聯合研究解析半世紀以來海洋層結變化及其三維結構

　　9月28日，中國科學院大氣物理研究所聯合美國國家大氣研究中心、賓州州立大學、美國圣-托馬斯大學組成的國際團隊以Increasing Ocean Stratification Over the Past Half Century為題在Nature Climate Change上發表論文，解析出自1960年以來海洋層結變化的三維結構，指出全球海洋垂向層結已經加強了5.3%。

　　海洋上層平均密度較小、深層密度較大，形成了較為穩定的垂向熱力結構。海洋這種較為穩定的層結結構會抑制垂向混合過程，進而影響熱量、碳、溶解氧、營養鹽等物質和能量的垂向輸送。海洋層結是影響全球氣候的一個關鍵因子，其變化對海洋環流和海洋生態系統有重要影響。

　　在全球變暖的背景下，海洋溫度、鹽度、密度都發生了系統性變化，海洋層結也相應發生一系列變化，那么海洋層結過去幾十年到底變了多少？目前，科學界對海洋層結變化的估算存在較大爭議。2013年發布的IPCC-AR5指出：1971-2010年間，海洋上層200米層結增強了4%；而2019年發布的IPCC海洋和冰凍圈特別報告（SROCC）指出上層200米層結從1971-1990年到1998-2017年增加了2.18%~2.42%，兩次IPCC報告結果迥異。研究人員表示，這主要是由于國際已有的海洋溫度、鹽度數據差異較大，以及傳統層結估算方法存在問題導致。例如，以往一般使用海表和200米處的溫度或密度差來近似代表海洋層結，忽略了海水溫度和鹽度復雜的三維結構。

　　研究利用自主發展的海洋溫度、鹽度網格化數據產品，在一些關鍵技術問題如計算垂向梯度過程中的垂向分辨率不足方面進行了改進，估算了1960年以來海洋上層2000米的層結變化，同時也給出了過去半世紀以來海洋層結變化的三維結構（圖1）。該研究發現，1960年以來海洋上層2000米的層結加強了5.3%，相當于每十年約1%的增速。其中海洋上層150米層結增加了5~18%。同時，深海1500~2000米也已經觀測到顯著的層結增加。此外，海洋層結年際波動主要受到ENSO變率的調控。

　　海洋層結增強反映出海洋的垂向熱力穩定性在加強，這主要是由于上層海洋的增暖速度要比深層海水更快。此外，海水鹽度的變異也直接影響了一些區域的層結變化。例如，在西太平洋熱帶區域，鹽度降低趨勢（淡化趨勢）貢獻了約50%以上的層結增加。在北極海域，由于海冰和冰蓋融化導致的鹽度貢獻主導了層結變化。

　　研究人員表示，海洋層結變化對全球氣候有重要影響。更強的海洋層結會抑制海洋垂向熱量交換，導致熱量容易集中于海洋表層，進而導致全球氣溫上升。已有研究表明，目前的氣候和地球系統模式對海洋層結的模擬能力較弱，使得模式中的海洋層結比觀測偏弱，因而主流的氣候模型可能低估了未來全球變暖的水平。

　　同時，更強的海洋層結會抑制海洋垂向溶解氧輸送，導致海洋內部的氧含量進一步減少，威脅海洋生物的生存。此外，副極地海域層結的增加會抑制海洋深對流，對大洋經圈翻轉環流有重要影響。根據位渦守恒原理，層結的增加也會調節大洋風生流渦。

　　大氣所博士研究生李冠城為論文論文第一作者，大氣所副研究員成里京和研究員朱江為論文共同通訊作者。

　　該研究團隊同時發布了1960-2018年海洋0-2000米層結格點數據。該研究得到了中科院戰略性先導科技專項（B類）“印太交匯區海洋物質能量中心形成演化過程與機制”、國家重點研發計劃全球變化及應對專項“海洋環境變化關鍵參數觀測數據處理方法和產品研制”（2017YFA0603202）、中科院海洋大科學中心自主部署項目（COMS2019Q01）等資助。

1960-2018年間0-2000m海洋層結變化線性趨勢。圖中分別顯示了太平洋、大西洋、印度洋緯向平均趨勢；南大洋趨勢為中間的柱狀圖。