基于海平面收支方法的深海增温证据

《Earth's Future》：Evidence of Increased Deep Ocean Warming From a Sea Level Budget Approach

　　

自20世纪90年代初卫星测高时代以来，对全球平均海平面（GMSL）收支的评估得出结论，在数据不确定性范围内，GMSL收支在2016年之前是闭合的。然而，研究表明，自那以后，基于Argo（全球海洋实时观测网）数据（用于热容贡献，深度至2000米）的海平面收支不再闭合。研究人员使用一个未同化测高数据的海洋再分析资料表明，考虑深海热容贡献（2000米以下，未被Argo采样）使得GMSL收支自2016年以来几乎可以闭合。2005-2022年期间的深海贡献估计为0.4 ± 0.15 毫米/年，约占该时期观测到的GMSL上升量的10%。这代表了深海对海平面上升的贡献显著增加，此前估计在1980-2010年期间仅为约0.1毫米/年。这一发现揭示了深海增温正变得日益重要，并且海洋热吸收现已到达2000米深度以下的几个区域，特别是西北大西洋和南大洋。

**论文解读：基于海平面收支闭合的深海增温证据**

**研究背景与问题**
全球平均海平面（GMSL）是整合气候变化系统（包括海洋、冰冻圈、陆地水圈和大气）变化的关键指标，通过海水热膨胀以及陆地-海洋、大气-海洋水质量交换来反映。自20世纪90年代初以来，卫星测高技术实现了对GMSL的准全球覆盖和持续监测。观测显示，GMSL在1993-2025年间平均上升了约12厘米，且上升速率在21世纪10年代初急剧增加。为了解构GMSL上升的成因，国际社会建立了独立的观测系统：自21世纪00年代中期以来，Argo浮标网络测量2000米以上的海洋温盐变化；自2002年起，重力恢复与气候实验（GRACE）及其后续任务（GRACE-FO）通过空间重力测量监测冰冻圈和水圈的质量变化。这些观测使得研究人员能够量化并分离GMSL上升的两个主要贡献源：海洋热膨胀（热容海平面变化）和海洋质量增加（主要源于冰川、格陵兰和南极冰盖的质量损失以及陆地水储量变化）。通过比较观测的GMSL与热容、质量贡献分量之和来评估海平面收支闭合，对于归因海平面加速、识别观测系统未覆盖的贡献（如2000米以下深海增温）、交叉校准观测系统以及验证气候模型至关重要。

在2016/2017年之前，基于观测的研究普遍认为GMSL收支在数据不确定性范围内是闭合的。然而，近期的多项研究（如Barnoud等人，2021；Chen等人，2020；Cheng等人，2024）发现，自2016年左右起，即使考虑了观测系统的已知误差（如Jason-3测高卫星的辐射计漂移误差），基于Argo（0-2000米）热容贡献和GRACE海洋质量贡献之和，仍显著低于卫星测高观测的GMSL上升，即收支出现“不闭合”现象。这种不闭合暗示可能存在一个尚未被充分量化的贡献源，例如永久冻土融化或深海（2000米以下）热容贡献。由于永久冻土融化数据缺乏，深海增温成为一个值得探究的关键候选因素。

**研究目的与方法**
本研究的核心目的是重新审视GMSL收支，探究2016年之后出现的收支不闭合现象是否可由未被Argo采样的深海热容贡献来解释。为此，研究人员采用了基于海平面收支的方法，并引入了一个新的数据源：Cnr ISMAR Global historicAI Reanalysis（CIGAR）海洋再分析系统。该研究由Storto和Yang（2024）开发，是一个基于32个不同配置成员的集合平均再分析，其关键优势在于**未同化任何卫星测高数据**，从而避免了测高数据对估算深海贡献可能产生的循环影响。研究时段为2005年1月至2022年12月，覆盖了Argo和GRACE的观测时代。

研究主要使用了以下几类关键数据和技术方法：
1. **海平面数据**：采用哥白尼气候变化服务（C3S）提供的DT2021版本网格化海平面异常数据，并进行了仪器漂移（如TOPEX A、Jason-3辐射计）和冰川均衡调整（GIA）等校正。
2. **热容海平面数据**：
* **观测数据**：使用五种Argo温盐数据集的集合平均（0-2000米），以及IAPv4全球海洋温度产品（0-6000米），计算热容海平面。
* **再分析数据**：使用CIGAR再分析的集合平均，分别计算0-2000米（上层海洋）和0-6000米（全深度）的热容海平面时间序列。
3. **海洋质量数据**：
* **GRACE/GRACE-FO数据**：使用三个机构（CSR、JPL、GSFC）发布的最新RL06 mascon解的集合平均来估算全球平均海洋质量变化。
* **分量加和法**：综合全球冰川物质平衡（基于WGMS数据）、格陵兰与南极冰盖物质平衡（基于IMBIE项目数据）以及陆地水储量（基于WaterGap水文模型WGHM）数据，直接求和得到海洋质量贡献。
4. **验证与对比**：通过比较CIGAR热容数据与Argo观测数据（0-2000米）、IAPv4数据以及由“测高GMSL减去GRACE海洋质量”得到的全深度热容估计，来验证CIGAR再分析的可靠性。
5. **区域分析**：计算CIGAR再分析中区域性的上层海洋（0-2000米）和深海（2000米以深）在两个连续时段（2016-2022年减去2009-2015年）的热容海平面差异，以揭示增温的空间分布，并与IAPv4数据进行对比。

