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我国科学家在历史时期北大西洋多年代际气候变化研究方面取得重要进展

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  中国科学院西北生态环境资源研究院杨保研究员的团队在历史时期北大西洋多年代际气候变化的特征及成因研究方面取得重要进展。相关成果以“Internal
and external forcing of multidecadal Atlantic climate variability over
the past 1200
years”(过去1200年北大西洋多年代际气候变率的内部变率和外部驱动)为题,于2017年5月29日在线发表在Nature
Geoscience上。Nature Geoscience杂志还专门邀请了气候变化领域研究专家Sloan
Coats和Jason E. Smerdon博士在News &
Views专栏为该论文撰写了专题评论(“The Atlantic’s internal
beat”),报导这项工作的重要性及其意义。中国科学院西北生态环境资源研究院王江林博士为论文的第一作者,杰出青年基金获得者杨保研究员为通讯作者。(论文链接:

北大西洋多年代际变率表现为北大西洋海温在多年代际尺度上准周期性冷暖异常变化,对全球气候变化具有重要的影响。目前学术界对于北大西洋多年代际变率的成因和气候影响均存在争议。

8月14日,《自然》子刊《自然·地球科学》(Nature
Geoscience)在线发表了我校地球和空间科学学院极地环境研究室孙立广课题组的研究论文《热带太平洋水文记录揭示过去两千年南方涛动指数变化》(A
record of the Southern Oscillation Index for the past 2,000 years from
precipitation
proxies)。该论文利用热带太平洋地区水文记录对过去千年太平洋厄尔尼诺以及沃克环流的变化情况进行了重建,并对世纪尺度ENSO(El
Niño-Southern
Oscillation,即厄尔尼诺南方涛动)的变化机制及其对北半球中高纬度气候的影响进行了分析,结果显示,过去2000年热带太平洋沃克环流的变化受太阳活动控制并与北半球气候变化关系密切,这一结果为理解世纪尺度气候变化机制提供了参考,并将有助于我们进行中长期气候变化预测。这是继今年4月在《自然·通讯》发表论文之后,孙立广课题组在热带海洋古气候变化研究领域取得的又一成果。

  北大西洋海水表面温度具有50-70年的冷暖变化规律,这即是北大西洋多年代际变率(Atlantic
Multidecadal
Variability,缩写为AMV)。AMV可以调节大西洋飓风活动并影响非洲萨赫勒地区荒漠草原干旱环境,所以对这一变化特征的了解对于预测几十年或者更长时间尺度上的气候变化非常重要。北大西洋多年代际变率受气候系统内部变率和外强迫的共同影响。由于其长周期性及驱动因素的复杂性,之前,基于过去一百多年的观测资料研究难以获得北大西洋多年代际变率完整的变化特征,同时也难以区分来自气候系统内部变率和来自外强迫对北大西洋多年代际变率及其气候影响的贡献部分。

中国科学院西北生态环境资源研究院杨保研究组及国际合作者利用北大西洋周边地区的树轮、冰芯和历史文献资料重建了过去1200年北大西洋多年代际变率的演化历史。研究结果表明,北大西洋多年代际变率过去1200年表现出持续且显著的多年代际(尤其表现在64-88年)准周期性变化特征;火山喷发和太阳活动等外部驱动对这些变化的贡献不到30%,远小于来自气候系统的内变率的贡献。利用半经验方法扣除外部驱动贡献部分后,作者估算了气候系统内部变化对北大西洋多年代际变率的贡献。研究结果表明,内部贡献部分在过去1200年同样表现出相似的多年代际准周期性变化特征,并且和同期的北半球平均温度变化具有显著相关性。据此推断,北大西洋多年代际变率和北半球温度以及其他区域气候之间的联系是气候系统内部的真实联系。

该论文通过对热带太平洋地区的古水文记录进行综合分析,认为太平洋ENSO及沃克环流的变化可能是过去千年热带太平洋水文空间模式变化的主要因素。研究人员采用合适的数学方法,从水文记录中提取了ENSO变化的信号并对过去两千年南方涛动指数的年代际-世纪尺度变化进行了重建。重建结果认为,小冰期期间(公元1400—1850)厄尔尼诺偏弱,沃克环流偏强。这一重建结果得到了大气环流模型模拟结果的支持,但与“海洋自动调温器”模型的模拟结果不吻合,说明热带太平洋海洋与大气过程在世纪尺度变化上有可能不是同步发生的。另外,重建的南方涛动过去千年变化与太阳活动之间存在明显关联,说明热带太平洋年代际-世纪尺度气候变化可能主要受太阳活动的驱动。此外,研究人员还发现热带太平洋ENSO和沃克环流的过去千年的变化与北半球温度以及气候系统(如北大西洋涛动、东亚季风等)之间存在明显的关联,关联模式与器测资料时代类似,这一发现可以帮助我们了解北半球中高纬度年代际-世纪尺度气候变化特征和机制,以及预测未来气候的中长期变化。

