GLORYS12v1再分析数据中威德尔海深层海水的水文变化特征

《Deep Sea Research Part I: Oceanographic Research Papers》：Variability of the Weddell Sea deep waters in GLORYS12v1 reanalysis

评估GLORYS12v1再分析中WDW、WSDW和WSBW的表示，发现盐度趋势偏差和温度冷偏，归因于威德尔环流减弱、西风增强及海冰变化，需改进模型和观测。

　　在南极洲周围的海域中，研究深层海水的变化始终是一项具有挑战性的任务。这主要是由于观测数据的覆盖范围有限，以及海洋模型在模拟细节过程时面临诸多困难，尤其是在南极边缘地区。近年来，高分辨率的海洋产品为深入理解这一区域提供了宝贵的机会。然而，在依赖这些数据进行科学研究之前，对其可靠性进行批判性评估至关重要。本文通过评估GLORYS12v1这一全球海洋物理再分析产品（1/12°分辨率）在1993年至2020年间对威德尔海（Weddell Sea）的暖深层水（Warm Deep Water, WDW）、威德尔海深层水（Weddell Sea Deep Water, WSDW）以及威德尔海底层水（Weddell Sea Bottom Water, WSBW）的再现情况和变化趋势，探讨其在模拟这些水体时的准确性。

GLORYS12v1能够再现关键的水文特征和500米以下的垂直分层结构，尽管在上层海洋中仍然存在持续的偏差。WDW在SR4断面表现出人为的淡水化趋势和冷却偏差，与实际观测到的中性盐度和变暖趋势相悖。此外，WSDW和WSBW则表现出过高的变暖和盐度增加趋势。这些偏差主要与以下因素有关：一是威德尔环流（Weddell Gyre）的减弱，限制了深层水的流入和更新；二是更强的西风导致Ekman输运增强和上升流增加；三是海冰浓度的变化影响了深层对流过程。一项复杂的最大协变分析显示，威德尔环流的准地转环流与深层水体的热盐结构之间存在显著的十年尺度上的协变性，尤其是WSDW和WSBW。尽管GLORYS12v1能够解析许多相关的物理过程，但其对趋势的高估以及对沿海动力学的不足表示，表明需要改进垂直坐标方案、优化混合参数化方法，并增强观测覆盖，以更准确地捕捉极地地区深层水的变化。

威德尔海作为全球南极底层水（Antarctic Bottom Water, AABW）的重要来源之一，其环流特征与AABW的形成和输出密切相关。AABW是全球深层海洋循环（Global Overturning Circulation）的重要组成部分，因为它从深海输送热量，为全球深海和南大洋的深层区域提供了大量热量输入。自1980年代至2000年代，AABW经历了显著的变暖，约占全球深海和南大洋深层区域热量吸收总量的10%。此外，AABW还经历了体积损失，其流失速率在南大洋达到了?8.2 ± 2.6 × 10? m3 s?1。在威德尔-恩德比盆地（Weddell-Enderby Basin），AABW的收缩速率约为?3.6 ± 2.0 Sv，相当于平均等温线每年下降约15米。这些变化表明，AABW的形成速率可能有所减少，从而影响全球深层海洋循环的下部分支。

在过去的几十年中，AABW的形成速率和输出量的变化引起了广泛关注。这些变化不仅与气候变化有关，还可能影响全球海洋的热盐输送过程。因此，评估AABW的前身水体（如WDW、WSDW和WSBW）的变异性对于理解决定全球深层海洋循环下部分支的演变至关重要。在本研究中，我们重点关注威德尔海这一主要的AABW输出区域。威德尔海的环流特征由威德尔环流和深层海洋循环路径共同决定，这些路径涉及AABW的形成和输出，受到风力和浮力通量的影响。威德尔环流的顺时针旋转是该区域的主要大尺度特征，其平均体积输运约为45–56 Sv。

在威德尔海的西北部和南部沿岸，密集沿岸水（Dense Shelf Water, DSW）与中间层的WDW相互作用，其中WDW的温度在0°C以上，存在于200至1500米的深度范围。DSW的形成主要发生在海冰形成或与冰架相互作用的过程中，当其沿着大陆坡下降时，会形成一个水体流，与WDW或其修改形式（即WDW与浅层接近冰点的温度层——冬季水（Winter Water）混合）相互作用。冬季水的温度约为?1.7°C，存在于50至200米的深度。DSW与WDW的混合过程导致了威德尔环流中深层水体的形成，这些水体包括两种不同的AABW局部变化形式：威德尔海深层水（WSDW）和威德尔海底层水（WSBW）。WSDW的温度范围为0°C至?0.7°C，而WSBW的温度则低于?0.7°C。

