珊瑚礁温度变异性与网格化海表温度（gSST）对比研究：从日际到年代际尺度的新见解

本综述通过对比大堡礁42个站点的原位温度记录器数据与网格化海表温度（gSST），系统论证了珊瑚温度记录与gSST在年代际至年际尺度上具有高度一致性和相干性，否定了空间尺度差异导致珊瑚重建温度变异偏大的传统观点，为古气候重建模型校准提供了关键实证依据。

　　

引言

热带气候变率是全球气候变率的关键驱动因素，其变化模式涵盖年际尺度（如印度洋偶极子和厄尔尼诺-南方振荡）、年代际尺度（如太平洋年代际振荡）和多年代际尺度（如大西洋多年代际振荡）。由于仪器记录的时间有限，我们依赖温度敏感代用指标的重建来量化更长时间尺度及仪器记录之前时期的气候变率。珊瑚骨骼中存档的Sr/Ca和δ¹⁸O同位素提供了过去热带海表温度（SST）变化的重要信息，这些温度信号可以以月分辨率重建，使得计算年温度周期和建立高精度年表成为可能。因此，珊瑚为比较地球系统模型（ESM）模拟的热带海表温度变率提供了宝贵的信息源。

然而，单个珊瑚群体所经历的温度信号（记录空间尺度从单个珊瑚虫的几毫米到大型Porites群体的几米）可能与卫星网格温度或ESM模拟的网格温度（代表许多平方公里的平均值）存在显著差异。事实上，经过校准的珊瑚记录通常显示出比仪器或网格化gSST更大的年际和年代际温度变率。这种过度的变率通常归因于珊瑚重建与网格温度产品所代表的空间尺度的巨大差异。有人认为，珊瑚记录了更小空间尺度上的温度波动，这些波动未被网格温度产品的大范围框所捕获，且在这些礁石尺度分辨率下温度变化更大。

尽管在复杂的三维礁石环境中，小空间距离上的温度变化存在真实差异，但这些空间差异的重要性可能取决于时间尺度。由于海洋和大气中的混合和扩散作用，温度异常会随时间扩散，因此在日际或更短时间尺度上使群体尺度与gSST波动去相关的局部过程，在年际及更长时间尺度上的重要性可能会减弱。与扩散性论点相反，礁石和海岸环境的物理结构影响海洋流动，并在地质时间尺度上持续存在。珊瑚群体生活在近岸与离岸环境的不同深度，且通常位于海岸附近，这些地方带来较冷/较暖水流的洋流可能在年际到年代际时间尺度上发生变化。因此，不能轻易忽略持续的空间差异。

通过比较gSST与珊瑚本身的温度重建来解决这些问题具有挑战性，因为珊瑚是复杂的生物有机体，很难将空间和尺度效应与其他不确定性来源（如与温度校准的群体间差异、骨骼过度生长的潜在时间尺度依赖效应（“生物平滑”）、生长速率变化影响或其他生物变化对生物“生命效应”的影响）分离开来。为了规避这些问题，我们利用位于典型珊瑚礁环境中的原位温度记录器。温度记录器以与单个珊瑚群体大致相同的空间尺度记录局部温度信号；因此，如果记录器温度与gSST一致，那么这就排除了空间尺度作为gSST与珊瑚温度重建之间平均差异的解释。

现有比较礁石定位记录器温度与gSST的研究主要集中在日或更短时间尺度，通常关注卫星SST产品能否预测或代表珊瑚所经历的条件，特别是温度偏差以及它们是否遗漏可能引发珊瑚白化和死亡的极端温度。然而，在古气候重建的背景下，我们通常关注更长时间尺度和更大空间尺度的变化。

材料与方法

AIMS原位记录器数据

原位温度记录器数据作为日平均值从AIMS海水温度观测系统（AIMS温度记录器计划）下载。初步确定了数据跨度至少10年的站点。这些数据包括每个站点多个连续、持续1-3年的记录器部署，可能跨越几个子站点，并包含大间隙。为了获得每个站点的单个时间序列，使用了两种方法：（a）跨子站点取平均值，以及（b）在给定时间连接来自单个子站点的时间序列。