**研究结果**
1. **海平面收支不闭合的确认**：使用Argo数据（0-2000米）计算热容贡献时，无论海洋质量贡献是来自GRACE数据还是各分量加和，GMSL收支自2016年左右起均出现显著不闭合，残差（观测GMSL减去分量和）呈现正趋势（约0.5毫米/年）。这排除了GRACE数据不确定性或已知的Jason-3测高误差作为主要原因的可能性。
2. **深海贡献对收支闭合的关键作用**：当使用CIGAR再分析的全深度（0-6000米）热容数据时，2005-2022年期间的GMSL收支实现了准闭合，平均残差趋势（0.01 ± 0.22 毫米/年）不显著。相比之下，仅使用CIGAR的0-2000米热容数据时，收支仍然不闭合。这表明，考虑深海（2000米以下）热容贡献是解释近期收支不闭合的关键。
3. **深海增温贡献的量化与变化**：基于CIGAR数据，估算出2005-2022年期间深海（2000-6000米）对GMSL上升的贡献为0.4 ± 0.15 毫米/年。这一数值显著高于Purkey和Johnson（2010）基于1980-2010年船测数据估算的约0.1毫米/年，表明深海增温贡献在近期大幅增加。
4. **CIGAR数据的验证**：CIGAR再分析的0-2000米热容海平面趋势与Argo观测集合平均及IAPv4数据高度一致（均为约1.3毫米/年）。同时，CIGAR全深度热容趋势（1.7毫米/年）与由“测高GMSL减去GRACE海洋质量”间接估算的全深度热容趋势以及IAPv4全深度趋势（1.6毫米/年）吻合良好，支持了CIGAR再分析在刻画全球平均深海增温方面的可靠性。
5. **区域深海与上层海洋增温模式**：
* **深海增温（2000米以深）**：CIGAR和IAPv4数据均显示，2016-2022年相较于前七年，深海增温主要发生在**西北大西洋、南大洋（南极周围）** 以及地中海等区域。这些区域与深层水形成区（如拉布拉多海、威德尔海、罗斯海）及大西洋经向翻转环流（AMOC）的下层分支位置重合。**太平洋**大部分深海区域则未显示显著增温信号。
* **上层海洋增温（0-2000米）**：CIGAR和IAPv4数据一致表明，2016-2022年期间，**太平洋**的上层海洋出现了广泛的增温。**大西洋**（尤其是西北大西洋和南大西洋）的上层海洋也呈现显著增温。
6. **对区域海平面变化与气候指数脱钩的解释**：研究发现，自2016/2017年起，去除长期趋势后的太平洋和大西洋平均海平面的年代际变化，与此前高度相关的太平洋年代际振荡（PDO）发生脱钩。结合CIGAR的区域分析，研究人员提出：太平洋海平面的近期加速上升主要源于其**上层海洋的增强增温**；而大西洋海平面的加速上升则可能源于**全海柱（上层和深海）的协同增温**。这需要进一步研究以区分内部气候变率和外部强迫的影响。

**讨论与结论**
本研究通过海平面收支方法，提供了深海增温在近期（特别是2016年后）变得显著并导致GMSL收支不闭合的证据。使用未同化测高数据的CIGAR海洋再分析，研究人员发现考虑全深度（包括深海）热容贡献后，GMSL收支得以准闭合。估算的2005-2022年深海热容贡献（0.4 ± 0.15 毫米/年）远高于早期估计，表明深海在全球海洋热吸收和海平面上升中的作用日益凸显。

讨论部分指出，海洋储存了温室气体排放导致的气候系统过剩热量的90%以上。尽管深海原位观测（如船测剖面、深海Argo）在时空覆盖上仍不充分，但近期多项基于不同数据源的研究（如Cheng等人，2024；Johnson和Purkey，2024）也报告了深海（特别是南大洋和北大西洋）的显著增温及可能的加速趋势。本研究的结果与基于地球能量失衡（EEI）分析（显示自2010年代中期以来上层海洋热含量与TOA辐射通量估算存在差异）的发现相一致，共同指向了深海热吸收这一新兴贡献。

研究人员强调，本研究的结论依赖于CIGAR再分析，但已通过多个独立数据集（Argo、IAPv4、地学方法估算的全深度热容）在趋势和区域模式上进行了验证，显示了良好的一致性。然而，由于深海直接观测的稀缺性，未来需要更多深海Argo数据来提供直接观测证据。同时，需要结合气候模型（如CMIP）来进一步辨析近期深海变化是源于内部气候变率、人为强迫响应还是两者共同作用，并深入探究其背后的物理机制（如海洋环流、深层水形成过程、表面大气强迫的各自贡献）。

**研究结论**：The non-closure of the GMSL budget beyond 2016 is possibly due to the emerging contribution of the deep ocean warming signal. The use of ocean reanalyzes to estimate the total thermosteric component has allowed us to close the sea level budget beyond 2016/17. A deep ocean contribution of 0.4 ± 0.15 mm/yr to the GMSL rise was found for the 2005–2022 time span.（2016年之后全球平均海平面收支的不闭合可能源于深海增温信号的显现。使用海洋再分析估算总热容贡献，使得海平面收支在2016/17年之后得以闭合。研究发现，2005-2022年期间，深海对全球平均海平面上升的贡献为0.4 ± 0.15 毫米/年。）