北冰洋温盐度数据集

《Scientific Data》：An Arctic Ocean Thermohaline Dataset

北极海洋热力学数据集AOTD构建于1983-2023年，整合了来自中国科考船Xuelong系列及国际数据库的41.4万条温盐剖面，采用统一质量控制和Cressman-Barnes客观分析法生成0.25°×0.25°网格化气候数据，涵盖0-1500米垂直分层。结果显示AOTD在北极水团结构（如北大西洋水、东格陵兰冷水）、海冰-海洋相互作用及热含量估算方面具有更高时空分辨率，与WOA18存在春季表层温度差异（>2℃）和中央北极盐度偏差（>1psu），验证了其作为气候基准场的可靠性。

　　北极地区是全球最独特的海洋环境之一，其特殊的地理位置和季节性变化使得对这一区域的现场观测（in situ observations）具有重要的科学价值。然而，由于高纬度地区的极端气候条件和交通不便，现场观测数据在该区域的分布相对稀疏，难以全面反映北极海洋的物理特征和变化趋势。为了弥补这一不足，科学家们利用多种观测手段，如国际合作项目、各国科研远征以及先进的观测技术，收集并整合了大量现场数据，构建了更完整的北极海洋热盐数据集。本文介绍的北极海洋热盐数据集（Arctic Ocean Thermohaline Dataset, AOTD）覆盖了1983年至2023年期间的414,221个温度和盐度剖面数据，其中包含了中国北极科学考察队的数据，以及来自国际极地年、Copernicus Marine Environment Monitoring Service（CMEMS）等其他数据库的公开数据。AOTD数据集不仅提供了丰富的现场观测数据，还通过统一的质量控制方法，确保了数据的可靠性和一致性。

为了更深入地理解北极海洋的热力学过程、水团的空间与时间变化以及海洋结构的演变，研究团队进一步构建了AOTD的气候学数据集，即北极海洋热盐气候数据（AOTD climatology）。该气候数据集基于对剖面数据的客观分析，具有0.25° × 0.25°的水平分辨率和57层垂直分辨率，涵盖了0至1500米的深度范围。该数据集为研究北极海洋的长期变化趋势、热盐结构的稳定性以及海洋与大气之间的相互作用提供了重要的参考依据。与传统的世界海洋图集（World Ocean Atlas, WOA）相比，AOTD气候数据集利用了更新的数据来源，涵盖了从1983年至2023年的观测数据，特别是在一些区域如北冰洋中心地带，提供了更为全面和准确的信息。

AOTD数据集的构建过程中，研究人员采用了一系列严格的质量控制方法，以确保数据的可靠性。首先，通过去重算法剔除了重复的观测数据，避免因重复测量而引入不必要的误差。去重的范围设定为0.1° × 0.1°的地理误差范围和5小时的时间误差范围。其次，对数据进行了标准化预处理，排除了包含异常值的观测文件，如经纬度或温度、盐度等关键海洋变量出现乱码的情况。然后，基于温度和盐度剖面数据，计算了海水深度、压力和密度等参数，进一步提高了数据的可用性。此外，还采用了阈值测试、梯度测试和密度梯度测试等方法，筛选出符合标准的观测数据。这些质量控制步骤有效地提高了数据集的整体质量，使其能够更准确地反映北极海洋的热盐结构。

在数据处理过程中，研究团队还采用了一种新的插值方法，即Barker和McDougall在2020年提出的插值方法。该方法在保持海洋剖面物理特性的同时，有效减少了插值过程中可能引入的不确定性。此外，为了进一步提高插值数据的准确性，研究团队对插值后的数据进行了二次测试，包括温度和盐度的范围测试以及梯度测试。这些步骤确保了最终输出的数据集在空间分布上更加均匀，具有更高的连续性和稳定性。

在构建AOTD气候数据集时，研究团队参考了BOA-Argo的方法，将观测数据按月分类，并在每个垂直标准层上使用Cressman客观分析方法生成背景场。随后，利用Barnes连续校正方法对背景场进行修正，最终得到具有0.25° × 0.25°水平分辨率和57层垂直分辨率的月度气候数据集。为了减少由于海洋流体的异质性和地形影响而导致的分析偏差，研究团队采用了不同的影响半径（R）进行迭代校正，分别为321公里、267公里和214公里。这种处理方式在一定程度上提高了数据集的准确性和适用性。

AOTD气候数据集与WOA18进行了对比分析，结果表明两者在不同深度层上的差异。在3月，AOTD气候数据集与WOA18在表层显示出明显的盐度偏差，而温度偏差则相对较小。这可能与表层海水与外界交换频繁，以及海洋流体的复杂性有关。而在9月，AOTD气候数据集与WOA18的差异主要集中在北冰洋的某些区域，如挪威海、巴伦支海和贝aufort海，且差异值通常在1°C左右。这种差异可能源于不同数据源的分布和观测频率，以及不同的插值和分析方法。总体而言，AOTD气候数据集在北极海洋的温度和盐度分布上表现出更高的连续性和稳定性，特别是在北冰洋中心区域。

为了进一步验证AOTD气候数据集的可靠性，研究团队还计算了北极海洋在700米深度以上的大洋热含量（Ocean Heat Content, OHC），并将其与基于WOA18的计算结果进行了对比。结果显示，AOTD气候数据集在3月和9月的OHC分布趋势与WOA18基本一致，但两者在某些区域的数值存在显著差异。例如，在3月，AOTD气候数据集在弗拉姆海峡区域的OHC高于WOA18，这可能与该区域的海洋环流和热交换特征有关。而在9月，AOTD气候数据集的OHC在北冰洋中心区域的变化幅度与挪威海相近，显示出一定的季节性波动。这些差异可能反映了AOTD数据集在某些区域的观测密度更高，从而更准确地捕捉了海洋热含量的变化。

AOTD气候数据集的构建和验证表明，它在北极海洋的热盐结构和热含量变化方面具有较高的精度和可靠性。该数据集不仅为研究北极海洋的长期变化提供了重要的基础，还能够用于改进海洋模型的初始场和边界条件，提高对北极气候系统模拟的准确性。此外，AOTD数据集的发布也为北极区域的观测数据提供了新的来源，有助于进一步研究北极海洋与大气之间的相互作用、海冰变化及其对全球气候的影响。

尽管AOTD数据集在多个方面表现出色，但研究团队也指出，该数据集在某些区域仍存在改进空间。例如，在北冰洋中心区域，由于观测数据相对稀疏，导致在构建气候数据集时存在一定的不确定性。因此，未来的研究计划将进一步优化观测数据的收集和分析方法，特别是在北冰洋中心区域增加更多的现场观测，以提高数据集的空间覆盖和分辨率。此外，研究团队还计划将AOTD气候数据集与卫星观测数据结合，重建北极海洋的三维热盐结构，从而更全面地反映该区域的海洋环境特征。

总的来说，AOTD数据集及其气候版本为北极海洋研究提供了重要的数据支持，有助于深入理解北极海洋的热盐结构、水团分布及其变化趋势。通过与WOA18的对比分析，研究团队进一步验证了AOTD数据集的可靠性，同时指出了其在某些区域的局限性。这些发现不仅对北极海洋的科学研究具有重要意义，也为全球气候变化研究提供了新的视角和数据支持。随着未来观测技术和数据收集方法的不断进步，AOTD数据集有望在北极海洋研究中发挥更大的作用。