準確的全球海洋溫度和熱含量格點觀測數(shù)據(jù)集對于海洋和氣候科學研究、氣候監(jiān)測及業(yè)務(wù)化應(yīng)用具有重要意義。由中國科學院大氣物理研究所(以下簡稱“大氣所”)牽頭,聯(lián)合中國科學院計算機網(wǎng)絡(luò)信息中心、中國科學院海洋研究所、嶗山實驗室、中國科學院南海海洋研究所、美國國家大氣研究中心、意大利國立地球物理與火山學研究所、新西蘭奧克蘭大學等機構(gòu),在《EarthSystemScienceData》期刊上正式發(fā)布了第四代的全球海洋溫度和熱含量格點觀測數(shù)據(jù)集(IAPv4)(Cheng*etal.2024)。IAPv4數(shù)據(jù)集具有全球海洋1°×1°分辨率,覆蓋海洋1~6000米(119層),時間跨度自1940至今(月平均)。
相對于國際同類以及上一個版本的IAPv3數(shù)據(jù)集,IAPv4數(shù)據(jù)集在多個技術(shù)層面實現(xiàn)了顯著提升,包括原始觀測數(shù)據(jù)的質(zhì)量控制、偏差訂正和格點化技術(shù)(表1)。其技術(shù)優(yōu)勢體現(xiàn)在:1)IAPv4采用了自主研發(fā)的CODC-QC數(shù)據(jù)質(zhì)量控制系統(tǒng)對數(shù)據(jù)錯情進行標注(Tanetal.,2023),其準確率較國際主流的質(zhì)控技術(shù)有較大提升,提高了觀測數(shù)據(jù)的準確性。2)針對不同類型的觀測儀器分別采用了新的偏差訂正方案,確保了觀測數(shù)據(jù)的無偏性。針對XBT(拋棄式探溫儀)、MBT(機械式探溫儀)、OSD(南森瓶)、APB(動物攜帶的傳感器)四種類型儀器,分別采用了大氣所牽頭提出的CH14校正方案(Chengetal.,2014)、GC20方案(Gouretski*andCheng,2020)、GBC22方案(Gouretski*,BoyerandCheng*,2022)、GRC24方案(Gouretski*,RoquetandCheng*,2024)進行了偏差訂正,這是目前國際上最完整地訂正了儀器系統(tǒng)性偏差的數(shù)據(jù)集。3)IAPv4改進了大氣所過去提出的基于動態(tài)樣本的集合最優(yōu)插值方法,對數(shù)據(jù)進行更準確的空間格點化重建,該格點化方法在以往國內(nèi)、外的獨立驗證中均體現(xiàn)出顯著的優(yōu)勢;4)IAPv4實現(xiàn)了在國產(chǎn)超算系統(tǒng)上的并行化快速構(gòu)建,為國產(chǎn)超算系統(tǒng)對推動海洋科學研究,提升算力利用率提供了新的示例。
表1.IAPv4和IAPv3數(shù)據(jù)集對比。IAPv4使用了新一代質(zhì)量控制、偏差訂正、格點化技術(shù),使用了新的氣候平均態(tài),提高了數(shù)據(jù)垂向分辨率。
IAPv4揭示出了海洋溫度和熱含量變化的一系列新特性,例如,圖1為自1955年以來的全球海洋熱含量變化測算,結(jié)果顯示:1)自1955年以來海洋變暖速率比以往認為更快,主要是因為訂正了海洋歷史數(shù)據(jù)中新發(fā)現(xiàn)的系統(tǒng)性偏差;2)2005年以來的海洋變暖速率也比以往認為更快,主要是因為新的數(shù)據(jù)質(zhì)量控制方案能夠在保留更多真實數(shù)據(jù)的前提下識別出更多的錯誤的觀測數(shù)據(jù);3)自1993年以來,2000米以下深海變暖趨勢以往認為的更強,主要是因為以往的重構(gòu)方法具有“保守性”的系統(tǒng)性誤差。因此,新數(shù)據(jù)集為進一步理解海洋和地球系統(tǒng)能量儲存、輸送和熱量在多圈層的交換過程和機理提供了更為準確的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。
圖1.IAP海洋溫度數(shù)據(jù)集計算得到的全球海洋熱含量時間序列。
