半个世纪以来大气层结及其三维结构分析

在全球变暖的背景下，海洋的温度、盐度和密度都发生了系统的变化，海洋层结也发生了一系列的变化。那么在过去的几十年里，海洋分层发生了多大的变化呢？目前，科学界对海洋层结变化的估计存在很大争议。2013发布的IPCC-AR5指出:1971-2010期间，海洋上层层结增强4%；2019年发布的IPCC海洋与冰冻圈特别报告(SROCC)指出，上层200m层结增加2.1971-1990至1998-2018% ~。研究人员表示，这主要是由于现有的国际海洋温度和盐度数据差异较大，以及传统的分层估算方法存在问题。例如，过去一般用海面与200米之间的温度或密度差来近似表示海洋分层，忽略了海水温度和盐度复杂的三维结构。

利用自主开发的海洋温盐网格化数据产品，改进了垂直梯度计算中缺乏垂直分辨率等一些关键技术问题，估算了1960以来2000米上层海洋的层结变化，并给出了半个世纪以来海洋层结变化的三维结构(图1)。发现1960年以来，2000m上层海洋的层结加强了5.3%，相当于每十年约1%的增长率。其中，150m上层海洋的层结增加了5~18%。与此同时，在1500~2000米的深海中观测到了明显的分层增加。此外，海洋层结的年际波动主要受ENSO变率的调节。

海洋层结的增强反映了海洋的垂直热稳定性在加强，主要是因为海洋上层的增温速率快于深层海水。此外，海水盐度的变化也直接影响某些地区的层化变化。例如，在西太平洋的热带地区，盐度的下降趋势(脱盐趋势)对层化增加的贡献超过50%。在北极水域，海冰和冰盖融化造成的盐度贡献主导了层化变化。

研究人员表示，海洋分层的变化对全球气候有重要影响。更强的海洋层结会抑制海洋的垂直热交换，导致热量容易集中在海洋表面，从而导致全球温度上升。以往的研究表明，目前的气候和地球系统模型对海洋层结的模拟能力较弱，这使得模型中的海洋层结弱于观测，因此主流气候模型可能低估了未来全球变暖的水平。

同时，更强的海洋层结会抑制海洋中溶解氧的垂直输运，从而进一步降低海洋中的含氧量，威胁海洋生物的生存。此外，副极地海域层结的增加会抑制海洋的深层对流，对海洋经圈的翻转环流产生重要影响。根据位涡守恒原理，层结的增加也会调节海洋风生流涡。

大气所博士生李冠成为论文第一作者，大气所副研究员程丽静、研究员朱江为论文通讯作者。

同时，研究团队发布了0-2000m海洋的1960-2018网格点数据。本研究获得了中科院战略性先导科技项目(B类)“印度-太平洋结合部海洋物质能量中心形成演化过程与机制”、国家重点R&D计划“海洋环境变化关键参数数据处理方法与产品开发”(2017YFA0603202)、中科院海洋科学中心自主部署项目(COMS2019Q01+)

1960-2018期间0-2000米海洋层结的线性趋势。该图分别显示了太平洋、大西洋和印度洋的纬向平均趋势。南大洋趋势是中间的直方图。