方法（a）有可能通过平均站点子站点之间高达5.85公里的空间变率来降低记录器时间序列的变率。方法（b）相反可能通过将空间变率错误地归因于记录器更换（1-3年）时间尺度上的时间变率而夸大记录器变率。对两个数据集进行了分析，结果仅有非常微小的定量差异。这里我们仅呈现方法（b）的结果，该方法更接近一个记录器记录呈现来自单个珊瑚群体的一个假设记录的情况。

网格SST数据

最优插值海表温度（OISST）版本2.1数据以0.25°×0.25°网格的日分辨率从NOAA PSL下载。使用距离加权重新映射（CDO命令“remapdis”）为每个42个记录器站点提取OISST数据，并按年和日与日分辨率记录器温度匹配。

记录器数据问题

在处理和检查记录器和OISST数据时，发现2006-2009年期间部分记录器数据存在问题。原位礁石记录器通常记录的温度比OISST低约0.2°C，这与OISSTv2.1在GBR区域的暖偏差一致。然而，在2006-2008年存在一个强烈的异常，其中原位温度平均高于OISST。

记录器温度与OISST之间的大偏移通常始于和终于记录器部署的更换（记录器被新的/翻新的替换）。同一新的偏移有时可以在同一礁石站点不同子站点和深度同时部署的单独记录器中看到。建议的记录器数据异常对功率谱分析影响很小，但破坏了记录器温度与OISST在较长时间尺度上的相干性。因此，在相干图中，我们指示时间序列是否包含2006-2008年。

功率谱分析

为了比较记录器温度与OISST在不同时间尺度上的变率，我们估计了它们的功率谱密度（PSD），它将时间序列中的变率表示为频率（或等效周期性，1/频率）的函数。为了减少年周期的影响（否则将主导PSD和方差的估计），我们首先通过从每个值减去该记录器或OISST记录对应年日的平均温度来计算日温度异常。然后使用自适应多锥方法分别估计每个不间断日异常时间序列（42个站点的45个站点运行）的功率谱。该方法减少了谱估计中的估计不确定性和泄漏。我们仅使用三个锥体来限制频率分辨率的损失和最低频率功率估计的向下偏差。

对于每个站点运行，通过在各解析频率处除各自的谱来计算记录器与OISST PSD比率。由于这些谱是从相同长度的时间序列估计的，它们的比率不受锥体偏差的影响。通过在插值到共同频率轴上后跨站点运行平均谱及其比率，计算平均记录器和OISST谱以及平均PSD比率。

相干性

由于我们预期记录器温度与gSST之间的相关性依赖于时间尺度，为了评估相关性，我们估计了时间序列对之间的平方相干谱。平方相干类似于传统的平方相关系数但依赖于频率。为每个站点运行单独计算相干性。由于有充分理由怀疑覆盖2006-2008年期间的记录，在相干图中我们指示时间序列是否包含2006-2008年。

结果

我们首先比较了原位记录器和OISST日温度异常的平均功率谱（跨站点平均）。两者都显示功率谱密度（PSD）随时间尺度增加而普遍增加。年周期频率（f = 1 yr^–1）及其谐波处的向下尖峰是去除年周期的伪影。从年代际（f = 1/10 yr^–1）到月（f = 12 yr^–1）的时间尺度，原位记录器温度和OISST的平均PSD几乎相同。在短于月的时间尺度上，记录器和OISST温度的PSD开始分化，记录器PSD降至OISST以下。

为了更仔细地检查这一点，我们计算了每个站点运行（站点的连续记录器时间序列）的记录器和OISST PSD比率，以及跨站点运行的平均值。从年代际到年际的较长时间尺度，记录器平均PSD仅略高于OISST PSD。在年代际到年际的较长时间尺度上，记录器与OISST的比率在站点运行之间从0.44到1.98变化，平均比率为1.16，表明记录器数据的平均PSD仅比OISST高16%。然而，在月到日际时间尺度上，记录器与OISST的比率下降到1以下，因此在3-4天的时间尺度（约f = 100 yr^–1），平均记录器变率不到OISST的一半。

