气候系统最显著的多年代际振荡是北大西洋区域的海表温度变化，即大西洋多年代际振荡（Atlantic Multidecadal Oscillation，简称AMO）（Kerr, 2000）。AMO周期较长，约为50-70年，这一现象究竟是地球气候系统内部变率，亦或只是响应外强迫的表现，一直以来是悬而未决的问题。 

　　基于仪器观测气象数据的研究认为，AMO来源于地球气候系统内部变率。基于树轮和冰芯的气候重建研究也表明，过去千年北大西洋和全球平均气候存在多年代际变率，但仅依赖观测和重建数据很难找到真正的归因。基于模式模拟的归因研究也仍未有定论，有模拟研究表明AMO可能是海表温度对大气随机扰动的响应，也可能是大西洋经圈翻转环流的外在表现，又或是对外部辐射强迫的响应。 

　　最近，美国宾夕法尼亚州立大学的Michael E. Mann及其合作者在Science上发表论文（Mann et al., 2021），提出过去千年温度多年代际振荡是由火山活动引起的，气候系统本身并不存在多年代际的振荡。 

　　作者认为内部变率与外强迫最大的区别在于：内部变率主要影响到全球能量的空间再分配，外强迫则影响全球能量的总收支，因此分析内部变率应从全球气候异常的空间入手。 

　　作者采用了多锥度-奇异值分解方法（Multi-taper method singular value decomposition，简称MTM-SVD），该方法是针对变量场进行频域分析，可避免因模式之间的差异对信号提取的影响，从而获得变量场的分数局地方差谱（Local Fractional Variance，简称LFV）。该方法的优点是可以获得特定频率带宽较窄信号的空间特征（模态）。作者使用该方法分析了参与第五次国际耦合模式比较计划（Coupled Model Intercomparison Project Phase 5，简称CMIP5）的所有模式的参照试验和过去千年模拟试验的全球温度场。 

　　结果表明，与明显的厄尔尼诺-南方涛动年际信号不同，无外强迫参照试验模拟的全球温度中并不存在显著的年代际至多年代际的分量（图1A），而施加外强迫的结果则存在多个显著的年代际至多年代际振荡信号，其中包括以50-70年为周期的分量（图1B）。通过与多模式集合平均的全球平均温度（通常认为其代表对外强迫的响应）的功率谱（图1C）对比，发现过去千年模拟试验的多年代际振荡信号与集合平均的全球平均温度的多年代际变率的周期是一致的，即过去千年模拟试验中存在的多年代际气候变率模态极有可能是对外强迫的响应。 

图1 CMIP5模式温度数据的谱分析结果；（A）CMIP5参照试验温度场的LFV谱，虚线表示蒙特卡洛方法计算的置信度，从下至上分别为p=0.5、0.1、0.05、0.01；每条彩线代表一个单成员（N=44），粗黑线为平均值；（B）同A，分析的是CMIP5过去千年模拟试验（N=16）；（C）CMIP5过去千年模拟试验集合平均（N=16）的全球平均温度的功率谱，蓝色竖虚线指示B与C共有的谱峰（Mann et al., 2021）

　　作者进一步使用能量平衡模式（一种根据能量平衡计算温度及其分布的简单气候模式，其不考虑内部变率），分析了在过去千年全球气候变化中最重要的两个外强迫因子（太阳辐射和火山活动）对全球温度的影响。在使用多条火山活动和太阳辐射重建序列作为外强迫组合或单一驱动模式后，发现只有火山活动可以导致全球平均温度的多年代际变化。说明火山活动是过去千年全球平均温度多年代际振荡的主因。 

　　此外，作者使用相同的方法对观测数据与CMIP5历史气候模拟试验也进行过相同的分析（Mann et al., 2020），结果显示全强迫的历史气候模拟全球温度结果与观测数据一致，均具有约50年周期的多年代际变化特征（图2）。但是在仅加入人为强迫的历史气候模拟结果中，尽管也存在多年代际变率模态，但是其周期并不相同，约为60年（图3）。在对比观测数据和多个模式的结果后，发现这一多年代际振荡的相位在观测和不同模式中也较为一致，很明显这不符合内在变率的随机特性。考虑到参照试验中并不存在多年代际振荡，这表明这一多年代际振荡是对外强迫（人为强迫和自然强迫）的响应。 

图2 CMIP5历史气候模拟试验（自然强迫+人为强迫）和观测数据的温度场LFV谱分析；灰色阴影代表集合成员的分布范围（深灰色区域为68%的集合成员的分布范围、灰色区域为95%），粗黑线为平均值，青线与紫线分别代表两个不同模式的结果，蓝线为观测结果（Mann et al., 2020）

图3 CMIP5历史气候模拟试验（人为强迫）和观测数据的温度场LFV谱分析；这里历史气候模拟试验是指不包括自然强迫的单一人为强迫试验，其余同图2（Mann et al., 2020）

　　总之，作者认为与气候系统年际尺度厄尔尼诺-南方涛动内部变率不同，气候系统很可能不存在多年代际的内在变率。工业革命以来，全球温度的多年代际变化是由人为强迫和自然强迫共同影响下产生的，而在人类影响较弱的过去千年，火山活动是全球温度多年代际振荡的驱动力。 

　　由于作者的研究均是基于气候模式，其获得的结果主要是说明CMIP5模式中并没有多年代际内在变率，其结果的可靠性受当前模式对内在变率模拟能力的限制。尽管如此，这一结果也再次表明火山活动对过去千年多年代际气候变化的重要影响。这与过去千年的全球温度重建工作认为火山活动是多年代际气候变化的主要驱动力相符（PAGES 2k Consortium, 2019）。这些研究启发我们，深入探究火山活动年代际至多年代际气候影响过程的物理机制，有利于对气候变化做出更为深入的科学解释。　　  

　　【致谢：感谢新生代室徐德克副研究员的审阅及宝贵修改建议。】

　　主要参考文献 

　　Kerr R A. A North Atlantic climate pacemaker for the centuries[J]. Science, 2000, 288(5473): 1984-1985.  

　　Mann M E, Steinman B A, Miller S K. Absence of internal multidecadal and interdecadal oscillations in climate model simulations[J]. Nature Communications, 2020, 11: 49. 

　　Mann M E, Steinman B A, Brouillette D J, et al. Multidecadal climate oscillations during the past millennium driven by volcanic forcing[J]. Science, 2021, 371(6533): 1014-1019. （原文链接） 

　　PAGES 2k Consortium. Consistent multi-decadal variability in global temperature reconstructions and simulations over the Common Era[J]. Nature Geoscience, 2019, 12(8): 643-649. 　　  

　　（撰稿：刘威，史锋/新生代室）