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Nature:过去千年太平洋沃克环流对外强迫的响应
2023-09-11 | 作者: | 【 】【打印】【关闭

  摘要:太平洋沃克环流是低纬热带地区在年际尺度上最关键的大气环流系统之一。由于观测数据的历史记录太短,关于沃克环流如何响应气候系统外部强迫因子(例如温室气体和火山活动等)的问题仍存在争议。最近的一项突破性研究首次重建了过去800年的沃克环流指数。结果表明,尽管1992年至2011年期间的沃克环流强度达到了20世纪以来的最高水平,但这并非过去八个世纪中最强的一段时期。而这一显著的强度变化是火山活动和人为气溶胶排放共同影响的结果。 

  太平洋沃克环流(Pacific Walker circulationPWC)是一种受东西向太平洋海温梯度驱动而形成的大尺度东西向环流系统。该环流在印度-太平洋暖池和海洋性大陆地区表现为上升气流、而在东太平洋的冷水区则呈现为下沉气流。作为年际尺度上低纬热带最重要的区域大气环流系统之一,沃克环流与厄尔尼诺-南方涛动(ENSO)存在密切的耦合关系,并通过遥相关机制显著地影响全球的温度与降水的变化模式。 

  由于沃克环流的观测记录较短,导致沃克环流对于外强迫的响应仍存在争议。多数气候模式模拟结果显示,21世纪由温室气体驱动的全球增暖效应会导致沃克环流逐渐减弱(Sandeep et al., 2014)。另一方面,观测数据却显示,公元1980年以来东西向海表温度与海平面气压的梯度有所增强,暗示着在全球持续增温的背景下沃克环流近年来反而呈现增强的趋势(Chung et al., 2019)。因此,对沃克环流在长时间尺度上的精确重建变得至关重要,以期解决这一明显的争议。 

  最近,多个古气候代用记录集[括古全球变化计划过去2000年同位素数据集(PAGES Iso2k database)、石笋氧同位素季风与分析数据集(Speleothem Isotope Synthesis and AnalysisSISAL database)等)]相继公布,为精确重建沃克环流的长期变化提供了契机。澳大利亚国立大学地球科学研究院Georgina Falster教授及其团队基于以上古气候代用记录集,利用其中59条古气候代用记录同位素数据(图1b,包括冰芯、树轮、湖泊沉积、珊瑚、石笋),并利用8种不同的统计学方法重建了公元12002000年沃克环流指数的变化Falster et al., 2023。利用多种类型代用记录集成重建环流指数的优势在于,一方面,通过使用多种类型和空间分布广泛的代用记录,能有效地减少单一类型记录可能带来的系统偏差,提升重建结果的空间代表性;另一方面,应用多种统计学方法也有助于进一步降低由于重建方法本身的差异而导致的结果不确定性Shi et al., 2022 

1 公元12002000年太平洋沃克环流的重建(a)与代用记录分布情况(b)(Falster et al., 2023) 

  公元12002000年太平洋沃克环流指数序列重建结果(图1a)表明,在年际至年代际尺度上,20世纪前的沃克环流指数可能受火山强迫影响导致其变化幅度偏大,而20世纪后该梯度基本围绕均值稳定波动。此外,相较于工业革命前(12001849 CE),工业革命后(18502000 CE)的沃克环流指数低频变化信号更强。工业革命后沃克环流指数正异常增多,海温也相应地更多呈现拉尼娜状态。 

  为更进一步探讨沃克环流的变化机制,该团队利用再分析资料(HadSLPHadSLP2ICOADSERA-20C)和气候模式过去千年模拟试验(CESM-LMEPMIP3PMIP4)研究了沃克环流指数对火山强迫的响应。结果表明:(1)多套再分析资料证实沃克环流指数在公元19922011年明显偏高,这与重建结果相吻合;(2)火山喷发后23年内,沃克环流指数呈负异常,海温趋于厄尔尼诺状态;(319922011年沃克环流异常增强是1991年皮纳图博火山喷发和工业革命后北半球人为气溶胶排放共同作用的结果;(4)重建的PWC指数与全球温度之间存在较弱的反相关关系,而工业革命后这一关系减弱。这可能是由于全球温度对沃克环流的热力学影响在一定程度上被人为强迫所掩盖(图2),因为人为气溶胶排放会导致沃克环流增强。 

2 重建的沃克环流指数与全球表面温度的相关性(Falster et al., 2023) 

  Georgina Falster团队重建的过去800年沃克环流指数序列,使得量化分析人为强迫和火山强迫对沃克环流的影响成为可能,这无疑为未来的沃克环流研究奠定了坚实的数据基础。然而,该研究并未明确解释在19922011年沃克环流异常增强的现象中,外强迫与内部变率的相对贡献应该如何考量?同样,不同强迫是通过什么机制影响沃克环流,也尚未被详细地探讨。这些问题都是在未来研究中亟待深入分析和解答的重要议题。     

  主要参考文献 

  Sandeep S, Stordal F, Sardeshmukh P D, et al. Pacific Walker Circulation variability in coupled and uncoupled climate models[J]. Climate Dynamics, 2014, 43: 103-117.  

  Chung E S, Timmermann A, Soden B J, et al. Reconciling opposing Walker circulation trends in observations and model projections[J]. Nature Climate Change, 2019, 95: 405-412. 

  Falster G, Konecky B, Coats S, et al. Forced changes in the Pacific Walker circulation over the past millennium[J]. Nature, 2023. 原文链接 

  Shi F, Goosse H, Li J, et al. Interdecadal to multidecadal variability of East Asian summer monsoon over the past half millennium[J]. Journal of Geophysical Research: Atmospheres, 2022, 12720: e2022JD037260. 

  (撰稿人:杨媛媛、史锋/新生代室)

 
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