DOI: https://doi.org/10.1007/s00376-024-3378-5
تاريخ النشر: 2024-01-11
المؤلف: Lijing Cheng وآخرون
الموضوع الرئيسي: تغير المناخ والنماذج
نظرة عامة
تسلط الأبحاث الضوء على التغيرات الكبيرة في البيئة الفيزيائية والبيوجيوكيميائية العالمية بسبب زيادة غازات الدفيئة في الغلاف الجوي الناتجة عن الأنشطة البشرية. في عام 2023، وصلت كل من درجة حرارة سطح البحر (SST) ومحتوى حرارة المحيط في عمق 2000 متر (OHC) إلى مستويات غير مسبوقة. على وجه التحديد، تجاوز محتوى حرارة المحيط لعمق 0-2000 متر ما كان عليه في عام 2022 بمقدار 15 ± 10 زول (بيانات IAP/CAS) و9 ± 5 زول (بيانات NCEI/NOAA). ومن الجدير بالذكر أن المحيط الأطلسي الاستوائي، والبحر الأبيض المتوسط، والمحيطات الجنوبية سجلت أعلى محتوى حرارة لها منذ الخمسينيات.
كما سجل عام 2023 أعلى مستوى لدرجة حرارة سطح البحر العالمية، مدفوعًا ببدء ظاهرة النينيو القوية، حيث كان المتوسط السنوي حوالي 0.23 درجة مئوية أعلى من عام 2022، متجاوزًا 0.3 درجة مئوية فوق قيم عام 2022 في النصف الثاني من العام. بالإضافة إلى ذلك، وصلت مقاييس تدرج الكثافة وعدم تجانس درجة الحرارة المكاني إلى أعلى قيمها في عام 2023، مما يشير إلى تغييرات كبيرة في الظروف المحيطية.
مقدمة
تسلط المقدمة الضوء على التأثير الكبير لانبعاثات ثاني أكسيد الكربون (CO₂) الناتجة عن الأنشطة البشرية وغازات الدفيئة الأخرى على توازن الطاقة في الأرض، مما يؤدي إلى عدم توازن طاقة الأرض (EEI) الذي يتميز بزيادة احتباس الإشعاع طويل الموجة. يتم امتصاص حوالي 90% من الحرارة الزائدة الناتجة عن هذا الخلل بواسطة المحيطات، مما يؤدي إلى ارتفاع درجات حرارة المحيط وزيادة محتوى حرارة المحيط (OHC)، والتي تعتبر مؤشرات حاسمة لتغير المناخ بسبب نسبة الإشارة إلى الضوضاء القوية مقارنة بتغيرات درجة حرارة السطح. يؤكد البحث على الترابط بين تغيرات درجة حرارة المحيط والملوحة، التي ليست متجانسة مكانيًا وتؤثر على تدرج المحيط، والطاقة، وتبادلات المغذيات.
يمثل عام 2023 انتقالًا من ظاهرة لانيña المطولة إلى ظاهرة النينيو القوية، مع تداعيات كبيرة على أنماط المناخ العالمية. وصلت تركيزات ثاني أكسيد الكربون في الغلاف الجوي إلى 420.46 جزء في المليون، أي أكثر من 50% أعلى من المستويات ما قبل الصناعية، بينما ظل عدم توازن الطاقة فوق 1 واط م⁻²، مما يشير إلى زيادة كبيرة في الطاقة. كما تشير المقدمة إلى الأحداث الجوية المتطرفة المرتبطة بهذه التغيرات المناخية، بما في ذلك الفيضانات الشديدة، وموجات الحرارة، وانخفاض قياسي في جليد البحر، والتي كان لها عواقب اجتماعية وبيئية مدمرة. يهدف البحث إلى تقديم تحليل محدث للتغيرات المحيطية في عام 2023، مستفيدًا من بيانات معهد الفيزياء الجوية والمراكز الوطنية لمعلومات البيئة، مع التركيز على محتوى حرارة المحيط (OHC)، ودرجة حرارة سطح البحر (SST)، ومؤشر تباين الملوحة، والتدرج، وعدم تجانس درجة الحرارة المكاني.