  利用北大西洋周边区域46条年分辨率的气候代用资料(包括:树轮、冰芯和历史文献记录),杨保研究组重建了过去1200年北大西洋多年代际变率的演化历史。该研究发现,在过去1200年,北大西洋多年代际变率表现出持续和显著的多年代际(尤其表现在64-88年)准周期性变化。太阳活动极小期和强火山喷发事件均可造成北大西洋海温长达数十年的异常变冷,但二者对历史时期北大西洋多年代际变率的贡献不到30%,远小于气候系统内部变率的贡献。通过扣除外部驱动的贡献,作者估算了气候系统内部变率对北大西洋多年代际变率的贡献,并将其定义为北大西洋多年代际涛动(Atlantic
Multidecadal
Oscillation)。结果表明,北大西洋多年代际涛动在过去1200年同样表现出持续和显著的多年代际准周期性变化特征,这些变化和同期同北半球平均温度变化呈显著的正相关性。据此推断,北大西洋多年代际变率和北半球温度以及其他区域气候之间的联系主要是气候系统内部的真实联系,并非只是二者共同受第三方外部驱动造成的假关联。

该研究进展对于认识多年代际气候变化的特征、形成及未来气候的年代际预测具有十分重要的意义。研究成果以Internal
and external forcing of multidecadal Atlantic climate variability over
the past 1200 years
为题发表于《自然-地球科学》(Nature
Geoscience
)杂志。

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  该研究结果对理解历史时期多年代际气候变化的形成以及预测未来气候的年代际变化具有重要意义,是多年代际气候变化研究领域的重要突破。

西北研究院博士王江林为论文第一作者。该研究获得国家自然科学基金和西部之光“西部青年学者”等项目资助。

  该成果受到国家自然科学基金项目(项目编号:41325008,41661144008,41520104005,41602192)的资助。

据悉,《自然-地球科学》杂志还邀请气候变化研究专家Sloan Coats、Jason E.
Smerdon博士在News & Views专栏为该论文撰写了题为Climatic variability:
The Atlantic’s internal drum beat

的专题评论,报道该项工作的重要性及意义。

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  图.
基于46条气候代用资料重建的北大西洋多年代际变率序列。(a)代用资料的空间分布及其在重建模型中的贡献权重;(b-d)北大西洋多年代际变率重建序列和仪器记录序列在年际(b)、年代际(c)和多年代际(d)尺度上的比较;(e)过去1200年北大西洋多年代际变率的重建序列及其误差范围;(f)重建模型在校准和验证时段的相关参数统计;(g)重建模型用到北大西洋周边(北极、北美东部和欧洲)地区代用资料的数量。

基于46条气候代用资料重建的北大西洋多年代际变率序列。代用资料的空间分布及其在重建模型中的贡献权重;北大西洋多年代际变率重建序列和仪器记录序列在年际和多年代际尺度上的比较;过去1200年北大西洋多年代际变率的重建序列及其误差范围;重建模型在校准和验证时段的相关参数统计;重建模型用到北大西洋周边(北极、北美东部和欧洲)地区代用资料的数量。

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北大西洋多年代际变率及其气候系统的内部贡献部分(北大西洋多年代际涛动)的时间序列及其对应的小波功率谱。重建的年分辨率的北大西洋多年代际变率及其小波功率谱北大西洋多年代际变率30年低通滤波曲线及其小波功率谱扣除气候外强迫的贡献后估算的气候系统对北大西洋多年代际变率的内部贡献部分(即北大西洋多年代际涛动)及其小波功率谱。

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过去1200年北大西洋多年代际变率与北半球温度的比较。北大西洋多年代际变率和北半球平均温度在”30年和30-90年时间尺度上的比较扣除气候外强迫贡献后估算的北大西洋多年代际变率和北半球温度各自的内部贡献部分在”30年和30-90年时间尺度上的比较。

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