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最近太平洋风生环流的加剧与持续变暖的间断
Matthew H. england1,2 *， Shayne mcgregor1,2, Paul spence1,2, Gerald A. Meehl3, Axel Timmermann4, Wenju Cai5, Alex Sen Gupta1,2, Michael J. McPhaden6, Ariaan Purich5 and Agus santoso1,2
尽管大气温室气体持续增加，但自2001年以来，地球表面平均气温一直或多或少保持稳定。人们提出了多种机制来解释这种表面变暖减缓的现象。目前已明确全球变暖间断的一个重要成分是东太平洋海面温度较低，但目前尚不清楚为何在辐射力持续增加的情况下海洋能够保持相对较低的温度。在这里，我们展示了过去二十年中太平洋信风的显著增强——这在观测/再分析资料中是前所未有的，也是气候模型无法捕捉到的数据——足以解释热带太平洋的冷却以及通过增加海底吸收热量而导致的地表升温大幅放缓。由于太平洋浅层翻转增加，加强了赤道温跃层的热聚合，从而产生了额外的吸收。与此同时，信风加速增加了中太平洋和东太平洋的赤道上升流，降低了那里的海洋表面温度，从而使其他地区进一步降温。这些异常风的净效应是2012年全球平均地表气温下降0.1-0.2摄氏度，这可以解释自2001年以来观测到的地表变暖间断。如果信风趋势持续下去，这种间断可能也会持续。然而，一旦反常的风趋势减弱，预计将恢复迅速的变暖。
对
平均地球表面气温(SAT)的观测显示，在20世纪，全球气温显著变暖1，但这种变暖的总体趋势被轻微变暖甚至变冷所打断(图1)。例如，从20世纪40年代到70年代，全球变暖基本上停滞不前。从1975年到2000年，SAT的总体上升趋势恢复，但并不是均匀规则的。从1975年到1985年(参考2)的十年里，气温既有加速上升，同时也出现了缓慢的变暖3。自2001年左右以来，全球表面变暖出现了明显的间断，人们对其原因、可能持续的时间以及对全球气候变化的影响提出了疑问。
数十年的最低变暖期，甚至是降温期，夹杂着数十年的快速变暖，与长期变暖趋势并不矛盾；事实上，这是不断增加的温室气体压力与内部产生的气候变化之间相互作用的特征。在持续变暖的背景下，火山爆发和太阳辐射的变化等内部变化以外的因素也会导致几十年的气温下降。事实上，即使在全球迅速变暖的情况下，几十年的间隔预计也将预示着未来的变暖趋势4,5。可能解释最近观测到变暖间断的机制包括海洋热量吸收增加2,3,6,7、太阳极小期延长4以及大气中水蒸气8和气溶胶9,10的变化。东太平洋冷表层海水也与全球温度的变化有关11。人们普遍认为，具有巨大储热能力的地下海洋通过吸收的热量而发挥着重要作用2,3,7,12,13。然而，目前还不清楚异常的热量摄取发生在哪个海洋，太平洋2,3、、大西洋13,14和南半球海洋14-17都有可能。
与全球SAT变暖时期(1910-1940年和1976-2000年)相比，最近两次延长的间隔期(1940-1975年和2001-现在)的一个值得注意的方面是，它们与年代际太平洋振荡–18-20(IPO)处于负值阶段的时期密切相关(图1a)。IPO表现为一种类似厄尔尼诺的低频气候变化模式，其正相为热带太平洋温暖且信风减弱，负相为热带太平洋较冷且信风增强。近期基于气候模型结果的分析表明，间断数十年与IPO的负相阶段有关(参考2,3,11)。在此，我们将研究在这一框架下的变暖间断，特别是变暖间断与海洋动力学和海洋热吸收的关联，并基于此评估未来几十年的发展。
为了把当前发生的变暖间断与变暖时期对比，我们首先考虑过去20年的气候趋势，从20世纪90年代的全球表面变暖过渡到2000年后的间断。在此期间，太平洋信风显著增加21(图1b和图2a)，包括Walker环流和Hadley环流分量，以中纬度为中心的异常高海平面气压(SLP)印证该现象(图2a)。SLP和风应力的这种变化趋势与IPO在1990年代末表现出的迹象一致(参考22和图1b)，尽管风趋势更强并且空间尺度比IPO引起的更大,与IPO退化风只占大约一半的观察变化的大小(附图1)模仿风的趋势。因此，风趋势可能是由IPO变化引起（与ENSO变化关联23且迫于内部变化,和/或外部强迫如火山排放、太阳辐照度和气溶胶），也可能由其他因素引起，如最近发生在印度洋的快速变暖24,25。