طرق البحث
تحدد قسم الطرق في ورقة البحث مصادر البيانات وتقنيات المعالجة المستخدمة لتحليل محتوى حرارة المحيط (OHC) وتغيرات الملوحة. يتم الحصول على البيانات الأساسية من قاعدة بيانات المحيط العالمية (WOD) وتشمل قياسات في الموقع من برنامج Argo، وXBTs، وبيانات CTD، وأنظمة رصد أخرى. تعتبر مجموعات البيانات من IAP/CAS وNCEI/NOAA منتجات مصفوفة شهرية بدقة أفقية تبلغ 1° × 1° تغطي أعلى 2000 متر من المحيط. تشمل التحديثات الكبيرة في عام 2023 تحسينات في مراقبة جودة البيانات من خلال مركز بيانات المحيط CAS (CODC-QC) ومخططات تصحيح التحيز المختلفة لـ XBTs وMBTs وبيانات الزجاجات، مما يعزز الاتجاهات طويلة الأجل لمحتوى حرارة المحيط للفترات 1960-2023 و2005-2023.
تستخدم بيانات NCEI/NOAA نهج تحليل موضوعي للتداخل المكاني، على الرغم من أنها قد تقلل من تقدير محتوى حرارة المحيط في المناطق التي تفتقر إلى البيانات بسبب افتراضها بعدم وجود تغيير في درجة الحرارة في مثل هذه المناطق. بالإضافة إلى ذلك، قد يؤدي تصنيف ملفات Argo في دوامات المقياس المتوسط كقيم شاذة إلى تقديرات محافظة لمحتوى حرارة المحيط. يتم تقييم التغيرات في البحر الأبيض المتوسط باستخدام مجموعة بيانات إعادة التحليل CMS-MEDREA، التي تدمج بيانات رصد متنوعة من خلال نموذج هيدروديناميكي ونظام استيعاب بيانات تبايني. كما يتناول القسم حساب مؤشر تركيز الملوحة (SC) وتدرج المحيط باستخدام تردد الطفو المربع، جنبًا إلى جنب مع مؤشر عدم التجانس المكاني لخصائص كتلة الماء، مما يوفر إطارًا شاملاً لفهم التغيرات المحيطية.
مناقشة
تسلط قسم المناقشة في ورقة البحث الضوء على الاتجاهات الكبيرة في محتوى حرارة المحيط العالمي (OHC) والملوحة والتدرج من 1958 إلى 2023. شهدت أعلى 2000 متر من المحيط اتجاه تسخين مستمر، مع زيادة متوسطة قدرها 6.6 ± 0.3 زول في السنة (IAP/CAS) و5.4 ± 0.4 زول في السنة (NCEI/NOAA) على مدى العقود الماضية. ومن الجدير بالذكر أن معدل زيادة محتوى حرارة المحيط قد تسارع منذ أواخر الثمانينيات، مع ارتفاع ملحوظ إلى 10.8 ± 1.2 زول في السنة بعد عام 2007. سجل عام 2023 أعلى مستويات لمحتوى حرارة المحيط على الإطلاق، متجاوزًا عام 2022 بمقدار 15 ± 10 زول (IAP/CAS) و9 ± 5 زول (NCEI/NOAA). يُعزى هذا الارتفاع إلى زيادة احتباس حرارة المحيط، خاصة خلال أحداث النينيو، التي تعيد توزيع الحرارة داخل طبقات المحيط.
بالإضافة إلى محتوى حرارة المحيط، أظهر مؤشر تباين الملوحة (SC) زيادة قوية، مما يشير إلى دورة مائية عالمية معززة، بينما وصل تدرج المحيط إلى مستويات قياسية بسبب التغيرات في درجات الحرارة وملوحة الملفات. كما زاد مؤشر عدم التجانس المكاني لدرجة حرارة المحيط، مما يعكس تباينًا أكبر في تسخين الطبقات العليا من المحيط. تكشف التحليلات الإقليمية أن العديد من أحواض المحيط، بما في ذلك المحيط الهندي والمحيط الأطلسي الاستوائي، وصلت إلى مستويات قياسية لمحتوى حرارة المحيط في عام 2023، بينما أظهر المحيط الهادئ الشمالي تباينًا ملحوظًا بين السنوات. بشكل عام، تؤكد النتائج على التأثيرات المستمرة والمتسارعة لتغير المناخ على الظروف المحيطية، مما يبرز الحاجة إلى مزيد من التحقيق في التباينات بين مصادر البيانات المختلفة والتداعيات على أنماط المناخ العالمية.
DOI: https://doi.org/10.1007/s00376-024-3378-5
Publication Date: 2024-01-11
Author(s): Lijing Cheng et al.
Primary Topic: Climate variability and models
Overview
The research highlights significant alterations in the global physical and biogeochemical environment due to increased atmospheric greenhouse gases from human activities. In 2023, both sea surface temperature (SST) and upper 2000 m ocean heat content (OHC) reached unprecedented levels. Specifically, the OHC for the 0-2000 m depth exceeded that of 2022 by 15 ± 10 ZJ (IAP/CAS data) and 9 ± 5 ZJ (NCEI/NOAA data). Notably, the Tropical Atlantic Ocean, Mediterranean Sea, and southern oceans recorded their highest OHC since the 1950s.
