張 敏趙 昌張遠凌姜文正王 剛*

(1.自然資源部 第一海洋研究所,山東 青島266061；2.青島海洋科學與技術試點國家實驗室 區(qū)域海洋動力學與數(shù)值模擬功能實驗室,山東 青島266237；3.自然資源部 海洋環(huán)境科學與數(shù)值模擬重點實驗室,山東 青島266061)

全球變暖過程中,地球氣候系統(tǒng)增加的熱量90%以上被儲存在海洋中,表現(xiàn)為全球海洋熱含量增加[1-2]。海洋熱含量(Ocean Heat Content,OHC)的變化是全球氣候變化中最為關鍵的一環(huán),且過去60 a中表現(xiàn)出變暖加速的趨勢[3]。海洋熱含量的增加會導致海洋生態(tài)系統(tǒng)失衡[4-5]、海冰及冰架消融[6]、海平面上升[7-8]、洋流系統(tǒng)改變[9-10]、極端氣候事件頻發(fā)[11]等一系列問題。發(fā)端于20世紀末21世紀初的全球變暖減緩現(xiàn)象[12]激發(fā)了科學家們對海洋熱量吸收并存儲的關注。諸多研究認為,海洋表層以下熱含量的增加是全球變暖減緩的主因[13-17]。雖然21世紀初開始Argo的布放豐富了全球海洋的觀測數(shù)據(jù),使近期海洋熱含量的估算更加準確[18],但對于研究年代際、多年代際甚至百年尺度等長期的海洋熱含量的變化,仍然需要時空精度較低的歷史觀測數(shù)據(jù)的支撐。以往的研究一直致力于改進歷史觀測數(shù)據(jù)的質量,以期能夠更準確地重構過去海洋的狀態(tài)[18-21]。然而,由于過去海洋觀測數(shù)據(jù)有限,不同的海洋重構數(shù)據(jù)集存在較大的差異。這也導致如海洋增暖幅度等熱點問題,基于不同數(shù)據(jù)所得到的結果不盡相同[22]。

目前海洋熱含量研究中常用的基于觀測的重構數(shù)據(jù)包括Ishii[23],EN4[24],IAP[25],以及本世紀以來基于Argo的格點數(shù)據(jù)重構的IPRC,SCRIPPS[26]等。這幾套數(shù)據(jù)產(chǎn)品構建的全球海洋熱含量時間序列存在差異[27],差異主要來源于各數(shù)據(jù)集對儀器偏差的處理方法、格點數(shù)據(jù)的構建方法以及對氣候態(tài)的定義等[18,21,28]。此外,Ishii和EN4常作為“真實”數(shù)據(jù),用于對比驗證模式模擬結果[29]。在2000年Argo計劃實施之前的三十余年,海洋次表層溫度主要由拋棄式溫度剖面儀(eXpendable Bathy Thermograph,XBT)觀測獲得,XBT數(shù)據(jù)占1970—2001年間所有次表層溫度數(shù)據(jù)的41%,這也是目前所有歷史數(shù)據(jù)的主要組成部分[3]。由于XBT上僅有溫度傳感器而無壓力傳感器,其觀測海水溫度對應的深度由降速方程和XBT進入水中的時間計算獲取,從而引入了XBT數(shù)據(jù)的系統(tǒng)偏差；并且,XBT的下降速率隨著保存期限也會產(chǎn)生漂移[19]。這兩者是造成XBT觀測數(shù)據(jù)偏差的主要原因。針對XBT以及后續(xù)的MBT(機械型溫度計)數(shù)據(jù)偏差的校正,國際上不同的研究單位和小組提出了多種訂正方案以減小數(shù)據(jù)的系統(tǒng)性偏差[18,21,23,28,30]。

修正XBT數(shù)據(jù)偏差時需考慮下面多種因素：溫度和深度偏差的同步訂正、儀器的差異、海水溫度的影響、不同時期歷史偏差不一致等[21]。以往研究常采用同期的就近海洋站(Ocean Station Data,OSD)和溫鹽深儀(Conductivity Temperature Depth,CTD)的觀測來訂正XBT和MBT數(shù)據(jù)。其中EN4根據(jù)2種校正方案提供了兩套數(shù)據(jù)。前人[27]雖然比較了Ishii,EN4和IAP三套數(shù)據(jù)在海洋熱含量分析中的異同,但未考慮EN4兩套數(shù)據(jù)產(chǎn)品的差異。本研究采用集合經(jīng)驗模分解方法,研究1970—2017年間EN4中的海水溫度和海洋熱含量,重新審視2種方式校正的EN4產(chǎn)品在估算全球海洋熱含量變化時的差異,為EN4兩套數(shù)據(jù)應用于全球氣候變化等重點科學問題的研究提供參考。

