深海遥感及其在近二十年来中深层海洋增暖研究中的应用

Some new research revealed that during global warming slow-down the subsurface and deeper ocean (300-2000 m) warms up significantly, but the process and mechanism is not clear, which leads to uncertainty in decadal scale climate predictions. This proposal will use deeper ocean remote sensing technology and in situ observation, along with reanalysis datasets, to reconstruct high-resolution subsurface and deeper ocean temperature since early 1990s, as a new dataset for climate study on decadal scale. Furthermore, this study will quantify the subsurface and deep ocean heat content variation during the slow-down; the combination of numerical model and dynamic diagnosis will help understand how heat is transferred into the deeper ocean, during processes such as ocean circulation adjustment, deep convection and subduction; at last to clarify the dynamic relation between deeper ocean heat redistribution, the basin scale overturning, and mass transport. This study will further our understanding on the mass and energy exchange between upper and lower ocean layers, and the mechanism for global warming slow-down. It is helpful to scientifically assess the global and regional climate sensitivity, as well as improve our ability to predict the climate change.

新近研究发现近十几年的全球增暖减缓对应着显著的中深层海洋（300-2000 m）变暖趋势，但中深层增暖的过程与机理尚不明确，这在一定程度上增大了年代际气候变化预测的不确定性。本项目将建立融合多传感器和实测数据的海洋内部动力结构反演算法，借助深海遥感技术及现场观测资料，反演90年代初以来的高精度次表层温度结构，为年代际气候变化研究提供新的数据集。在此基础上，量化研究全球增暖减缓期间中深层海温和热含量的变化特征；结合数值模式和动力学诊断方法，分析在海洋环流调整、深对流和潜沉等动力机制作用下，热量向中深层海洋的传输机制；进而阐明热量在中深层的再分配过程与各大洋海盆尺度翻转环流及其物质输运的动力关联。上述研究有利于加深对中深层海洋与上层海洋物质与能量交换的理解，促进对全球增暖减缓机制的认识，对于科学估算全球与区域的气候敏感度，提高气候可预报性具有重要科学意义。

相较于海洋表层的卫星观测数据，海洋中深层的实测数据在时间长度和空间分辨率上均相对不足，一定程度上限制了对中深层海洋动力和热力过程的认知。本项目应用多种中深层海洋遥感反演方法，并创新性地将物理海洋学方法与人工智能相结合来开展表层以下的海洋热力结构反演。同时，我们采用贝叶斯正则化参数优化方案，使反演模型具有较好的后报能力，从而构建了1993-2020年的0-2000米海洋热含量数据集。该数据集准确地刻画了全球海洋热含量的年代际变化特征，为气候变化研究提供了有价值的数据。该数据集被2021年新发布的IPCC 第六次评估报告和中科院《地球大数据支撑可持续发展目标报告（2021）》采纳并引用，体现了一定的国际影响力。在重点基金的支持下，项目研究团队在全球和区域海洋热含量变化方面还开展了一系列创新性研究工作，系统刻画了南印度洋、南大洋的太平洋和印度洋扇区、厄加勒斯回流区、副极地北大西洋等若干个关键区域的热含量年代际变化特征，进而揭示了各个区域的不同演变机理，阐明了海洋动力过程、局地大气强迫等因子在不同区域的不同作用。例如，在南印度洋海区，我们指出了东南印度洋是太平洋向南大洋年代际热量传输的关键通道。而在南大洋的印度洋和太平洋扇区，我们的研究阐述了全球海表增暖减缓前后，由于风场强度变化趋势的年代际翻转所导致的海洋热含量变化的年代际反转。项目共资助发表论文36篇，所有这些成果为气候变化和变动研究提供了有效的数据支持和有价值的学术认知。