导读

海洋储存了全球变暖90%以上的热量盈余，是全球气候变化的关键，其巨大的储热量对海洋生态系统、海洋碳汇、极端天气气候事件等都具有重要意义，监测海洋变暖是理解及应对气候变化的基础。

监测海洋变暖依赖于全球海洋观测系统（Global Ocean Observing System, GOOS）。GOOS是由多种观测仪器平台组成的集成系统，在2005-2020年间包括了至少750万条海洋次表层温度剖面观测数据（图1）。这些数据来自于地转海洋学实时观测阵Argo、温盐深探仪CTD、抛弃式探温仪XBT、哺乳动物挂载的仪器APB、锚系浮标阵列以及漂流浮标MRB、水下滑翔机Glider等观测平台。这些仪器平台由于观测手段的差异，覆盖了不同的时空范围和海洋动力过程，也具有不同的准确度，因此他们在海洋气候变化监测中一定也扮演不同的角色。然而，不同仪器平台对海洋气候监测（例如海洋热含量变化）到底有什么贡献？是一个尚未回答的科学问题。

正文

2024年2月1日，发表于Science合作期刊Ocean-Land-Atmosphere Research的一项研究，利用中国科学院大气物理所的海洋热含量测算系统（图1），进行了一系列敏感试验：每次都移除不同观测仪器平台的数据，测算2005-2020年期间的海洋热含量，通过对比移除实验与使用全部数据时的差异，进而定量估算海洋热含量对不同仪器观测平台的敏感度。

图1  全球海洋观测系统支撑全球海洋热含量变化监测

研究表明：对于上层2000米海洋热含量变化，Argo、CTD和XBT观测平台几乎对全球海洋都有影响，而Argo是目前最重要的海洋观测平台。APB、MRB、GLD主要影响一些关键海区的热含量监测，例如APB主要贡献于高纬度和极区监测、MRB对热带地区的热含量监测具有重要影响、GLD对于一些近海和边缘海区域较为重要（图1）。该结果揭示了GOOS的“集成性”：即要对全球海洋气候变化进行完整监测，就需要利用不同仪器的特性、进行多种仪器平台的“集成”。

研究同时也指出：因为不同观测平台得到的数据的时空分辨率具有巨大差异，观测数据的数量并不是气候变化监测准确性的一个合理指标。研究提出了一个“有效覆盖度”的指标，提出对长期气候变化监测而言，考虑观测影响范围的数据有效覆盖率是一个更为实用的指标。根据该指标，Argo、CTD和XBT三种仪器的平均有效覆盖率都能达到30%以上的海域，其中Argo观测网能达到90%以上的海洋有效覆盖率。

最后，敏感性试验也发现了一些观测数据或分析方法的潜在偏差。例如，在热带地区的锚系浮标阵列和漂流浮标（MRB）加入GOOS后，热带地区出现了系统性的偏暖，造成全球上层2000米热含量偏高3.4ZJ （1ZJ=1021焦耳）。该现象可能有两方面原因：1）热带地区的锚定浮标阵列数据存在系统性暖偏差；2）利用观测数据进行空间格点化时存在系统性偏差。

展望

基于该进展，未来团队将从两方面开展研究：1）数据质量控制和系统性偏差：深入研究数据中可能存在的质量问题，不断提升GOOS数据质量；2）海洋观测系统设计：利用新技术手段定量揭示GOOS的完备性，揭示关键观测缺口，提出海洋观测系统的可能改进方向。

项目支持

该研究得到了国家自然科学基金项目、科学探索奖、中国科学院青年创新促进会、国家重大科技基础设施项目“地球系统数值模拟装置”的支持。

原文链接：https://spj.science.org/doi/10.34133/olar.0037

文章标题

Sensitivity of Ocean Heat Content to Various Instrumental Platforms in Global Ocean Observing Systems

文章作者

Lijing Cheng

文章摘要

The global ocean observing system (GOOS) is an integrated system comprising various instrumental platforms distributed in different geographical locations and observing different climate regimes; this system is fundamental for monitoring ocean warming and climate change. This study investigated the impact of different instrument platforms on global and regional ocean heat content (OHC) estimates from 2005 to 2020 with a series of sensitivity tests, where data from one specific instrument were removed from GOOS in each test. Removing Argo, Conductivity-Temperature-Depth (CTD), eXpendable BathyThermographs (XBT), Autonomous Pinniped data (APB), Mooring and Drifting Buoys (MRB), and Glider (GLD) data led to a global 0- to 2,000-m OHC standard deviation of 18.3, 3.0, 2.8, 2.3, 1.2, and 1.2 ZJ, respectively, compared with the full-data estimate. We quantitatively verified that Argo was a central part of the GOOS since ~2005, although each system contributed substantially to climate monitoring. Argo, CTD, and XBT have near-global impacts, while the impacts of APB, MRB, and GLD are critical in specific regions, highlighting the importance of GOOS integration. The addition of the MRB to the GOOS leads to a marked positive OHC offset in the tropics, and the addition of the CTD to the GOOS leads to a systematically cold OHC offset in the boundary currents and Antarctic Circumpolar Current regions. Additionally, this study suggested the use of a better metric for effective data coverage than for determining the amount of data needed to indicate the capability of GOOS for climate monitoring. The implications for improving the current generation gap-filling method are also discussed, highlighting the importance of dealing with narrow current systems and eddy-rich regions.

文章引用

Cheng L. Sensitivity of Ocean Heat Content to Various Instrumental Platforms in Global Ocean Observing Systems. Ocean-Land-Atmos. Res. 2024;3:Article 00 37. DOI:10.34133/olar.0037

作者简介

成里京 研究员

中国科学院大气物理研究所

成里京，中国科学院大气物理研究所研究员，主要从事海洋和气候变化观测数据和气候序列构建、海洋能量收支和水循环等方向的研究。已发表学术论文90余篇，论文总被引8000余次。2017-2019年被遴选为IPCC海洋与冰冻圈报告主要作者，2021年起任WCRP/GCOS/GOOS海洋和气候观测委员会（OOPC）委员、2023年起任国际海洋质量控制数据集计划（IQuOD）联合主席。

联系邮箱：chenglij@mail.iap.ac.cn

OLAR 期刊简介

Ocean-Land-Atmosphere Research (OLAR) 由南方海洋实验室和美国科学促进会合作出版，入选2022年度中国科技期刊卓越行动计划高起点新刊项目、2024年度广东省高起点英文期刊创办项目，海洋负排放国际大科学计划（Ocean Negative Carbon Emissions, ONCE）学术出版合作平台，已被Scopus, Directory of Open Access Journals (DOAJ) 等14个数据库收录。本刊以海洋相关学科为重点，刊稿主题包括但不限于：海陆气相互作用、海洋碳中和、物理海洋学、海洋生物与生态、海洋地质与地球物理、化学海洋学、海洋气象学、大气物理与大气环境、冰冻圈科学、河口海岸学、海洋工程与海洋技术、海洋资源开发与利用。分享卓见，探索前沿，OLAR 诚邀您一起荟萃科学发现，共享学术盛筵！

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