Detecting regional deep-ocean steric changes remains challenging with sea level budget analyses

Resumen Técnico: La detección de cambios estéricos regionales en el océano profundo sigue siendo un desafío para los análisis del balance del nivel del mar

Planteamiento del problema
La detección y cuantificación de los cambios en el océano profundo por debajo de los 2000 metros sigue siendo un desafío crítico para las comunidades oceanográfica y climática debido a la escasa cobertura espacial y temporal de las observaciones in situ. Aunque la absorción de calor en el océano profundo contribuye al aumento del nivel medio del mar global (aproximadamente 0.11 ± 0.10 mm/año), las estimaciones existentes sufren de grandes incertidumbres. Un enfoque prometedor para inferir el cambio estérico (densidad) en el océano profundo es el "método de residuo", que calcula la diferencia entre el nivel del mar total (de la altimetría satelital), la masa oceánica (de la gravimetría satelital/GRACE-FO) y el cambio estérico del océano superior (de los flotadores Argo). A pesar de su uso creciente, este método no ha sido validado rigurosamente frente a observaciones directas de largo plazo de la hidrografía profunda a escalas regionales. Estudios previos han arrojado resultados mixtos, con algunos sugiriendo que el método no puede detectar señales profundas debido al ruido, mientras que otros afirman concordancia con las tendencias hidrográficas en regiones específicas.

Metodología
Los autores evaluaron la capacidad del método de residuo para detectar la variabilidad estérica profunda regional comparando las estimaciones de los residuos contra las anomalías del Nivel del Mar Estérico Profundo (DSSLa, por sus siglas en inglés) observadas directamente en siete series temporales hidrográficas de largo plazo que abarcan 2005–2022. Estos sitios incluyen estaciones de océano abierto (BATS, HOT), regiones de corrientes de contorno occidentales (RAPIDwest, MOVE3) y regiones de contorno orientales (RAPIDeast, RAPIDmarwest, MOVE1).

El marco del balance del nivel del mar descompone el nivel del mar total ($\eta_{total}$) en masa oceánica ($\eta_{mass}$) y componentes estéricos ($\eta_{steric}$). La anomalía estérica profunda ($\eta_{deep}$) se deriva como el residuo:
$$\eta_{deep} = \eta_{total} - \eta_{mass} - \eta_{upper\_steric}$$

Las fuentes de datos incluyeron:

• Nivel del mar total: Altimetría satelital de nivel 4 con retardo (CMEMS).
• Masa oceánica: Soluciones mascon de JPL GRACE/FO Release 0.6.3.
• Estérico del océano superior: Media de conjunto de cinco productos de malla de Argo (BOA, IAP, GDCSM, JAMSTEC, SIO).
• Datos de validación: Mediciones hidrográficas directas de los arreglos BATS, HOT, RAPID y MOVE.
• Referencia (Benchmarking): Se utilizó la estimación de estado de Estimating the Circulation and Climate of the Ocean (ECCO) V4r4, la cual es dinámicamente consistente y cierra el balance del nivel del mar localmente, para diagnosticar las discrepancias.

El estudio analizó la variabilidad interanual y las tendencias lineales, empleando simulaciones de Monte Carlo para cuantificar las incertidumbres e intervalos de confianza.

Resultos clave

1. Capacidad de detección limitada: El método de residuo no logra reproducir de manera confiable la magnitud de la variabilidad estérica del océano profundo observada. En los siete sitios, la desviación estándar de las series temporales de los residuos (8.2–19.3 mm) fue sustancialmente mayor que la DSSLa observada directamente (2.7–5.8 mm), lo que indica que el residuo está dominado por ruido, derivas instrumentales o errores en los términos del balance.
2. Problemas de correlación: Aunque las correlaciones brutas entre los residuos y las observaciones fueron moderadas a fuertes en algunos sitios (por ejemplo, MOVE3), el desestacionalización (detrending) reveló que gran parte de esta concordancia fue impulsada por tendencias compartidas a largo plazo, más que por la variabilidad interanual. Tras eliminar las tendencias, las correlaciones disminuyeron significamente (por ejemplo, de 0.67 a 0.08 en RAPIDeast), lo que sugiere que tendencias lineales similares pueden surgir de procesos no relacionados.
3. Discrepancias de tendencia: En la mayoría de los casos, las tendencias de los residuos fueron sustancialmente mayores que las tendencias de la DSSLa observada, y sus intervalos de confianza al 95% no se solaparon. Por ejemplo, en RAPIDeast, la tendencia del residuo fue de 3.61 ± 0.28 mm/año, casi ocho veces mayor que la tendencia observada de 0.41 ± 0.08 mm/año.
4. Diagnóstico de error sistemático: El estudio identificó que el gran error de cierre en el Atlántico Noreste (específicamente en RAPIDeast) no es causado por la deriva de salinidad de Argo, como se hipotetizó en otros estudios. En su lugar, la discrepancia está dominada por una señal de gravedad no oceanográfica en los datos de GRACE/FO.
   • El análisis espacial mostró una tendencia de masa negativa a escala de cuenca en el Atlántico Noreste en los datos de GRACE/FO que está ausente en ECCO y es inconsistente con la oceanografía física.
   • Si la tendencia de masa de GRACE/FO fuera real, implicaría un fortalecimiento masivo del gradiente de presión Este-Oeste y una tendencia significativa en el brazo inferior de la Circulación Meridional de Retorno del Atlántico (AMOC). Sin embargo, las observaciones de RAPID y ECCO no respaldan tal tendencia.
   • Las comparaciones con ECCO confirmaron que el desajuste reside en el término de masa/OBP, no en el nivel del mar total o en los componentes estéricos.

Significancia y afirmaciones
El artículo concluye que la detección de cambios estéricos en el océano profundo regional mediante análisis de balance de nivel del mar sigue siendo un desafío, incluso con registros de décadas. La relación señal-ruido del enfoque de residuo es insuficiente para una detección robusta en la mayoría de las regiones.

Crucialmente, los autores identifican un problema significativo y previamente poco estudiado con los datos de GRACE/FO en el Atlántico Noreste. Argumentan que la aparente pérdida de masa observada por GRACE/FO en esta región es probablemente una señal de gravedad no oceanográfica originada en la Tierra sólida, en lugar de un cambio de masa oceánica real o un simple error de procesamiento de datos. Este hallazgo desafía las interpretaciones previas que atribuían los errores de balance del nivel del mar en el Atlántico Norte principalmente a la deriva de salinidad de Argo. Los autores advierten que, hasta que se aísle y se modele el proceso de la Tierra sólida que causa esta señal de gravedad, los usuarios de datos de GRACE/FO para estudios oceanográficos en el Atlántico Noreste deben proceder con cautela. El estudio subraya la necesidad de una validación independiente (como boyas de largo plazo y estimaciones de estado dinámicamente consistentes) al interpretar los balances de nivel del mar residuales.