的局限性更为突出。动力降尺度（Dynamical Downscaling）技术，即利用高分辨率区域气候或海洋模式，在全球模式提供的大尺度边界条件下进行精细化模拟，能够提供比全球模式更高时空分辨率的数据集，是理解复杂海岸带区域海洋过程的有力工具。已有研究表明，区域海洋模式能够改善沿海区域的海表温度偏差，但其在长时间尺度上再现区域海洋热浪特征方面的性能尚未得到充分评估。

在此背景下，由首尔国立大学地球环境科学学院的Seok-Geun Oh、Kyung-Geun Lim、Seok-Woo Son和Yang-Ki Cho组成的研究团队，在《Weather and Climate Extremes》上发表了一项研究，题为“Improving Marine Heatwave Simulations Through Realistic Kuroshio Representation in a High-Resolution Dynamical Downscaling Ensemble”。该研究旨在系统评估高分辨率区域海洋模式在模拟北大西洋（特别是西北太平洋）长期海洋热浪特征方面的表现，并探究其相对于驱动它的低分辨率全球模式的改进及其物理机制。

为了回答上述科学问题，研究人员采用了以下关键技术方法：

1. 1.
   高分辨率区域海洋模式集合模拟：研究使用区域海洋模式系统（Regional Ocean Modeling System, ROMS），在覆盖北大平洋（98–284°E, 20°S–65°N）的区域内，进行了水平分辨率为1/8°（约12-14公里）、垂直50层的长期（1972–2014，其中1982–2014用于分析）历史气候模拟。该模拟由八个在北大平洋表现相对较好的CMIP6全球气候模型（包括CESM2-WACCM, CMCC-ESM2等）的输出结果驱动，包括大气强迫场和侧边界条件，构成了一个包含八个成员的集合模拟。
2. 2.
   多源观测数据验证：为了评估模拟效果并考虑观测不确定性，研究使用了三种基于卫星和现场观测的日海表温度产品作为验证基准：英国气象局的OSTIA（Operational SST and Ice Analysis）、美国国家海洋和大气管理局的OISST（Optimum Interpolation SST）以及日本气象厅的MGDSST（Merged satellite and in situ data Global Daily SST）。其中，高分辨率的OSTIA被选为主要参考。
3. 3.
   海洋热浪检测与指标计算：严格遵循国际通用标准，将海洋热浪定义为日海表温度超过基于1982-2014年气候态计算的移动90^th百分位阈值、且持续至少5天的事件。在此基础上，计算了海洋热浪的频率（每年发生次数）、持续时间（每次事件持续天数）和平均强度（每次事件期间的平均温度异常）等关键指标。
4. 4.
   统计评估与机理分析：采用集合中位数（Ensemble Median, EM）来表征CMIP6和ROMS模拟的整体表现，并通过偏差、均方根误差（RMSE）、空间相关性以及泰勒图（Taylor Diagram）等方法定量评估模拟性能。通过分析模拟的海表温度、表面流场（与浮标观测数据对比）以及它们与海洋热浪分布的关系，探讨了高分辨率模拟改进的可能原因，特别是黑潮路径和强度表征的作用。

研究结果

1. 北大西洋海表温度模拟与观测不确定性

ROMS集合中位数能够真实地再现北大西洋年平均海表温度的空间分布，与观测的空间相关系数超过0.99。与驱动它的CMIP6集合中位数相比，ROMS显著降低了CMIP6模式在日本周边海域存在的暖偏差。以OSTIA为参考，ROMS模拟将CMIP6模式的暖偏差降低了约20%至69%，在4月至6月（海温升温期）和10月至12月（海温降温期）改善尤为明显。研究也指出，不同的观测数据集（如OSTIA, OISST, MGDSST）之间在海表温度，特别是在夏季的沿海区域和冬季的高纬度区域，存在不可忽视的差异，这源于其使用的传感器、算法和海冰处理方式的不同。