1 數(shù)據(jù)和方法

1.1 數(shù) 據(jù)

本文用做對比的兩套數(shù)據(jù)均來自于英國氣象局質量控制的溫鹽數(shù)據(jù)產(chǎn)品(EN4.2.1版本)。作為最新的EN4數(shù)據(jù)集,與以往的EN數(shù)據(jù)集相比,EN4在數(shù)據(jù)質量控制方面進行了很大的改進,并提供數(shù)據(jù)的不確定性估計[24]。EN4的主要觀測數(shù)據(jù)來自全球海洋數(shù)據(jù)庫(World Ocean Database,WOD,最新版本W(wǎng)OD09)、CORA(Coriolis Ocean datasat for ReAnalysis),北極觀測海洋學項目(Arctic Synoptic Basin-wide Observation,ASBO)、全球溫鹽剖面計劃(Global Temperature and Salinity Profile Program,GTSPP),以及Argo全球數(shù)據(jù)中心(Argo Global Data Assembly Centers,GDACs)自2000年以來的Argo數(shù)據(jù)集[24]等。而在沒有觀測數(shù)據(jù)的地方,EN4采用1971—2000年的氣候態(tài)平均值進行重構。

EN4采用最優(yōu)插值方法在每個海洋層進行數(shù)據(jù)校正和重構。在處理XBT或MBT數(shù)據(jù)與OSD/CTD數(shù)據(jù)平均值之間的差異時采用了不同的統(tǒng)計量：EN4.2.1G10[20]采用了算數(shù)平均值(以下簡稱為EN4G10),而EN4.2.1L09[19]采用了中位值以減少異常值對差異估計的影響(以下簡稱為EN4L09)。兩者都包含全球1900至今的海水溫度和鹽度數(shù)據(jù),時間分辨率為月,空間水平分辨率為1°×1°,從約水下5～5 500 m深度分為42個垂向層。20世紀60年代中期開始,由于XBT的使用,海洋次表層溫度數(shù)據(jù)覆蓋率大幅增加,故本文截取1970—2017年EN4.2.1的兩套校正數(shù)據(jù)進行對比。

1.2 方 法

OHCdepth表示某一深度以上水層中的海洋熱含量,計算公式為

式中,t是海水攝氏溫度,ρ和Cp分別為海水密度和比熱容。本研究主要對比兩套數(shù)據(jù)中0～1 000 m海洋熱含量的差異及其產(chǎn)生機制。由于1 000 m以淺水層觀測數(shù)據(jù)覆蓋率較高,我們的比較僅限于該深度范圍。

本研究結合集合經(jīng)驗模分解方法(EEMD)[31]對比分析EN4.2.1兩套數(shù)據(jù)海洋熱含量在不同時間尺度上的差異。EEMD是在經(jīng)驗模分解方法[32]的基礎上提出的一種噪聲輔助的分解方法。其分解的原理是將白噪聲引入原始數(shù)據(jù)中,由于白噪聲具有正態(tài)分布特點,使得混合后的信號具有相對均勻的極值點,弱化了原始信號中極值點間的距離比差異,從而降低了模態(tài)混疊的問題；另一方面,由于白噪聲具有零均值特性,經(jīng)過多次添加隨機白噪聲后,平均得到的集合經(jīng)驗模分解IMF分量中的白噪聲部分可相互抵消,實現(xiàn)原始信號的不同頻率模態(tài)分量的有效分解。因而,EEMD可以有效地分解出非線性信號在不同時間尺度上的分量,以及非線性趨勢項。該方法的詳細介紹可參見 Wu等[31]和Huang等[32],在本研究中所使用的MATLAB的EEMD代碼可以從http：∥rcada.ncu.edu.tw/research1.htm下載。

