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

Technische Samenvatting: Het detecteren van regionale diepzee-sterische veranderingen blijft uitdagend met zeeniveau-budgetanalyses

Probleemstelling
Het detecteren en kwantificeren van veranderingen in de diepe oceaan onder de 2000 meter blijft een kritieke uitdaging voor de oceanografische en klimatologische gemeenschap vanwege de schaarse ruimtelijke en temporele dekking van in situ observaties. Hoewel de warmteopname door de diepe oceaan bijdraagt aan de wereldwijde gemiddelde zeespiegelstijging (ongeveer 0,11 ± 0,10 mm/jaar), lijden bestaande schattingen onder grote onzekerheden. Een veelbelovende aanpak om de diepzee-sterische (densiteits)verandering af te leiden is de "residuele methode", die het verschil berekent tussen de totale zeespiegel (via satellietaltimetrie), de oceaanmassa (via satellietgravimetrie/GRACE-FO) en de sterische verandering in de bovenste oceaanlagen (via Argo-boeien). Ondanks het toenemende gebruik, is deze methode niet rigoureus gevalideerd tegen langdurige, directe diepzee-observaties op regionale schaal. Eerdere studies leverden gemengde resultaten op, waarbij sommigen suggereerden dat de methode niet in staat is om diepe signalen te detecteren door ruis, terwijl anderen beweren dat er overeenstemming is met hydrografische trends in specifieke regio's.

Methodologie
De auteurs evalueerden het vermogen van de residuele methode om regionale diepzee-sterische variabiliteit te detecteren door residuele schattingen te vergelijken met direct geobserveerde Deep Steric Sea Level anomalies (DSSLa) op zeven langdurige hydrografische tijdreeksen verspreid over de periode 2005–2022. Deze locaties omvatten open oceaanstations (BATS, HOT), westelijke randstroomregio's (RAPIDwest, MOVE3) en oostelijke randregio's (RAPIDeast, RAPIDmarwest, MOVE1).

Het zeeniveau-budgetkader ontleedt de totale zeespiegel ($\eta_{total}$) in oceaanmassa ($\eta_{mass}$) en sterische componenten ($\eta_{steric}$). De diepzee-sterische anomalie ($\eta_{deep}$) wordt afgeleid als het residu:
$$\eta_{deep} = \eta_{total} - \eta_{mass} - \eta_{upper\_steric}$$

Gegevensbronnen omvatten:

• Totale zeespiegel: Delayed-mode Level-4 satellietaltimetrie (CMEMS).
• Oceaanmassa: JPL GRACE/FO Release 06.3 mascon oplossingen.
• Bovenste oceaan-sterische component: Ensemblegemiddelde van vijf gegridde Argo-producten (BOA, IAP, GDCSM, JAMSTEC, SIO).
• Validatiegegevens: Directe hydrografische metingen van BATS, HOT, RAPID-arrays en MOVE-arrays.
• Benchmarking: De Estimating the Circulation and Climate of the Ocean (ECCO) V4r4 state estimate, die dynamisch consistent is en lokaal het zeeniveau-budget sluit, werd gebruikt om discrepanties te diagnosticeren.

De studie analyseerde interjaarlijkse variabiliteit en lineaire trends, waarbij Monte Carlo-simulaties werden toegepast om onzekerheden en betrouwbaarheidsintervallen te kwantificeren.

Belangrijkste Resultaten

1. Beperkt detectievermogen: De residuele methode slaagt er niet in om de magnitude van de geobserveerde diepzee-sterische variabiliteit betrouwbaar te reproduceren. Op alle zeven locaties was de standaarddeviatie van de residuele tijdreeksen (8,2–19,3 mm) aanzienlijk groter dan de direct geobserveerde DSSLa (2,7–5,8 mm), wat aangeeft dat het residu wordt gedomineerd door ruis, instrumentele driften of fouten in de budgetteringen.
2. Correlatieproblemen: Hoewel de ruwe correlaties tussen residuen en observaties matig tot sterk waren op sommige locaties (bijv. MOVE3), onthulde detrending dat een groot deel van deze overeenstemming werd gedreven door gedeelde langetermijntrends in plaats van interjaarlijkse variabiliteit. Na het verwijderen van de trends daalde de correlatie aanzienlijk (bijv. van 0,67 naar 0,08 bij RAPIDeast), wat suggereert dat vergelijkbare lineaire trends kunnen voortkomen uit ongerelateerde processen.
3. Trenddiscrepanties: In de meeste gevallen waren de residuele trends aanzienlijk groter dan de geobserveerde DSSLa-trends, en hun 95%-betrouwbaarheidsintervallen overlapten niet. Bijvoorbeeld, bij RAPIDeast was de residuele trend 3,61 ± 0,28 mm/jaar, bijna acht keer groter dan de geobserveerde trend van 0,41 ± 0,08 mm/jaar.
4. Diagnose van systematische fout: De studie identificeerde dat de grote misclosure in de Noordoost-Atlantische Oceaan (specifiek bij RAPIDeast) niet wordt veroorzaakt door Argo-saliniteitsdrift, zoals eerder door andere studies werd verondersteld. In plaats daarvan wordt de discrepantie gedomineerd door een niet-oceanografisch zwaartekrachtsignaal in de GRACE/FO-gegevens.
   • Ruimtelijke analyse toonde een basin-schaal negatieve massatrend in de Noordoost-Atlantische Oceaan in de GRACE/FO-gegevens aan, die afwezig is in ECCO en inconsistent is met de fysische oceanografie.
   • Als de GRACE/FO-massatrend echt zou zijn, zou dit een massale versterking van de Oost-West drukgradiënt impliceren en een significante trend in de onderste tak van de Atlantic Meridional Overturning Circulation (AMOC). Echter, RAPID-observaties en ECCO ondersteunen een dergelijke trend niet.
   • Vergelijkingen met ECCO bevestigden dat de mismatch zich bevindt in de massa/OBP-term, en niet in de totale zeespiegel of de sterische componenten.

Betekenis en Claims
Het artikel concludeert dat het detecteren van regionale diepzee-sterische veranderingen met behulp van zeeniveau-budgetanalyses uitdagend blijft, zelfs met decennialange records. De signaal-ruisverhouding van de residuele benadering is in de meeste regio's onvoldoende voor robuuste detectie.

Cruciaal is dat de auteurs een significant, voorheen onbestudeerd probleem geïdentificeerd hebben met de GRACE/FO-gegevens in de Noordoost-Atlantische Oceaan. Zij stellen dat de schijnbare massavermind die door GRACE/FO in deze regio wordt waargenomen, waarschijnlijk een niet-oceanografisch zwaartekrachtsignaal is dat afkomstig is van de vaste aarde, in plaats van een werkelijke oceanografische massaverandering of een eenvoudige fout in de gegevensverwerking. Deze bevinding daagt eerdere interpretaties uit die de zeeniveau-budget misclosures in de Noord-Atlantische Oceaan primair toeschreven aan Argo-saliniteitsdrift. De auteurs waarschuwen dat gebruikers van GRACE/FO-gegevens voor oceanografische studies in de Noordoost-Atlantische Oceaan voorzichtig moeten zijn totdat het proces in de vaste aarde dat dit zwaartekrachtsignaal veroorzaakt, is geïsoleerd en gemodelleerd. De studie onderstreept de noodzaak van onafhankelijke validatie (zoals langdurige boeien en dynamisch consistente state estimates) bij het interpreteren van residuele zeeniveau-budgetten.