DOI: https://doi.org/10.1029/2024jc022271
تاريخ النشر: 2025-05-01
المؤلف: Anne‐Marie Tréguier وآخرون
الموضوع الرئيسي: العمليات المحيطية والجوية
نظرة عامة
تعتبر طبقة الخلط السطحية في المحيط حاسمة لتفاعلات المحيط والغلاف الجوي، وتشير الدراسات الحديثة إلى أنه، على الرغم من ارتفاع درجة حرارة سطح المحيط وزيادة التراص على مدى العقود الأربعة الماضية، فإن عمق طبقة الخلط (MLD) قد ازداد عمقًا، خاصة في المحيط الجنوبي خلال الصيف. تستخدم هذه الدراسة 12 نموذجًا من مشروع المقارنة بين نماذج المحيط (OMIP)، مدفوعة بإعادة تحليل الغلاف الجوي JRA55-do، لتقييم أدائها في التقاط اتجاهات MLD من 1970 إلى 2018 واستكشاف الآليات الأساسية. تظهر النماذج ارتباطًا قويًا بين السنوات في تطور MLD، خاصة في الصيف؛ ومع ذلك، تظهر النماذج عالية الدقة ارتباطات أقل بسبب التباين الفوضوي على المقياس المتوسط.
تكرر نماذج OMIP باستمرار الاتجاه الملحوظ لزيادة عمق طبقة الخلط في المحيط الجنوبي خلال الصيف، مما يربط ذلك بزيادة سرعات الرياح. ومن الجدير بالذكر أن النماذج تشير إلى أن زيادة عمق MLD أقل وضوحًا مما لوحظ، على الأرجح بسبب تقدير منخفض لاتجاهات سرعة الرياح في إعادة تحليل الغلاف الجوي. علاوة على ذلك، تكشف الدراسة أن زيادة عمق MLD تتأثر ليس فقط بزيادة سرعة الرياح المحلية ولكن أيضًا بعمليات ثلاثية الأبعاد تؤثر على التراص. تعزز هذه النتائج الثقة في قدرة نماذج المحيط على توقع استجابات طبقة الخلط لتغيرات سرعة الرياح المستقبلية، مما يبرز أهمية فهم المحركات وراء تباين MLD في سياق تغير المناخ الناتج عن الأنشطة البشرية.
مقدمة
تسلط مقدمة ورقة البحث الضوء على الدور المهم للمحيط في امتصاص حوالي 90% من الطاقة الناتجة عن انبعاثات غازات الدفيئة الناتجة عن الأنشطة البشرية، مما يؤدي إلى زيادة تراص الطبقة العليا من المحيط. يتميز هذا التراص بوجود طبقة سطحية مختلطة جيدًا وطبقة كثافة، حيث يكون تدرج الكثافة الأكثر وضوحًا. على عكس الافتراضات الطويلة الأمد بأن زيادة التراص ستؤدي إلى طبقة خلط أقل عمقًا، وثقت الدراسات الحديثة، بما في ذلك تلك التي أجراها سومافيلا وآخرون (2017) وساليه وآخرون (2021)، اتجاهات زيادة عمق طبقة الخلط، خاصة في شمال المحيط الأطلسي شبه الاستوائي وشمال المحيط الهادئ، بمعدلات 4.3 م/عقد و6.8 م/عقد، على التوالي. تشير هذه النتائج إلى أنه على الرغم من ارتفاع التراص، قد تسهم عوامل مثل قوة الطفو وزيادة سرعات الرياح في هذا العمق.
تهدف الورقة إلى تقييم أداء نماذج المحيط العالمية الحالية في تمثيل الاتجاهات الملحوظة على مدى عقود متعددة في عمق طبقة الخلط (MLD) وعلاقتها بأنماط الرياح. تركز على النماذج المشاركة في مشروع المقارنة بين نماذج المحيط (OMIP)، وخاصة تلك ذات الدقة 1/10° أو أفضل، والتي تناسب بشكل أفضل لالتقاط الديناميات على المقياس المتوسط مقارنة بالنماذج ذات الدقة المنخفضة النموذجية لمشروع المقارنة بين النماذج المتصلة (CMIP). تسعى الدراسة إلى معالجة ما إذا كانت هذه النماذج تظهر تباينًا بين السنوات واتجاهات مماثلة في MLD عند تعرضها لنفس الظروف الجوية، وما إذا كانت تكرر الاتجاهات الصيفية المتزايدة التي حددها ساليه وآخرون (2021)، وإذا كانت تؤكد العلاقات المفترضة بين MLD واتجاهات الرياح.
مناقشة
في هذا القسم من المناقشة، يحلل المؤلفون أداء نماذج المحيط-الجليد OMIP2 تحت تأثير جوي مشترك مستمد من إعادة تحليل JRA55-do، تغطي الفترة من 1958 إلى 2018. بينما توصي بروتوكولات OMIP بتكرار دورة التأثير ست مرات لتحسين حالة المحيط، نفذت معظم النماذج عالية الدقة دورة واحدة فقط بسبب تكاليف الحوسبة. يجادل المؤلفون بأن هذا كافٍ لدراستهم، حيث تؤثر تأثيرات الدوران بشكل أساسي على كتل المياه العميقة بدلاً من المحيط السطحي، الذي يتوازن بسرعة نسبية. يركزون على حسابات عمق طبقة الخلط (MLD) باستخدام عتبة كثافة موحدة ومستوى مرجعي متسق، مع معالجة التباينات في حسابات MLD عبر نماذج مختلفة.
