Abstract Anthropogenically forced changes in ocean biogeochemistry are underway and critical for the ocean carbon sink and marine habitat. Detecting such changes in ocean biogeochemistry will require quantification of the magnitude of the change (anthropogenic signal) and the natural variability inherent to the climate system (noise). Here we use Large Ensemble (LE) experiments from four Earth system models (ESMs) with multiple emissions scenarios to estimate Time of Emergence (ToE) and partition projection uncertainty for anthropogenic signals in five biogeochemically important upper‐ocean variables. We find ToEs are robust across ESMs for sea surface temperature and the invasion of anthropogenic carbon; emergence time scales are 20–30 yr. For the biological carbon pump, and sea surface chlorophyll and salinity, emergence time scales are longer (50+ yr), less robust across the ESMs, and more sensitive to the forcing scenario considered. We find internal variability uncertainty, and model differences in the internal variability uncertainty, can be consequential sources of uncertainty for projecting regional changes in ocean biogeochemistry over the coming decades. In combining structural, scenario, and internal variability uncertainty, this study represents the most comprehensive characterization of biogeochemical emergence time scales and uncertainty to date. Our findings delineate critical spatial and duration requirements for marine observing systems to robustly detect anthropogenic change.

中文翻译：

---

海洋生物地球化学趋势的出现时间和大型集合比对

摘要 人为强迫的海洋生物地球化学变化正在进行中，对海洋碳汇和海洋栖息地至关重要。检测海洋生物地球化学的此类变化将需要量化变化的幅度（人为信号）和气候系统固有的自然变异性（噪声）。在这里，我们使用来自具有多种排放情景的四个地球系统模型 (ESM) 的大型集合 (LE) 实验来估计五个生物地球化学重要的上层海洋变量中人为信号的出现时间 (ToE) 和分区预测不确定性。我们发现 ToE 在 ESM 中对于海面温度和人为碳的入侵是稳健的；出现时间尺度为 20-30 年。对于生物碳泵，以及海面叶绿素和盐度，出现时间尺度更长（50+ 年），整个 ESM 的稳健性较差，并且对所考虑的强迫情景更敏感。我们发现内部可变性不确定性以及内部可变性不确定性的模型差异可能是预测未来几十年海洋生物地球化学区域变化的不确定性的必然来源。结合结构、情景和内部可变性的不确定性，这项研究代表了迄今为止对生物地球化学出现时间尺度和不确定性的最全面的表征。我们的研究结果描绘了海洋观测系统的关键空间和持续时间要求，以有力地检测人为变化。内部可变性不确定性的模型差异和模型差异可能是预测未来几十年海洋生物地球化学区域变化的不确定性的必然来源。结合结构、情景和内部可变性的不确定性，这项研究代表了迄今为止对生物地球化学出现时间尺度和不确定性的最全面的表征。我们的研究结果描绘了海洋观测系统的关键空间和持续时间要求，以有力地检测人为变化。内部可变性不确定性的模型差异和模型差异可能是预测未来几十年海洋生物地球化学区域变化的不确定性的必然来源。结合结构、情景和内部可变性的不确定性，这项研究代表了迄今为止对生物地球化学出现时间尺度和不确定性的最全面的表征。我们的研究结果描绘了海洋观测系统的关键空间和持续时间要求，以有力地检测人为变化。这项研究代表了迄今为止对生物地球化学出现时间尺度和不确定性的最全面的表征。我们的研究结果描绘了海洋观测系统的关键空间和持续时间要求，以有力地检测人为变化。这项研究代表了迄今为止对生物地球化学出现时间尺度和不确定性的最全面的表征。我们的研究结果描绘了海洋观测系统的关键空间和持续时间要求，以有力地检测人为变化。