一套具有完整全球海洋覆盖的格点温度数据是深入进行气候变化、海平面上升、物理海洋等研究的重要基础。国际上主要的数据中心都发布了各自的格点化海洋次表层温度数据并得到了广泛的使用,如英国气象局的EN数据、日本气象厅的Ishii数据、美国国家海洋和大气管理局的WOD以及本世纪以来基于Argo的各种格点数据(IPRC、SCRIPPS)等。然而,不同的数据集对海洋次表层温度场的重构有较大差异。一个典型的例子是:近期对“变暖停滞”的科学讨论中,几个主要涉及海洋热含量变化的研究结论互相矛盾,解决这一争论的根本在于找到海洋次表层温度场重构存在的问题并进行有效的解决。

中国科学院大气物理研究所最新的估计揭示,全球上层0-700m海洋变暖(1970-2014)速率为:0.55±
0.14 ×1022J
yr−1。比目前国际上已有的估计(如国际政府间气候变化专门委员会第五次评估报告IPCC-AR5)更快。

过去(特别是Argo浮标观测网之前,~2005年之前),海洋温度观测数据较少且时空分布非常不均匀,因而需要一个时空插值方案(即客观分析或者mapping方法)将观测数据插值为一个具有完整全球覆盖的温度场。以往主要的数据集存在虚假偏差,一个主要原因是时空差值方案存在问题。如何进行合理的时空插值保证得到的分析场偏差最小是需要解决的一个核心问题。

海洋热含量变化是全球变暖的一个重要观测事实,其直接贡献于海平面上升(贡献约为30%~50%),是地球系统能量循环最主要一环(90%的全球变暖能量存储在海洋中),因而对其进行准确估计是气候变化研究的一个重要科学问题。然而目前对热含量的估计仍然存在较大的不确定性:如IPCC-AR5列出了5个独立的热含量估计中,最低为74TW,最高为137TW,相差约100%。这是因为在热含量估计中存在多种偏差。

中国科学院大气物理研究所博士成里京和研究员朱江提出了一个新的空间插值方案(Cheng&Zhu,
2016)。新的方法使用集合最优插值方法,并利用CMIP5多模式的历史模拟提供动力集合样本,以提供更好的初始场和背景误差协方差(定义了信息如何从有观测的区域传递到无观测的区域)。该方法有效克服了目前主流方案的两个主要问题:目前主要格点数据的插值方案的初始场一般设为0,这使得在2005年之前的分析场总是有偏向0的系统性偏差,低估了历史海洋次表层温度的长期变化。目前主要的插值方案误差协方差场大部分为经验性构造的,一般是各向同性的。而利用CMIP5历史模拟能够提供更好的背景误差协方差,能够更准确地定义不同格点之间温度变化的相关性,进而更好地对无观测的区域进行温度场重构。

大气所助理研究员成里京和研究员朱江进行了一系列工作研究热含量估计的主要不确定性和偏差来源:海洋主要的温度观测数据:XBT数据的系统性偏差(Cheng
et al.2014);历史海洋次表层温度廓线垂向分辨率不足(Cheng and Zhu,
2014a)气候平均态的选取(Cheng and Zhu,
2015);如何较好地“猜测”无观测区域的热含量数值(Cheng and Zhu,
2014b)。在对上述4种主要的不确定性和偏差来源进行一系列量化估计之后,成里京、朱江以及美国科学家John
Abraham一起提出了一个新的历史上层海洋热含量估计,作为大气所的历史热含量评估。新的估计显示:上层700m海洋的变暖速率比以往认为的更快(Figure
1a,
比IPCC-AR5的估计快约19%),反映了工业革命之后温室气体的排放导致的地球系统总能量增加。另外,热含量的年际尺度变率主要受厄尔尼诺和南方涛动变率主导。

除mapping方案以外,该数据应用了大气所提出的XBT数据偏差订正方案(Cheng et
al.
2014)对历史XBT数据进行偏差订正,该订正方案是国际XBT研究小组推荐的方案,能够最佳订正XBT系统性偏差,保证了历史海洋次表层观测数据的准确性。

最后,对气候系统模式的结果分析表明:CMIP5模式对上层热含量的长期趋势模拟较好,但对其年际和年代际的模拟不足(Figure
1a,b)。

系统性分析和评估表明:该数据集能够很准确地再现1940-2015历史区间内的气候平均态、年代际变化、年际变率以及长期趋势。该数据集的方法介绍和检验结果发表在近期出版的《气候杂志》(Journal
of Climate
)上(Cheng L. and J. Zhu*, 2016, Benefits of CMIP5
multimodel ensemble in reconstructing historical ocean subsurface
temperature variation, Journal of Climate
, 29, doi:
10.1175/JCLI-D-15-0730.1)。

论文信息:

此外,由NCAR牵头的最新研究(Trenberth et al.
2016)比较了目前最常用的6种次表层格点温度数据(IPRC、SCRIPPS、EN4.1、JAMSTEC77、IAP)对2004-2014之间地球系统能量收支的估计,发现基于次表层温度格点数据的结果在月际尺度误差很大。尽管如此,大气所的格点数据在所用的六种观测数据中误差最小。

  1. Cheng L. Jiang Zhu, and John Abraham, 2015: Global upper ocean heat
    content estimation: recent progress and the remaining challenges
    .
    Atmospheric and Oceanic Science Letters, 8. DOI:10.3878/AOSL20150031.

  2. Cheng, L. and J. Zhu, 2015: Influences of the choice of climatology
    on ocean heat content estimation, Journal of Atmospheric and Oceanic
    Technology
    . 32, 388-394.

  3. Cheng, L., J. Zhu, R. Cowley, T. P. Boyer and S. Wijffels, 2014:
    Time, probe type and temperature variable bias corrections on
    historical expendable bathythermograph observations. Journal of
    Atmospheric and Oceanic Technology
    , 31, 1793-1825.

  4. Cheng, L. and J. Zhu, 2014a: Uncertainties of the ocean heat content
    estimation induced by insufficient vertical resolution of historical
    ocean subsurface observations, Journal of Atmospheric and Oceanic
    Technology
    , 31, 1383-1396.

  5. Cheng, L. and J. Zhu, 2014b: Artifacts in variations of ocean heat
    content induced by the observation system changes, Geophysical Research
    Letters
    , 41, 7276-7283.

新的数据为水平1度×1度网格、垂向从1m到2000m总共41层、月平均的从1940到2015年的温度数据。

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数据下载地址为:

图:
海洋上层0-700m热含量估计,以及40个CMIP5气候系统模式输出(灰色线,黑色为集合平均)。
热含量变化的年际变率:蓝色为本文得到的观测结果,红色为CMIP5模式集合平均,蓝色阴影为Nino3.4指数。

相关论文:

  1. Cheng L. and J. Zhu*, 2016, Benefits of CMIP5 multimodel ensemble
    in reconstructing historical ocean subsurface temperature variation,
    Journal of Climate
    , 29, doi: 10.1175/JCLI-D-15-0730.1.

  2. Trenberth K, K., J. Fasullo, K. von Schuckmann, L. Cheng, Insights
    into Earth’s energy imbalance from multiple sources. Journal of
    Climate.
    doi:10.1175/JCLI-D-16-0339, in press.

  3. Cheng L., J. Zhu*, R. Cowley, T. P. Boyer and S. Wijffels, 2014:
    Time, probe type and temperature variable bias corrections on
    historical expendable bathythermograph observations. Journal of
    Atmospheric and Oceanic Technology
    , 31, 1793-1825.

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www.204.net,大气所发布历史(1940-2015)海洋温度格点数据

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