論文也對新的數(shù)據(jù)集進行了一系列分析和評估,發(fā)現(xiàn)IAPv4能夠準確再現(xiàn)過去半世紀的海洋溫度和熱含量的氣候平均態(tài)、年際變率(如厄爾尼諾-南方濤動)、年代際變化以及長期趨勢。例如,IAPv4可以更好的閉合地球系統(tǒng)能量收支(圖2a)。新的測算發(fā)現(xiàn),由于全球變暖導(dǎo)致的1960-2023年期間地球系統(tǒng)的凈能量攝入中,有90.8%儲存在海洋中,其余9.2%用于加熱大氣、加熱陸地、融化海冰/冰蓋/冰川(Chengetal.2024b)。
圖2.(左圖)閉合1960年以來地球系統(tǒng)能量收支。虛線為基于衛(wèi)星觀測數(shù)據(jù)測算的進入地球的凈能量;不同顏色陰影表示基于多圈層觀測數(shù)據(jù)測算出的各圈層儲存的能量。(右圖)閉合1960年以來全球海平面變化收支。虛線為直接衛(wèi)星高度計直接觀測到的總的全球海平面變化;不同顏色陰影表示基于多圈層觀測數(shù)據(jù)測算出的各因子的貢獻。
此外,基于IAPv4數(shù)據(jù)集,論文重新測算了海洋熱膨脹導(dǎo)致的比容海平面變化。全球海平面上升主要由海水質(zhì)量增加和海洋熱膨脹兩個因素導(dǎo)致,論文結(jié)合海水質(zhì)量變化的最新測算,利用IAPv4測算了海洋變暖膨脹的貢獻,發(fā)現(xiàn)海洋變暖膨脹的貢獻比以往研究更強,可以更好地閉合過去半世紀以來的全球海平面收支(圖2b)。
經(jīng)過質(zhì)量控制和偏差訂正后的全球海洋溫度剖面觀測數(shù)據(jù)集(CODC-v1;Zhangetal.2024)也面向全球公開共享,可以通過中國科學院海洋科學數(shù)據(jù)中心網(wǎng)站(
http://dx.doi.org/10.12157/IOCAS.20230525.001)以及大氣所海洋和氣候團隊網(wǎng)站(
www.ocean.iap.ac.cn)免費下載使用。值得一提的是:CODC-v1觀測數(shù)據(jù)集主要數(shù)據(jù)來源為NOAA的“全球海洋數(shù)據(jù)庫”(WOD),除此之外,還新增了通過文獻檢索、國內(nèi)公開共享數(shù)據(jù)集、國際合作等方式獲取的85,990條未被WOD收錄的數(shù)據(jù),均已融合到IAPv4數(shù)據(jù)集中。
論文第一作者和通訊作者為中國科學院大氣物理研究所成里京。合作作者包括中國科學院大氣物理研究所海洋與氣候團隊的潘玉瑩、譚哲韜、鄭化毅、朱雨靜、魏旺栩、杜娟、葉罕霖、V.Gouretski、朱江;中國科學院計算機網(wǎng)絡(luò)信息中心原惠峰;生態(tài)環(huán)境部珠江南海局監(jiān)測與科研中心李冠城;中國科學院海洋研究所李元龍、張斌、靳雨春;嶗山實驗室林霄沛;中國科學院南海海洋研究所陳更新;美國圣托馬斯大學J.Abraham;美國國家大氣研究中心K.E.Trenberth;意大利國立地球物理與火山學研究所F.Reseghetti;美國賓夕法尼亞大學M.E.Mann。該研究得到了國家自然科學基金(42122046,42076202,42206208,42261134536)、中國科學院戰(zhàn)略重點研究項目(XDB42040402)、新基石科學基金會、達摩院青橙獎等項目的資助。本文的計算得到“東方”超級計算系統(tǒng)、國家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施“地球系統(tǒng)數(shù)值模擬裝置”的支持與幫助。
相關(guān)論文:
Cheng,L.*,Pan,Y.,Tan,Z.,Zheng,H.,Zhu,Y.,Wei,W.,Du,J.,Yuan,H.,Li,G.,Ye,H.,Gouretski,V.,Li,Y.,Trenberth,K.,Abraham,J.,Jin,Y.,Reseghetti,F.,Lin,X.,Zhang,B.,Chen,G.,Mann,M.,andZhu,J.:IAPv4oceantemperatureandoceanheatcontentgriddeddataset,EarthSyst.Sci.Data,
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