IAP海洋鹽度數據正式發布(附下載地址):顯示海洋鹹-淡差異加劇,全球水循環加速

2021-02-23 海洋知圈
2020年9月10日，《Journal of Climate》刊發了題為「Improved estimates of changes in upper ocean salinity and the hydrological cycle」的研究論文。該研究構建了一套更為準確的長時間序列（>60年）全球海洋鹽度格點數據，並估算出過去半世紀全球水循環變化趨勢。論文的第一兼通訊作者是中科院海洋大科學中心共建單位大氣物理研究所成裡京副研究員。

圖1 地球系統水循環平均態示意圖

紅色箭頭示意水循環在加速（圖自NASA：https://gpm.nasa.gov/education/water-cycle）

水循環是聯繫地球各圈層和各種水體的「紐帶」，是地球各圈層之間能量轉移的重要通道，是氣候系統的核心過程之一（圖1）。幾乎所有天氣和氣候現象都涉及水的變化，例如乾旱、颱風、洪水、暴雨、ENSO、降雪等，水循環變化會對人類社會經濟生活產生關鍵影響。在全球變暖背景下，大氣、海洋、陸地不斷升溫，全球水循環到底如何變化？這是一個學科基礎問題。以往研究表明，整體而言全球水循環發生了「乾燥的區域變得更幹，溼潤的區域變得更溼」（即「幹變幹，溼變溼」）的水循環加速趨勢。但水循環強度究竟變化了多少？依然是一個有爭議的科學問題。

海洋鹽度是水循環的一個指針，可用來估算水循環的變化。這是因為降水和蒸發使淡水在海洋和大氣之間轉移，直接導致海水鹽度變化：降水增加對應海水鹽度降低、蒸發加劇對應海水鹽度增加。過去，不同的鹽度研究估算出的過去半世紀水循環加速結果差異較大（2~8%/℃之間），其中一個原因是目前國際上用於此類研究的海洋鹽度數據產品之間差異較大，例如，利用不同鹽度數據計算的太平洋上層0~2000米深度平均鹽度長期變化趨勢之間的差異達到400%（圖2）。

成裡京介紹說，「我們團隊採用自主研發的格點化技術構建了一套新的海洋0-2000米鹽度格點數據（1960年至今，月平均，水平解析度1度，垂向41層）。同時，在國際上首次利用2005年之後具有近全球覆蓋的數據對重構的鹽度數據準確性進行了系統性驗證。驗證結果表明：新的鹽度格點數據（IAP-Salinity）可以準確重構過去60年海洋鹽度年代際和長期變化。從圖2中可以看到，很多國際已有產品在1993年和2005年前後海洋觀測手段系統轉變時期顯示出虛假的『鹽度漂移』，這個偏差極大的影響了傳統鹽度數據在全球變化和物理海洋研究中的應用。」 

圖2 新的IAP鹽度數據和國際已有數據的對比示例

IAP數據（黑色）顯示出非常好的時間連續性，消除了大部分數據中存在的虛假「鹽度漂移」

新數據進一步證實了的海洋「鹹變鹹、淡變淡」的鹽度長期空間變化格局，並首次給出0-2000米平均鹽度變化趨勢（圖3）。結果顯示，過去60年，鹽度相對較低的太平洋在進一步變淡，淡化最明顯的海域為我國臨近的西北太平洋以及澳大利亞以東海域。相反，鹽度相對較高的大西洋中低緯度區域顯著變鹹，信號最顯著的海域也在海盆西邊界區域；而大西洋極地區域顯著變淡，主要由於冰蓋和海冰融化引起的淡水注入海洋導致。在印度洋，鹽度表現出南北相反的變化。總體而言，自1960年以來，全球海洋上層2000米「高-低」鹽度差異已經增大了1.6%（圖4），而海表鹽度差異已經增加了7.5%。

圖3 全球海洋鹽度變化的空間結構

上圖為上層2000米鹽度的氣候平均態。中圖為上層2000米鹽度的變化線性趨勢（1960-2018年）。下圖為各個海盆緯向平均從0到2000米的鹽度變化趨勢 

圖4 1960-2017年0-2000米「鹽度差指數」的時間序列（SC2000）

「鹽度差指數」（Salinity-Contrast index）定義為高鹽度區域的鹽度變化和低鹽度區域的鹽度變化之差，這裡「高」或「低」是相對於過去幾十年的全球海洋平均鹽度而言。因此，如果該指數增加，則表明「鹹變鹹、淡變淡」現象更為明顯。背景圖：積雲和降水 (圖片: 王習麟) 

海洋「鹹變鹹、淡變淡」的鹽度變化主要是由全球水循環「幹變幹、溼變溼」的變化驅動的，本研究也利用新的鹽度格點數據推算了自1960年以來的全球水循環變化，結果表明：全球「幹變幹，溼變溼」水循環格局已經加劇了2~4%/℃。而通過與氣候模式模擬結果結合分析發現：人類活動是造成海洋鹽度格局變化加速的主要原因，這也反映了人類活動對海洋環境的另一項「改造」。基於該估算，如果本世紀全球氣溫比工業革命前升高2℃（《巴黎協定》目標的上限），全球水循環將增強4~8%，這意味著更為劇烈的蒸發（特別是在已經較為乾旱的區域）和更為強烈的降水（特別是在降水已經較多的地區）。蒸發更為劇烈意味著乾旱的地方將變得更為乾旱，直接威脅農業生產和糧食安全。乾旱也容易帶來野火，威脅中國、美國、南美亞馬遜森林等地區的生命和財產安全。更為強烈的降水則容易造成更大的暴雨、洪澇等氣象災害。同時，颱風天氣下降水強度將加大，未來沿海、小島和低洼地區將會面臨更嚴峻的防護壓力。新的鹽度數據（IAP-Salinity）除應用於全球水循環研究外，鹽度變化對大洋環流、海洋生物地球化學過程有重要影響，例如：極地鹽度變化會改變海水密度，對大西洋經向翻轉環流有關鍵調製作用，進而影響全球天氣和氣候；鹽度變化會改變局地海水密度，影響海洋層結穩定性，進而調節海洋垂向能量、物質、碳交換強度，影響海洋生態系統和漁業資源。論文第一作者是來自中科院大氣所成裡京副研究員，合作者包括大氣所朱江研究員和博士生李冠城、趙宣銘，蘇黎世聯邦理工學院N. Gruber，美國國家大氣研究中心K. Trenberth和J. Fasullo，美國賓州州立大學M. Mann以及美國聖託馬斯大學J. Abraham。該研究得到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製」（2017YFA0603202）、中科院海洋大科學中心自主部署項目（COMS2019Q01）等資助。①中科院大氣所：http://159.226.119.60/cheng/；

②中科院海洋大科學研究中心：http://159.226.158.119:38111/thredds/catalog/iap/salt/catalog.html。論文信息：Cheng L., K. E. Trenberth, N. Gruber, J. P. Abraham, J. Fasullo, G. Li, M. E. Mann, X. Zhao, Jiang Zhu, 2020: Improved estimates of changes in upper ocean salinity and the hydrological cycle. Journal of Climate. In press, doi: https://doi.org/10.1175/JCLI-D-20-0366.1.

視頻：1960-2019海洋0~2000米平均鹽度變化趨勢：

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