太平洋风速增加对海平面变化趋势26,27（图2b）和海洋环流变化（附图2）的影响十分显著。尽管测量数据稀疏以至于难以得到的海洋环流趋势，但通过再分析产品得出的估计表明，在过去20年里，赤道急流加速，风驱动的Ekman流远离赤道的情况有所增加。在太平洋中部和西部，有证据表明赤道附近的密度跃层逐渐聚集，并伴随有赤道潜流的加速（图3和附图3）。热带密度跃层的辐合增强了海洋内部的净热增益，而上升气流的增加则在东太平洋表面产生了冷却效应（图3）。
太平洋表面温度（SST）也发生了变化，其变化模式与信风加速、赤道上升流增加和亚热带环流自旋上升的预期一致（图2c）。这包括西太平洋暖池变暖，西边界变暖，热带太平洋中部和东部变冷。东太平洋的冷却沿着美洲海岸向极地扩展，与南北赤道洋流和北太平洋副热带环流加速一致。SAT趋势（图2d和附图3）在很大程度上反映了海表温度变化的趋势。
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图1 20世纪全球平均SAT和太平洋信风的距平。图a, 温度距平为年平均值。与1951-1980年相比，每个年份显示为灰色色条，每5年的平均值为黑色线条叠加显示。图b, 太平洋风应力异常，对应区域为6°N-6°S和180°-150°W（图2a中的绿色矩形区域），亦为IPO对太平洋风回归最大的地方。异常是相对于历史记录的两种气候（方法），粗线条表示在20年整体趋势下的年强度。两种再分析产品均显示最近几十年太平洋信风的加速是有记录以来最快的，尽管先前的估计并没有卫星数据支持。图a和b均显示了低通滤波后的IPO指数18,19，且IPO负相位的各个阶段呈现蓝色背景。 |
为了量化最近太平洋风的变化趋势对气候的影响，首先从几个方面分析全球海洋模式，包括受辐射强迫的历史变化以及由给定的风（方法）强迫的能量-水分大气平衡。这样就可以在没有大气反馈的情况下检查海洋对已知的的太平洋风趋势的响应。在平行实验中，我们稍后会重新评估太平洋风在完全耦合的气候模型中的影响。在每个模型设置中进行了两种类型的实验：一种是气候月变化风的强迫，另一种是加入观测到的1992-2011年太平洋风趋势异常（图2a和方法)。
海温对海洋模型的响应捕捉到了最近太平洋变暖和变冷的趋势（比较图4a和2c），可以看到太平洋中部和东部变冷，西部变暖，一直延伸到印度洋和太平洋西部的热带边界。太平洋中部的冷却峰值比观测结果较高，而其他地区的特征和幅度较为一致。
海洋流速和水平流函数趋势（图4a和附图4和5）表明，模拟再现了再分析数据中看到的许多变化；例如，地表Ekman散度和温跃层辐合加速，热带太平洋西部边界流自旋下降，印度尼西亚通流和赤道潜流均增加。黑潮和北太平洋环流也在加速。
次表层海水温度和环流场也表现了出显著的趋势，上层热带海洋变冷且深层海洋变暖，这与观测结果相符合（图3和附图6）。在太平洋热带地区温跃层的最大升温速度与模型（2.0℃/10年）和再分析（2.2℃/10年）结果十分吻合。环流趋势揭示了太平洋浅层翻转流22的加速(图4b)，正如美国国
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图2 1992-2011年期间，观测到风、SLP、海平面高度、海表温度和SAT的变化趋势。a, 表面风应力的趋势(Nmminus;2/年)显示为向量，颜色表示大气SLP(Pa/年)。最大向量是0.003 Nm-2/年,显示向量的置信水平均优于95%。b, 卫星高度计观测到的海平面高度变化趋势(cm/年)。c和d分别为SST和表层空气温度的变化趋势(℃/年)。在所有图中，圆点表示该位置数据在1992-2011年整个期间的线性回归标准误差下，95%置信水平的趋势是显著的。 |
