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Science:月分辨率的珊瑚记录显示ENSO的发生与火山强迫没有关系
2020-06-27 | 作者: | 【 】【打印】【关闭

  ENSOEl Nino-Southern Oscillation)是发生于赤道东太平洋地区的风场和海表面温度振荡,是全球气候系统最显著的年际变率信号,其变化影响着全球气候格局。然而,由于仪器观测ENSO变化的数据长度较短,对于ENSO过去几百年的变化历史尚不清楚,以及影响ENSO发生的机制也存在争议。 

  利用地质记录重建ENSO的工作为认识ENSO的变化历史提供了可行的解决思路。以往研究大多基于树轮等地质记录与东太平洋海温的遥相关关系,建立回归方程重建ENSO历史演化规律(Li et al., 2013),以及利用气候模式进行ENSO的模拟研究(Mann et al., 2005)。研究表明,火山爆发可以激发ENSO变化,形成类厄尔尼诺现象。然而由于地质记录与东太平洋海温遥相关关系的稳定性问题,以及气候系统混沌效应导致模式并不能真实反映ENSO变率,因此,火山喷发与ENSO事件的关系仍需要进一步研究。 

  位于赤道太平洋的珊瑚记录,与海表面温度SST呈现显著线性关系,是反映ENSO变化的理想材料(Freund et al., 2019),可从数据重建角度提供研究火山和ENSO关系的直接证据。最近,Dee等利用赤道太平洋8个珊瑚段组成了过去千年(AD 1146–2007)的δ18O氧同位素记录,其中有320年(AD 1146–1465)是连续的月分辨率珊瑚δ18O数据(图1),并用其开展了ENSO事件与火山活动关系的研究(Dee et al., 2020) 

1 过去千年太阳活动(红)、火山爆发(蓝)和帕尔米拉珊瑚数据(黑)的对比图(Dee et al., 2020 

  基于火山喷发喷发到平流层气溶胶的光学厚度(Stratospheric Aerosol Optical DepthSAOD)将过去千年火山活动分为四类不同强度的喷发,使用时序叠加分析方法(Surperposed Epoch AnalysisSEA)分析发现,不同程度的火山喷发对赤道太平洋珊瑚记录的影响并不显著,且难以与气候系统内部引起的变化相区分。同时与现有PMIP3Paleoclimate Modeling Intercomparison Project Phase 3)多模式结果,以及CESM-LMECommunity Earth System Model Last Millennium Ensemble)多成员模拟结果对比发现,CESM模式所有成员在火山爆发后,赤道东太平洋均出现变暖趋势,而PMIP3多模式间的模拟结果虽并不完全一致,但这些模式模拟的结果普遍都表现为火山爆发后赤道东太平洋类厄尔尼诺现象的出现,说明模式模拟的ENSO对火山活动的响应非常明显(图2)。模式与数据对火山爆发的不同响应意味着目前已有的模式可能高估了ENSO对火山爆发响应的敏感度。 

2 基于帕尔米拉珊瑚δ18O数据和模式模拟的δ18O数据响应火山活动的时序叠加分析结果图。A. AOD>0.07(包括26次火山爆发);B. AOD>0.12(包括12次火山爆发);C. AOD>0.22(包括4次火山爆发);D. AOD>0.43(包括1Samalas火山爆发)。帕尔米拉珊瑚δ18O数据用黑线表示,PMIP3模式模拟结果用彩色实线表示,CESM-LME模型模拟结果用红色虚线表示,浅灰色阴影区域的边界表示[5% 95%]的置信区域,深灰色阴影区域边界为[25% 75%]的置信区域(Dee et al., 2020

  该研究对于ENSO响应火山活动的传统认识提出了挑战,启发我们重新思考在工业革命前后气溶胶对ENSO变化的影响是否有所不同?以及历史时期两类ENSO对气溶胶的响应是否相同?等科学问题。也对前人提出向平流层注入硫酸盐气溶胶,用于延缓全球变暖的观点提出了警示,火山喷发将硫酸盐气溶胶喷入平流层,反射太阳辐射会冷却地球,但降温可能在区域尺度上并不一致变化,至少降温对热带太平洋的影响尚不确定。同时,该研究也是数据-模式驱使科学(data/model-enabled science)”的典型例子(郭正堂, 2019),为我们进行数据-模式对比研究提供了新思路 

  【致谢:感谢许晨曦研究员对本文的宝贵修改建议。】   

  主要参考文献 

  Dee S G, Cobb K M, Emile-Geay J, et al. No consistent ENSO response to volcanic forcing over the last millennium[J]. Science, 2020, 367(6485): 1477-1481.链接 

  Freund M B, Henley B J, Karoly D J, et al. Higher frequency of Central Pacific El Nino events in recent decades relative to past centuries[J]. Nature Geoscience, 2019, 12(6): 450-455.链接 

  Li J, Xie S P, Cook E R, et al. El Nino modulations over the past seven centuries[J]. Nature Climate Change, 2013, 3(9): 822-826.链接 

  Mann M E, Cane M A, Zebiak S E, et al. Volcanic and solar forcing of the tropical Pacific over the past 1000 years[J]. Journal of Climate, 2005, 18(3): 447-456.链接 

  郭正堂. 《地球系统与演变》: 未来地球科学的脉络[J]. 科学通报, 2019, 64(9): 883–884.链接 

  (撰稿:薛惠鸿,史锋/新生代室)

 
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