The year 2023 also marked a record high for global SST, driven by the onset of a strong El Niño, with an annual mean approximately 0.23°C above that of 2022, and exceeding 0.3°C above 2022 values in the latter half of the year. Additionally, metrics for density stratification and spatial temperature inhomogeneity reached their peak values in 2023, indicating significant changes in oceanic conditions.
Introduction
The introduction highlights the significant impact of anthropogenic carbon dioxide (CO₂) emissions and other greenhouse gases on the Earth’s energy balance, leading to an Earth Energy Imbalance (EEI) characterized by increased longwave radiation retention. Approximately 90% of the excess heat from this imbalance is absorbed by the oceans, resulting in rising ocean temperatures and increased ocean heat content (OHC), which serve as critical indicators of climate change due to their robust signal-to-noise ratios compared to surface temperature changes. The paper emphasizes the interconnectedness of ocean temperature and salinity changes, which are not spatially uniform and affect ocean stratification, energy, and nutrient exchanges.
The year 2023 marks a transition from a prolonged La Niña to a strong El Niño, with significant implications for global climate patterns. The atmospheric CO₂ concentration reached 420.46 ppm, over 50% higher than preindustrial levels, while the EEI remained above 1 W m⁻², indicating a substantial energy increase. The introduction also notes extreme weather events linked to these climatic changes, including severe flooding, heatwaves, and record low sea ice, which have had devastating societal and ecological consequences. The paper aims to provide an updated analysis of oceanic changes in 2023, utilizing data from the Institute of Atmospheric Physics and the National Centers for Environmental Information, focusing on OHC, sea surface temperature (SST), salinity-contrast index, stratification, and temperature spatial inhomogeneity.
Methods
The methods section of the research paper outlines the data sources and processing techniques utilized for analyzing ocean heat content (OHC) and salinity changes. The primary data is sourced from the World Ocean Database (WOD) and includes in situ measurements from the Argo program, XBTs, CTD data, and other observational systems. The datasets from the IAP/CAS and NCEI/NOAA are monthly gridded products with a horizontal resolution of 1° × 1° covering the upper 2000 meters of the ocean. Significant updates in 2023 include enhanced data quality control through the CAS-Ocean Data Center (CODC-QC) and various bias correction schemes for XBTs, MBTs, and bottle data, which collectively strengthen the long-term OHC trends for the periods 1960-2023 and 2005-2023.
The NCEI/NOAA data employs an objective analysis approach for spatial interpolation, although it may underestimate OHC in areas lacking data due to its assumption of no temperature change in such regions. Additionally, the flagging of Argo profiles in mesoscale eddies as outliers may further lead to conservative estimates of OHC. The Mediterranean changes are assessed using the CMS-MEDREA reanalysis dataset, which integrates various observational data through a hydrodynamic model and a variational data assimilation scheme. The section also details the calculation of the salinity concentration (SC) index and ocean stratification using the squared buoyancy frequency, alongside the spatial inhomogeneity index for water mass properties, providing a comprehensive framework for understanding oceanic changes.
Discussion
The discussion section of the research paper highlights significant trends in global ocean heat content (OHC), salinity, and stratification from 1958 to 2023. The upper 2000 meters of the ocean has experienced a consistent warming trend, with an average increase of 6.6 ± 0.3 ZJ yr⁻¹ (IAP/CAS) and 5.4 ± 0.4 ZJ yr⁻¹ (NCEI/NOAA) over the past decades. Notably, the rate of OHC increase has accelerated since the late 1980s, with a marked rise to 10.8 ± 1.2 ZJ yr⁻¹ post-2007. The year 2023 recorded the highest OHC levels ever, surpassing 2022 by 15 ± 10 ZJ (IAP/CAS) and 9 ± 5 ZJ (NCEI/NOAA). This increase is attributed to enhanced ocean heat retention, particularly during El Niño events, which redistribute heat within the ocean layers.
In addition to OHC, the salinity contrast (SC) index has shown a robust increase, indicating an amplified global water cycle, while ocean stratification reached record highs due to changes in temperature and salinity profiles. The spatial inhomogeneity index for ocean temperature also increased, reflecting greater variability in upper-ocean warming. Regional analyses reveal that several ocean basins, including the Indian Ocean and the tropical Atlantic, reached record OHC levels in 2023, while the North Pacific exhibited notable interannual variability. Overall, the findings underscore the ongoing and accelerating impacts of climate change on oceanic conditions, emphasizing the need for further investigation into the discrepancies between different data sources and the implications for global climate patterns.