水循环是联系地球各圈层和各种水体的“纽带”，是地球各圈层之间能量转移的重要通道，是气候系统的核心过程之一（图1）。几乎所有天气和气候现象都包括水的变化，例如干旱、台风、洪水、暴雨、ENSO、降雪等，水循环的变化对人类社会经济生活有关键的影响。在全球变暖背景下，大气、海洋、陆地不断升温，全球水循环到底是怎么变化？这是一个学科基础问题。以往研究表明，整体而言全球水循环发生了“干燥的区域变得更干，湿润的区域变得更湿”（即“干变干，湿变湿”）的水循环加速趋势。但到底水循环强度变化了多少？依然是一个有争议的科学问题。
图1. 地球系统水循环平均态示意图（图自NASA：https://gpm.nasa.gov/education/water-cycle）。红色箭头示意水循环在加速。
海洋盐度是水循环的一个指针，可用来估算水循环的变化。这是因为降水和蒸发使淡水在海洋和大气之间转移，直接导致海水盐度变化：降水增加对应海水盐度降低、蒸发加剧对应海水盐度增加。过去，不同的盐度研究估算出的过去半世纪水循环加速结果差异较大（2-8%/℃之间），差异大的一个原因是目前用于此类研究的国际上海洋盐度数据产品之间差异较大，例如，不同盐度数据计算的太平洋上层2000米盐度长期变化趋势之间的差异达到400%（图2）。
“我们团队采用自主研发的格点化技术构建了一套新的海洋0-2000米盐度格点数据（1960年至今，月平均，水平分辨率1度，垂向41层）。同时，在国际上首次利用2005年之后具有近全球覆盖的数据对重构的盐度数据准确性进行了系统性验证。验证表明：新的盐度格点数据（IAP-Salinity）可以准确重构过去60年海洋盐度年代际和长期变化。从图2示例中可以看到，很多国际已有产品在1993年和2005年左右海洋观测手段系统转变时期显示出虚假的“盐度漂移”，这个偏差极大的影响了传统盐度数据在全球变化和物理海洋研究中的应用。”论文的第一、通讯作者成里京副研究员说。
图2. 新的IAP盐度数据和国际已有数据的对比示例。IAP数据（黑色）显示出非常好的时间连续性，消除了大部分数据中存在的虚假“盐度漂移”。
新数据进一步证实了的海洋“咸变咸、淡变淡”的盐度长期空间变化格局，并首次给出0-2000米平均盐度变化趋势（图3）。结果显示，过去60年，盐度相对较低的太平洋在进一步变淡，淡化最明显的海域为我国临近的西北太平洋以及澳大利亚以东海域。相反，盐度相对较高的大西洋中低纬度区域显著变咸，信号最显著的海域也在海盆西边界区域；而大西洋极地区域显著变淡，主要由于冰盖和海冰融化引起的淡水注入海洋导致。在印度洋，盐度表现出南北相反的变化。总体而言，自1960年以来，全球海洋上层2000米“高-低”盐度差异已经增大了1.6%（图4），而海表盐度差异已经增加了7.5%。
图3. 全球海洋盐度变化的空间结构。上图为上层2000米盐度的气候平均态。中图为上层2000米盐度的变化线性趋势（1960-2018年）。下图为各个海盆纬向平均从0到2000米的盐度变化趋势。
图4. 1960-2017年0-2000米“盐度差指数”的时间序列（SC2000）。“盐度差指数”（Salinity-Contrast index）定义为高盐度区域的盐度变化和低盐度区域的盐度变化之差，这里“高”或“低”是相对于过去几十年的全球海洋平均盐度而言。因此，如果该指数增加，则表明“咸变咸、淡变淡”现象更为明显。背景图：积云和降水 (图片: 王习麟)。
海洋“咸变咸、淡变淡”的盐度变化主要是由全球水循环“干变干、湿变湿”的变化驱动的，本研究也利用新的盐度格点数据推算了自1960年以来的全球水循环变化，结果表明：全球“干变干，湿变湿”水循环格局已经加剧了2-4%℃-1。而通过与气候模式模拟结果结合发现：人类活动是造成海洋盐度格局变化加速的主要原因，这反映了人类活动对海洋环境的另一项“改造”。
基于该估算，如果本世纪全球气温比工业革命前升高2℃（《巴黎协定》目标的上限），全球水循环将加强4-8%，这意味着更为剧烈的蒸发（特别是再已经较为干旱的区域）和更为强烈的降水（特别是在降水已经较多的地区）。蒸发更为剧烈意味着干旱的地方将变得更为干旱，直接威胁农业生产和粮食安全。干旱也容易带来野火，影响中国、美国、巴西等国家和地区的人民生命和财产安全。更为剧烈的降水则更容易造成更大的暴雨、洪涝等气象灾害。同时，台风天气下降水强度将加大，未来沿海、小岛和低洼地区将会面临更严峻的防护压力。
新的盐度数据（IAP-Salinity）除应用于全球水循环研究外，盐度变化对大洋环流、海洋生物地球化学过程有重要影响，例如：极地盐度变化会改变海水密度，对大西洋经圈翻转环流有关键调制作用，进而影响全球天气和气候；盐度变化会改变局地海水密度，影响海洋的层结稳定性，进而调节海洋垂向能量、物质、碳交换强度，影响海洋生态系统和渔业资源。欢迎大家下载使用（http://159.226.119.60/cheng/）。
论文第一作者是来自中科院大气所成里京副研究员，合作者包括大气所朱江研究员和博士生李冠城、赵宣铭、苏黎世联邦理工学院N. Gruber、美国国家大气研究中心K. Trenberth和J. Fasullo、美国宾州州立大学M. Mann、美国圣托马斯大学J. Abraham。
该研究得到国家重点研发计划全球变化及应对专项“海洋环境变化关键参数观测数据处理方法和产品研制”（2017YFA0603202）、中科院海洋大科学中心项目（COMS2019Q01）等资助。
论文：
Cheng L., K. E. Trenberth, N. Gruber, J. P. Abraham, J. Fasullo, G. Li, M. E. Mann, X. Zhao, Jiang Zhu, 2020: Improved estimates of changes in upper ocean salinity and the hydrological cycle. Journal of Climate. In press, doi: https://doi.org/10.1175/JCLI-D-20-0366.1.
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