相同的PSD并不一定意味着记录器和OISST数据相关，因此我们还检查了作为时间尺度函数的平方相干性。同样，在较长时间尺度上，记录器温度与OISST之间的相干性很高。在年代际到年际时间尺度之间，对于不包含有问题的2006-2008年期间的站点运行，平方相干平均为0.90。包含2006-2008年记录器部署的站点运行特别受到似乎是校准问题的影响，该问题使较长时间尺度上的相干性向下偏差。相反，相干性在年际和月时间尺度之间开始下降，因此在月时间尺度上平方相干仅为0.5。

为了研究记录器深度的影响，我们检查了记录器温度与OISST的PSD比率和相干性作为记录器部署深度的函数，针对不同的时间尺度。在亚月时间尺度上，记录器-OISST方差比与跨站点运行的记录器深度差异密切相关，但这种效应随着时间尺度的增加而减弱。在年代际到年时间尺度上，记录器深度与PSD比率没有关系。相反，虽然平方相干性在更快的时间尺度上下降，但相干性与记录器深度没有关系。

讨论

网格卫星SST与礁石定位原位温度记录器的这种直接比较表明，尽管空间分辨率存在很大差异，但在年代际到年际时间尺度上，记录器温度与gSST温度之间的变率差异很小，且具有高度相干性。这意味着在网格仪器SST与珊瑚重建温度之间看到的年际到年代际变率的巨大差异不太可能由它们所代表的不同空间尺度造成。

相反，在日际时间尺度上，珊瑚尺度和网格温度波动基本上不相关，表明OISST不包含关于珊瑚所经历的日温度波动的信息。在此时间尺度上的部分去相关可能是由于gSST产品的限制。特别是，来自周围晴空数据和模型先验的缺失观测的统计填充可能保留了OISSTv2.1产品中正确的变率，但未捕获变化的正确相位，从而降低了月到日时间尺度上的相干性。这些月到日时间尺度的结果与先前的研究一致，这些研究发现即使分辨率高得多的卫星SST也无法在日时间尺度上捕获珊瑚所经历的温度条件。

此外，在短于月的时间尺度上，记录器PSD相对于OISST下降，这种差异与记录器部署的深度密切相关。记录器记录中在日际时间尺度上较低的PSD可能是因为在这些时间尺度上海洋表皮表面的温度波动是由与大气天气模式的相互作用驱动的，但由于水的热惯性缓冲了表面信号的向下传播，这些波动在深度大于1米处被缓冲。

重要的是，记录器与gSST在月到日时间尺度上的差异与模型-代用指标和仪器-代用指标比较的问题不太相关，因为珊瑚的温度重建通常不以高于月分辨率解析。在年际到年代际时间尺度上，记录器和OISST PSD大致相等，且相干性很高，即使对于部署在10米深度的记录器也是如此。因此，位于1-10米深度的记录器（和珊瑚）应一致地捕获年代际温度信号。

点尺度和网格尺度温度波动随着时间尺度增加而越来越相似可能是海洋环流和扩散过程的一般结果，因为这种现象也在随机强迫的气候和能量平衡模型以及年代际和更短时间尺度的全球温度变率观测中看到。因此，尽管此分析在地理上限于澳大利亚大堡礁，但我们预计这些结果可推广到其他造礁区域。因此，原则上，来自点尺度代用指标（如珊瑚骨骼）的温度重建应适用于与网格ESM模型输出的比较。同样，网格SST产品可用于验证这些时间尺度上温度敏感点代用指标的变率。在代用指标与网格SST之间存在月到年代际时间尺度上的巨大平均方差差异的情况下，这些必须是代用指标与空间尺度无关的特征。

结论

礁石上珊瑚群体所经历的温度变率是否代表SST产品