2 結果與討論

2.1 EN4兩套數(shù)據(jù)0～1 000 m海洋熱含量的時空差異

圖1顯示了EN4G10和EN4L09在全球及各個海盆0～1 000 m海洋熱含量的時間序列及差異。總體來看,兩套數(shù)據(jù)在分析時段的前段(1970—1985年)及后段(2006—2017年)較為一致,主要差異出現(xiàn)在1985—2005年間,可達約5×1022J。此差異的量級與不同儀器的殘余偏差導致的數(shù)據(jù)集之間的差異相當[20]。在1985—2005年間,EN4G10和EN4L09在太平洋、大西洋和印度洋均表現(xiàn)出明顯的差異。值得注意的是,雖然南大洋EN4G10和EN4L09的差異不大,但這并不代表南大洋數(shù)據(jù)質量高。這是因為此海區(qū)觀測數(shù)據(jù)稀少,EN4以1970—2000年的氣候態(tài)均值進行補充,導致兩套數(shù)據(jù)的差異不大。即便如此,1985—2005年間南大洋海區(qū)兩套數(shù)據(jù)之間也出現(xiàn)了細微的差異。此外,兩套EN4數(shù)據(jù)在1985—2005年間還存在周期約為6～7 a的年際差異,其中1985年、1991年及1998年差異最大。

圖1 1970—2017年EN4G10和EN4L09海洋熱含量(0～1 000 m)在全球及各個海盆的時間序列及差異Fig.1 Time series of the OHC in upper 1 000 m from 1970 to 2017 for the global,Atlantic,Southern Pacific and Indian Oceans and corresponding discrepancies between EN4G10 and EN4L09

進一步分析1985年、1991年和1998年這3 a中,EN4G10和EN4L09兩套數(shù)據(jù)年平均差異的空間特征(圖2)。兩套數(shù)據(jù)的年平均差異主要集中在熱帶及亞熱帶海域(30°S～30°N),且隨著觀測數(shù)據(jù)覆蓋率的增加而增大。1985年,差異主要分布在東太平洋和南大西洋；1991年,在大西洋的差異明顯大于太平洋；1998年,差異隨著觀測數(shù)據(jù)的增加而明顯增大,且空間分布比較均衡,主要與大洋XBT觀測站位大致吻合。

圖2 1985年、1991年和1998年EN4G10和EN4L09海洋熱含量(0～1 000 m)年平均差異的空間分布Fig.2 Spatial distribution of OHC discrepancies between EN4G10 and EN4L09 in upper 1000 m for the years 1985,1991 and 1998

2.2 EN4兩套數(shù)據(jù)差異的來源

EN4G10與EN4L09的數(shù)據(jù)源是一致的,造成兩套數(shù)據(jù)集差異的主要原因是在數(shù)據(jù)校正過程中選取了不同的統(tǒng)計量[19-20]。由式(1)可以得知,熱含量的計算主要依賴于各層的海水溫度,為此我們進一步對比EN4兩套數(shù)據(jù)海洋垂向各層溫度在1985年、1991年及1998年的差異。圖3給出它們的空間分布?？傮w來看,1985年與1991年EN4兩套數(shù)據(jù)的差異主要集中在海洋上層500 m,而1998年的差異體現(xiàn)在海洋整層。除此之外,這3 a中的差異都在上200 m明顯偏大。相對于EN4G10,EN4L09的溫度呈現(xiàn)正位相的系統(tǒng)性差異,差異主要在0.2～0.4℃；1991年與1998年,局部海域的差異甚至超過0.5℃。這表明中位值的取法應該大于平均值,導致了EN4L09在1985—2005年熱含量的估計高于EN4G10。該結果與前人的研究一致[19-20]。

圖3 1985年、1991年和1998年EN4G10和EN4L09兩套數(shù)據(jù)海洋溫度在各層差異的空間分布Fig.3 Spatial distribution of the temperature discrepancies between EN4G10 and EN4L09 at different vertical layers for the years 1985,1991 and 1998

導致EN4G10和EN4L09兩套數(shù)據(jù)差異的最根本的原因是XBT數(shù)據(jù)的“不成熟”。XBT觀測及處理引入的偏差進而導致了XBT與CTD數(shù)據(jù)對比校正的偏差。因而即使同樣的數(shù)據(jù)源,在計算XBT或MBT數(shù)據(jù)與OSD/CTD數(shù)據(jù)平均值之間的差異時,選取算數(shù)平均值[20]和中位值[19]也會加劇差異。兩套數(shù)據(jù)在1985年、1991年及1998年的差異最大值均出現(xiàn)在緯度30°S～30°N,深度范圍50～150 m。這是由于船舶走航的XBT觀測主要集中在這一海域,并且這一海域上層溫度較高,溫躍層變化較為劇烈,從而即使是同一數(shù)據(jù)源,不同的校正方式下也會出現(xiàn)較大的偏差[19]。值得注意的是,兩套數(shù)據(jù)差異最大的這幾個年份均為強厄爾尼諾年,其中在1983—1984年和1997—1998年的強厄爾尼諾所造成的海洋表層的溫度異?？筛哌_3～5℃[33]。這種強厄爾尼諾現(xiàn)象對XBT偏差校正的影響還需要進一步的研究和探討。

