2023年北大西洋海洋热浪期间海表温度与方向波谱的高分辨率观测数据集

《Scientific Data》：Sea Surface Temperature and Directional Wave Spectra During the 2023 Marine Heatwave in the North Atlantic

本刊推荐：为应对日益频发的海洋热浪(MHW)事件，研究人员利用自由漂移浮标在2023年北大西洋MHW高峰期开展了海表温度(SST)与方向波谱的同步观测研究。该数据集包含1分钟分辨率SST、30分钟方向波谱E(f,θ)及衍生参数（如斯托克斯漂移uS），首次揭示了极端暖水事件中空气-海相互作用的精细动态。其通过浮标GPS轨道追踪与波浪平衡区间分析技术，验证了ERA5/GLORYS/OSTIA等再分析产品的可靠性，为耦合模型验证与数据同化提供了关键支撑。

　　

当北大西洋的海水在2023年夏季异常升温，形成了一场前所未有的海洋热浪（Marine Heatwave, MHW）时，整个科学界的目光都聚焦在这一现象上。海洋热浪被定义为海表温度（Sea Surface Temperature, SST）超过历史气候学特定百分位数（如90百分位）的极端事件，持续时间至少五天，并对海洋生态系统、渔业资源和全球气候系统产生深远影响。研究表明，这类事件在21世纪的频率、强度和持续时间都将显著增加，因此迫切需要深入理解其形成机制和影响。

然而，目前对海洋热浪的研究主要依赖日平均的再分析产品和卫星遥感数据，这些数据虽然覆盖范围广，但难以捕捉海洋条件的快速变化，尤其是与风速、波浪等物理驱动因子之间的精细相互作用。例如，波浪破碎、斯托克斯漂移（Stokes drift）和朗缪尔湍流（Langmuir turbulence）等波浪诱导的混合过程，对上层海洋的热量和动量交换具有重要影响，但同步原位观测SST、风速和方向波谱的数据仍然稀缺，特别是在极端事件期间。这种数据缺口限制了我们对海洋热浪动力学的完整认知，也影响了耦合模型的验证与改进。

为解决这一问题，Daniel Pelaez-Zapata等人利用一款由Sofar Ocean开发的Spotter波浪浮标，在爱尔兰西海岸附近开展了一项高分辨率观测实验。该浮标于2023年4月17日部署，最初固定在因什曼岛（Inis Meáin）附近，但在6月1日意外脱离系泊后开始自由漂移，直至7月1日在多尼戈尔海岸被回收。这一漂移轨迹恰逢2023年北大西洋海洋热浪的高峰期，为研究极端暖水事件中的空气-海相互作用提供了独特机会。浮标搭载了GPS模块和热敏电阻，以2.5赫兹（Hz）的采样率连续记录三维波浪位移，并以1分钟间隔测量SST和位置。原始数据通过30分钟的时间段处理，生成了方向波谱、风速估计和衍生波浪参数。

研究团队采用了几项关键技术方法：首先，方向波谱E(f,θ)通过基于小波的方法（Extended Wavelet Directional Method, EWDM）计算，该方法利用三维波浪位移的时间-频率分解，生成高精度的方向分布；其次，风速和风向通过Shimura等人提出的平衡区间概念从波浪谱中推断，即利用高频段的能量比例关系S(f)∝u_*f^?4来估计摩擦速度u_*和10米高度风速U₁₀；此外，斯托克斯漂移的表面分量（如东向u_S和北向v_S）通过线性弥散关系从方向波谱中积分得出。这些方法的可靠性通过与ResourceCODE波浪后报数据库和ERA5、GLORYS、OSTIA等再分析产品的对比验证。

数据记录与内容

数据集覆盖了2023年4月17日至7月1日期间，包括固定部署和漂移阶段的观测。主要数据文件分为原始和处理后两类：原始数据以CSV格式提供1分钟分辨率的SST和位置记录；处理后数据以NetCDF格式存储30分钟方向波谱、显著波高H_s、峰值波周期T_p、表面斯托克斯漂移、估计风速和风向等。此外，还附带了ERA5、GLORYS和OSTIA的日平均SST插值数据，用于验证。所有文件均遵循CF（Climate and Forecast）标准，包含详细的元数据描述。

技术验证

为评估数据质量，作者将浮标测量的SST与ERA5、GLORYS和OSTIA的日平均产品进行了对比。结果显示，SST的相关性系数r均高于0.92，其中OSTIA表现最佳（r=0.98，均方根误差RMSE=0.41°C，偏差bias=-0.04°C）。风速估计与ERA5再分析也高度一致（r=0.93），但再分析产品对极端值的捕捉能力较弱。波浪数据的验证则通过ResourceCODE数据库进行，该数据库基于WAVEWATCH III?波浪模型，覆盖欧洲海域30年的后报数据。

图3展示了2023年6月4日和25日两个典型案例的方向波谱时空演变。在6月4日，浮标观测揭示了复杂的波浪系统，包括多个频谱峰值，对应局部生成的风浪和不同方向的涌浪；而6月25日则表现为一个单一的、向东北方向传播的成熟波浪系统。与ResourceCODE后报的对比表明，尽管模型在频谱能量分布上较为粗糙，但能较好地再现主导波浪方向及其与风强迫的一致性，验证了浮标数据的可靠性。

研究结论与意义

这项研究通过高分辨率原位观测，首次提供了2023年北大西洋海洋热浪期间SST与方向波谱的同步数据集。结果表明，浮标数据能有效捕捉日尺度变暖和波浪-风相互作用的精细特征，弥补了再分析产品在时空分辨率上的不足。该数据集不仅可用于耦合模型验证、日增温研究和数据同化，还强调了波浪过程在海洋热浪动力学中的关键作用。例如，斯托克斯漂移和波浪诱导混合可能通过影响上层海洋 stratification（分层）而调制SST变化，这一机制在极端事件中尤为突出。

尽管本数据集时间跨度有限，但其与历史性海洋热浪的巧合凸显了高分辨率观测在极端事件研究中的价值。作者呼吁持续部署系泊和漂移浮标，以获取长期记录，从而更好地监测、理解和预测海洋热浪。总体而言，这项工作为海洋热浪的多尺度研究提供了宝贵资源，推动了空气-海相互作用机制的深入探索，并为气候政策和海洋管理提供了科学依据。