يجد المؤلفون أن التباين بين السنوات في MLD قوي عبر النماذج، مع ملاحظات لارتباطات كبيرة، خاصة في الصيف. يشيرون إلى أنه بينما يقود التأثير الجوي التباين بين السنوات إلى حد كبير، فإن الديناميات على المقياس المتوسط تضيف تعقيدات تقلل من الارتباطات في النماذج عالية الدقة. تكشف التحليلات أن طبقة الخلط تزداد عمقًا في المحيط الجنوبي خلال الصيف، على الرغم من أن الاتجاهات المودلة أضعف من الملاحظات. يبرز المؤلفون أن التباينات قد تنشأ من تقديرات منخفضة في اتجاهات سرعة الرياح ضمن تأثير JRA55-do، مما يشير إلى أن عوامل إضافية، مثل قوة الطفو، قد تؤثر أيضًا على اتجاهات MLD. بشكل عام، تؤكد النتائج على أهمية الظروف الجوية في دفع تباين MLD والاتجاهات عبر دقة النماذج المختلفة.
DOI: https://doi.org/10.1029/2024jc022271
Publication Date: 2025-05-01
Author(s): Anne‐Marie Tréguier et al.
Primary Topic: Oceanographic and Atmospheric Processes
Overview
The surface mixed layer of the ocean is crucial for ocean-atmosphere interactions, and recent studies indicate that, despite overall ocean surface warming and increased stratification over the past four decades, the mixed layer depth (MLD) has been deepening, particularly in the Southern Ocean during summer. This research utilizes 12 models from the Ocean Model Intercomparison Project (OMIP), driven by the atmospheric reanalysis JRA55-do, to evaluate their performance in capturing MLD trends from 1970 to 2018 and to explore the underlying mechanisms. The models exhibit strong interannual correlation in MLD evolution, especially in summer; however, high-resolution models show reduced correlations due to chaotic mesoscale variability.
The OMIP models consistently replicate the observed summer deepening trend of the mixed layer in the Southern Ocean, linking it to increased wind speeds. Notably, the models indicate that the MLD deepening is less pronounced than observed, likely due to an underestimation of wind speed trends in the atmospheric reanalysis. Furthermore, the study reveals that the MLD deepening is influenced not only by localized wind speed increases but also by three-dimensional processes affecting stratification. These findings enhance confidence in the ability of ocean models to project mixed layer responses to future wind speed changes, underscoring the importance of understanding the drivers of MLD variability in the context of anthropogenic climate change.
Introduction
The introduction of the research paper highlights the significant role of the ocean in absorbing approximately 90% of the energy from human-induced greenhouse gas emissions, leading to increased upper ocean stratification. This stratification is characterized by a well-mixed surface layer and a pycnocline, where the density gradient is most pronounced. Contrary to the long-standing assumption that increased stratification would result in a shallower mixed layer, recent studies, including those by Somavilla et al. (2017) and Sallée et al. (2021), have documented trends of mixed layer deepening, particularly in the subtropical North Atlantic and North Pacific, with rates of 4.3 m/decade and 6.8 m/decade, respectively. These findings suggest that despite rising stratification, factors such as buoyancy forcing and increased wind speeds may contribute to this deepening.
The paper aims to evaluate the performance of current global ocean models in representing observed multi-decadal trends in mixed layer depth (MLD) and their relationship with wind patterns. It focuses on models participating in the Ocean Model Intercomparison Project (OMIP), particularly those with resolutions of 1/10° or finer, which are better suited to capture mesoscale dynamics compared to lower-resolution models typical of the Coupled Model Intercomparison Project (CMIP). The study seeks to address whether these models exhibit similar interannual variability and trends in MLD when subjected to the same atmospheric conditions, whether they replicate the summer deepening trends identified by Sallée et al. (2021), and if they confirm the hypothesized relationships between MLD and wind trends.
Discussion
In this discussion section, the authors analyze the performance of the OMIP2 ocean-ice models under a common atmospheric forcing derived from the JRA55-do reanalysis, covering the period from 1958 to 2018. While the OMIP protocol recommends repeating the forcing cycle six times for better ocean state spin-up, most high-resolution models only executed one cycle due to computational costs. The authors argue that this is sufficient for their study, as spin-up effects primarily influence deep water masses rather than the surface ocean, which equilibrates relatively quickly. They focus on mixed layer depth (MLD) calculations using a uniform density threshold and a consistent reference level, addressing discrepancies in MLD computations across different models.
The authors find that interannual variability of MLD is robust across models, with significant correlations observed, particularly in summer. They note that while the interannual variability is largely driven by atmospheric forcing, mesoscale dynamics introduce complexities that reduce correlations in high-resolution models. The analysis reveals that the mixed layer deepens in the Southern Ocean during summer, although the modeled trends are weaker than observed. The authors highlight that discrepancies may arise from underestimations in wind speed trends within the JRA55-do forcing, suggesting that additional factors, such as buoyancy forcing, may also influence MLD trends. Overall, the findings underscore the importance of atmospheric conditions in driving MLD variability and trends across different model resolutions.