1985年之前和2005年之后,EN4G10和EN4L09兩套數(shù)據(jù)差異相對較小,其原因各不相同。在1970—1985年期間,觀測數(shù)據(jù)相對于后期較少,缺失觀測數(shù)值會采用1970—2000年的氣候態(tài)平均值填補,這部分數(shù)據(jù)不存在校正方法引入誤差的問題；而2005年之后,隨著大量Argo觀測數(shù)據(jù)的納入,數(shù)據(jù)的覆蓋率大量增加,測量精度也大大提高,從而EN4的兩套數(shù)據(jù)的差異較小。

2.3 EN兩套海洋熱含量數(shù)據(jù)在不同時間段的平均偏差

我們以1970年為起點,計算不同長度時間內EN4G10與EN4L09兩套數(shù)據(jù)的海洋熱含量的線性趨勢。圖4顯示的是海洋熱含量在不同時間段內的平均偏差。在整個1970—2017年期間,兩套數(shù)據(jù)的差別不大,且集中于幾條主要的觀測路徑。然而當時間段終點落在差異顯著的1985—2005年期間時,整個熱帶及亞熱帶海域(30°S～30°N)表現(xiàn)出較大的差異,格點差異值可高達5×1018～6×1018J。由此可以推斷,在全球海洋熱含量的線性趨勢分析中,如果選用EN4的數(shù)據(jù)作為對比數(shù)據(jù),那么兩套數(shù)據(jù)在不同時間段的線性趨勢有較大差異；尤其是1985—2005年的數(shù)據(jù)對結果影響較大。因而,如果采用EN4分析海洋熱含量的趨勢,并與其他再分析或者模式數(shù)據(jù)進行對比,兩套數(shù)據(jù)得到的結論有可能會不一致。

圖4 EN4G10與EN4L09在不同時間段線性趨勢差異的空間分布Fig.4 Spatial distribution of the discrepancies in linear trend of the OHC between EN4G10 and EN4L09 for different time range

為進一步分析EN4G10和EN4L09在季節(jié)尺度的差異,我們計算了1985—2005年兩套數(shù)據(jù)上1 000 m海洋熱含量全球及各個海盆海洋熱含量的氣候態(tài)平均(圖5)。由圖5可見,全球及各個海盆的海洋熱含量年變化態(tài)勢基本一致。全球海洋熱含量的氣候態(tài)平均的分布主要受南大洋影響。但南大洋觀測數(shù)據(jù)稀少,數(shù)據(jù)多為1971—2000年的氣候態(tài)平均所填補,因而EN4G10和EN4L09的差異不大。全球以及除南大洋之外的其他海盆均表現(xiàn)出季節(jié)性差異,其中在4月及10月差異最大。最大差異范圍在5×1021～3×1022J。由于海洋是在春季到秋季期間釋放熱量,在秋季到春季期間吸收熱量,海洋熱含量的峰值根據(jù)南北半球的差異一般出現(xiàn)在4月和10月[27]。兩套數(shù)據(jù)的季節(jié)差異也體現(xiàn)在這2個月最大,可能的原因是這2個月是海洋吸收熱量和釋放熱量的過渡期,對不同的數(shù)據(jù)處理方式更為敏感。此外,兩套數(shù)據(jù)在氣候態(tài)平均的差異會導致以此為基礎的距平分析出現(xiàn)問題,進而可能導致在低頻信號上兩者的巨大差異(圖6)。

圖5 EN4G10與EN4L09中海洋熱含量在全球、大西洋、南大洋、太平洋和印度洋的氣候態(tài)平均Fig.5 Annual cycle of OHC of global ocean,the Atlantic Ocean,the Southern Ocean,the Southern Ocean,the Pacific Ocean,and the Indian Ocean derived from EN4G10 and EN4L09