2. 北大西洋海洋热浪模拟

观测显示，北大西洋海洋热浪发生频率约为每年1-3次，在沿岸区域以及受黑潮等暖流主导的海域频率更高。持续时间较长的海洋热浪主要出现在东太平洋，这与厄尔尼诺-南方涛动（ENSO）事件有关。海洋热浪强度的高值区则出现在黑潮延伸体及赤道中东太平洋。CMIP6和ROMS的集合中位数均能定性地再现海洋热浪特征的空间分布，但与观测相比，它们普遍模拟出更低的频率和更长的持续时间。高分辨率ROMS模拟的附加价值在西北太平洋区域和沿岸地区尤为突出。与CMIP6集合中位数相比，ROMS集合中位数在海洋群岛、黑潮延伸体区域及沿岸模拟出了更频繁（约1.5倍）、持续时间也更接近观测的海洋热浪。定量评估（泰勒图）表明，ROMS集合中位数在模拟北大西洋和西北太平洋海洋热浪特性方面优于绝大多数单个CMIP6模式，且集合离散度更小，表明改进是稳健的。

3. 海洋热浪模拟的改进及其可能原因

对海洋热浪频率季节变化的分析发现，ROMS模拟对冬季（1-3月）海洋热浪频率的改进最为显著。在西北太平洋，ROMS集合中位数将CMIP6集合中位数对冬季海洋热浪频率的低估改善了80%至97%，对持续时间的模拟也有明显改进。这种改进在夏季（7-9月）则不那么明显。研究表明，夏季西北太平洋的海洋热浪主要受大气强迫（如短波辐射增加、风应力减弱导致的潜热损失减少）驱动，而ROMS使用CMIP6的大气场驱动，因此其夏季海洋热浪分布与CMIP6模式相似，改进有限。相比之下，冬季海洋热浪更多地受到海洋环流（如黑潮）的调控。ROMS的高分辨率使其能够更真实地模拟黑潮及其延伸体的路径、强度和相关的暖水输送。分析显示，在西北太平洋黑潮区域，八个ROMS模拟再现表面流速的性能与其模拟冬季海洋热浪频率的性能之间存在中等强度的线性关系（决定系数R²，经向分量达0.58），这表明对黑潮更为真实的表征是冬季海洋热浪模拟得以改进的关键原因。尽管1/8°的分辨率尚不能完全解析所有中尺度涡旋，但已能显著改善对黑潮这类西边界流的刻画，从而提升对受其强烈影响的极端海洋事件的模拟能力。

结论与意义

本研究通过一套高分辨率（1/8°）区域海洋模式（ROMS）动力降尺度集合模拟，系统评估了其对北大西洋（1982-2014年）海表温度和海洋热浪特征的模拟能力。结果表明，高分辨率模拟能有效降低驱动它的CMIP6全球模式的海表温度暖偏差，并显著改善海洋热浪的时空变化特征，特别是在冬季的西北太平洋区域，对海洋热浪频率的模拟改善幅度高达80%以上。这一改进主要归因于高分辨率模式对黑潮及其延伸体更为真实的表征，从而更好地模拟了冬季来自低纬度的暖水平流对海洋热浪的调制作用。

该研究强调了在受强区域海洋环流（如黑潮）影响的地区，使用高分辨率区域海洋模式进行动力降尺度，对于获得可靠的未来海洋极端事件（如海洋热浪）预估至关重要。尽管观测数据本身存在不确定性，但高分辨率模拟带来的改进远大于观测不确定性，这增强了其结果的可靠性。这些高分辨率的海洋气候信息对于制定针对性的海洋气候变化政策、适应性管理策略，特别是在促进沿海地区海洋生态系统的可持续性和恢复力方面，具有重要的科学价值和实际意义。研究成果为理解和预测区域尺度海洋热浪提供了更精细、更可靠的工具，也为相关领域的决策者提供了更扎实的科学依据。