尽管这些深层水体在全球海洋循环中具有重要作用，但对它们的监测，尤其是在其来源区域，仍然面临诸多挑战。理解不同尺度的海洋动力学对于识别海洋对当前气候变化的响应以及预测其在未来气候变化情景下的演变至关重要。然而，观测数据在时间和空间上往往分布稀疏，尤其是在深海和极地海区，同时存在季节性偏差。相比之下，气候模型能够提供基于过程的海洋循环理解，并进行未来情景的预测，但它们在解析关键物理相互作用方面存在困难。因此，海洋再分析产品在结合观测数据和模型优势的基础上，成为改善对海洋动力学理解的重要工具。然而，这些产品的可靠性取决于所吸收观测数据的质量和覆盖范围，以及模型内部物理过程的准确性，特别是在观测较少的深层区域。鉴于这些限制，海洋再分析师应进行验证，以确保其准确再现水文变化和趋势，尤其是在深层区域。

在本研究中，我们使用GLORYS12v1再分析产品评估了威德尔海中WDW、WSDW和WSBW的再现情况和变异性。我们特别关注了长期重复水文断面A12和SR4的特征。尽管GLORYS12v1能够再现关键的水文结构和变异性，但在盐度趋势和深层区域仍然存在重要偏差。我们首先分析了这些水体的垂直结构，然后探讨了其时间变异性以及背后的气候因素。通过对比模拟数据与已有观测数据和相关研究，我们评估了GLORYS12v1在再现这些水体方面的准确性。

GLORYS12v1是一种全球范围的海洋物理再分析产品，由欧洲哥白尼海洋环境服务（Copernicus Marine Environment Service, CMEMS）提供。该产品具有1/12°的水平分辨率和50个垂直层次，覆盖了从1993年开始的测高卫星时代。GLORYS12v1旨在提供可靠的海洋物理状态再现，作为支持气候和海洋环境政策的重要工具。然而，其在模拟深层水体时的准确性仍需进一步验证。在本研究中，我们重点关注了威德尔海的深层水体，评估了其在GLORYS12v1中的再现情况。

威德尔海的水体结构主要由南极表层水（Antarctic Surface Water, AASW）和接近冰点的冬季水组成。AASW的温度低于0°C，而冬季水的温度约为?1.7°C，存在于50至200米的深度范围。虽然GLORYS12v1和WOA18（World Ocean Atlas 2018）都能够再现AASW，但再分析产品明显低估了冬季水的含量。在上层海洋中，GLORYS12v1与WOA18之间存在较大的温度和盐度差异，这些差异在上层区域尤为显著。温度差异可达约0.8°C，表明在模拟这些水体时仍需进一步优化模型参数。

此外，威德尔海的深层水体变化趋势与模型的预测结果存在显著差异。WDW在SR4断面表现出人为的淡水化趋势和冷却偏差，这与实际观测到的中性盐度和变暖趋势不符。这种偏差可能源于模型在模拟深层水体时对大气和海洋相互作用的不足。同时，WSDW和WSBW的模拟结果也显示出过高的变暖和盐度增加趋势，这表明模型在再现这些水体的热盐变化时存在一定的问题。这些偏差可能与威德尔环流的减弱、西风的增强以及海冰浓度的变化有关。威德尔环流的减弱可能导致深层水的流入和更新受限，而西风的增强则可能促进Ekman输运和上升流的增加，从而影响深层水的形成和分布。海冰浓度的变化可能进一步影响深层对流过程，导致水体的混合和输送发生变化。

为了进一步探讨这些偏差的成因，我们对GLORYS12v1的模拟结果进行了详细分析。通过对比长期重复水文断面的数据，我们发现模型在某些区域的表现优于其他区域。例如，在某些断面，WDW的温度和盐度变化与实际观测较为一致，而在其他断面则存在明显的偏差。这种差异可能与模型在不同区域的参数化方法和数据同化过程有关。此外，我们还发现模型在某些区域对水体的垂直分层结构的再现较为准确，但在其他区域则存在一定的不足。

在本研究中，我们还探讨了GLORYS12v1在模拟威德尔海深层水体时的局限性。例如，模型在某些区域对水体的垂直分布和混合过程的再现不够准确，这可能影响对深层水体变化趋势的判断。此外，模型在某些区域对水体的形成和输出的模拟结果与实际观测存在显著差异，这表明需要进一步改进模型的参数化方法和数据同化策略。通过这些分析，我们希望为未来的海洋再分析产品提供改进的方向，以更好地再现极地地区深层水体的变化。

总体而言，GLORYS12v1在模拟威德尔海深层水体时表现出了一定的优势，尤其是在再现关键的水文特征和垂直分层结构方面。然而，其在某些区域对水体的温度和盐度趋势的高估，以及对沿海动力学的不足表示，表明需要进一步优化模型的参数化方法和数据同化策略。这些改进将有助于提高对极地地区深层水体变化的准确再现，从而为理解全球海洋循环的演变提供更可靠的数据支持。