圖6 EN4G10與EN4L09中0～1 000 m海洋熱含量在全球、大西洋、南大洋、太平洋和印度洋的EEMD分解結果Fig.6 EEMD decomposition of the OHC(0～1000 m)in global ocean,the Atlantic Ocean,the Southern Ocean,the Southern Ocean,the Pacific Ocean,and the Indian Ocean for EN4G10 and EN4L09

我們進而運用EEMD方法對EN4G10和EN4L09中上1 000 m的全球及各個海盆熱含量進行分解(圖6)。EEMD能夠借助白噪音輔助的方法,有效地將海洋熱含量數(shù)據(jù)分解為從高頻到低頻的不同分量。在年變化及更高頻的信號中,由EN4G10和EN4L09分解得到的分量差異很小。在年際,年代際及多年代際等低頻信號中(圖6,C5-C7),兩套數(shù)據(jù)分解得到的分量差異明顯,尤其體現(xiàn)在大西洋、太平洋和印度洋海域(圖6b,6d,6e),在1980年以后,出現(xiàn)振幅及相位不一致的現(xiàn)象。由于EEMD方法是自適應的數(shù)據(jù)分析方法,其本質遵循了原始數(shù)據(jù)的特征,因而數(shù)據(jù)的加長并不影響前期數(shù)據(jù)分解的分量和趨勢項,只是更長時間尺度上的前期的循環(huán)過程[34]。兩套數(shù)據(jù)分解結果的差異提示我們,在選取EN4數(shù)據(jù)分析海洋熱含量年代際及多年代際變化時,尤其是用來作為“真實”數(shù)據(jù)進行對比時,需要針對兩套數(shù)據(jù)的結果分別對比。值得注意的是,在多年代時間尺度上(圖6中的C7分量),全球、大西洋、太平洋及印度洋都顯示EN4G10的熱含量增暖速率遠遠大于EN4L09,甚至在太平洋出現(xiàn)了1980年后兩套數(shù)據(jù)在多年代時間尺度上的反位相特征。兩套數(shù)據(jù)在年代際及多年代際的差異直接影響全球變暖減緩期間海洋熱含量的變化分析。

3 結 語

由于不同海洋溫鹽數(shù)據(jù)集的差異,導致了全球及各海域海洋熱含量變化分析的不一致性,特別是近20 a的全球氣候變暖停滯現(xiàn)象的研究,亟需對不同海洋溫鹽資料進行對比分析。本研究比較了EN4的兩套數(shù)據(jù)(EN4G10和EN4L09)中海洋熱含量的差異、造成差異的原因以及兩套數(shù)據(jù)的差異在不同時間尺度中的特點,重新審視了兩種方式校正的EN4產(chǎn)品在估算全球海洋熱含量變化時的差異,為EN4兩套數(shù)據(jù)應用于全球氣候變化等重點科學問題的研究提供參考。主要結果如下：

1)EN4G10和EN4L09中全球海洋熱含量(0～1 000 m)在1985—2005年間差異約為5×1022J,且主要分布在熱帶及亞熱帶海域(30°S～30°N)；

2)兩套數(shù)據(jù)偏差較大的年份是1985年、1991年和1998年。1985年與1991年兩套數(shù)據(jù)的海洋熱含量的差異集中于0～500 m,主要是由采樣時段、深度和溫躍層變化所帶來,而1998年之后由于儀器觀測深度更深,兩者的差異貫穿于整個深度層(0～1 000 m)；

3)兩套數(shù)據(jù)差異主要源于對XBT-(OSD/CTD)(或MBT-(OSD/CTD))儀器偏差的校正方式不同：EN4.2.1L09選取偏差的中位數(shù),而EN4.2.1G10選取偏差的平均值；

4)兩套數(shù)據(jù)海洋熱含量的季節(jié)性差異夏季最小,冬季最大,其中在4月及10月差異最大。最大差異范圍在5×1021～3×1022J。在氣候態(tài)平均的差異會導致以此為基礎的距平分析出現(xiàn)問題,進而可能導致在低頻信號上兩者的巨大差異；

5)兩套數(shù)據(jù)中,海洋熱含量時間序列在1985年后出現(xiàn)的差異影響了全球海洋熱含量的線性趨勢分析和年代際及多年代際變率,其中基于EN4.2.1G10的年代際及多年代際分量的幅度在1985年后是EN4.2.1L09的2倍,且存在相位的差異。線性趨勢若時間段選在1985—2015年間則對結果影響較大。