家大气研究中心（NCAR）气候模型2,3所报道的间歇期。NCAR模型由赤道两侧增强的风应力旋度驱动。增强的翻转流增加了赤道亚温跃层上升流和减弱亚热带暖水进入通风温跃层（附图4和6），加强了热带密度跃层的辐合（图3和附图4）。这增加了太平洋次表层吸收热量，而使得表层海水通过与大气相互作用变冷。我们通过两个实验在2012年得到的热含量差异证实了这一点，净风热增益低于125 m（ 5.0times;1022 J；其中大部分在太平洋和印度洋）和减少表面热含量125 m（minus;3.8times;1022 J），导致海洋净热增益为1.2times;1022 J。这大约是该模型在2000年之后的间断期大气顶层总体辐射不平衡的一半，也在这十年中减少了SAT的变暖趋势。
次表层海水温度和环流场也表现了出显著的趋势，上层热带海洋变冷且深层海洋变暖，这与观测结果相符合（图3和附图6）。在太平洋热带地区温跃层的最大升温速度与模型（2.0℃/10年）和再分析（2.2℃/10年）结果十分吻合。环流
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图4 由于1992-2011年太平洋风趋势引起的模式温度和海洋环流异常，并预测到2050年。图a, 海表温度和海洋环流趋势模型实验，包括历史上的二氧化碳强迫和1992-2011年观测到的太平洋风趋势。这里，观测和模式结果的趋势使用了不同颜色（图2c）。图b, 与图a类似但显示的是太平洋纬向平均温度和经向翻转环流趋势，单位分别是℃/年和Sv/年。图a绘图中使用最大向量为1 cm s-1/20年（为了绘图清晰，大于该数值也用该数值表示）。图b中等值线间距为0.2 Sv/年，等值线为plusmn;0.1、plusmn;0.3、plusmn;0.5、plusmn;0.7等。实线（虚线）表示顺时针（逆时针方向）循环。图c, 由风引起的全球年平均SAT，相对在1980-2012年增加CO2实验并预测2013-2050年，假设（i）2030年回归到气候风；（ii）持续保持2012年的异常状态；（iii）近期风趋势持续到2020年，其后保持稳定。未来的SAT异常本质上是跟踪2013年后的风趋势：要么在2030年回归到零，持续变冷约0.1℃或变冷增强至0.18℃到2025年。 |
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图3 最近20年太平洋温度和海洋-大气环流发展趋势示意图。颜色表示在1992~2011年期间观测到北半球海面温度的变化趋势(℃/10年)，纬向平均（附图6）和沿赤道太平洋经向平面（5°N和5°S之间平均）。基于再分析数据和模型数据获得西太平洋变暖温跃层的峰值分别为2.0℃/10年和2.2℃/10年。太平洋环流的平均和异常分别用粗箭头和细箭头表示，可以看到太平洋浅层翻转、赤道表层流和赤道潜流（EUC）的总体加速度。北半球太平洋上加速的大气环流用虚线箭头表示，包括Walker环流（黑色虚线）和Hadley环流（红色虚线）。北太平洋异常高的SLP用“H”表示。为了绘图简要，在南半球省略了一个等效的加速Hadley环流。 |
趋势揭示了太平洋浅层翻转流22的加速(图4b)，正如美国国家大气研究中心（NCAR）气候模型2,3所报道的间歇期。NCAR模型由赤道两侧增强的风应力旋度驱动。增强的翻转流增加了赤道亚温跃层上升流和减弱亚热带暖水进入通风温跃层（附图4和6），加强了热带密度跃层的辐合（图3和附图4）。这增加了太平洋次表层吸收热量，而使得表层海水通过与大气相互作用变冷。我们通过两个实验在2012年得到的热含量差异证实了这一点，净风热增益低于125 m（ 5.0times;1022 J；其中大部分在太平洋和印度洋）和减少表面热含量125 m（minus;3.8times;1022 J），导致海洋净热增益为1.2times;1022 J。这大约是该模型在2000年之后的间断期大气顶层总体辐射不平衡的一半，也在这十年中减少了SAT的变暖趋势。
太平洋风趋势冷却了热带太平洋和其他海洋环流变化，进而使得全球平均SAT变冷，虽然在信风加速开始后对全球平均温度影响的观测时长只有约5年（图4c）。这种在亚热带纬度变化的风应力的近似时间尺度相匹配22。此外，SAT中大约80%的冷却发生在2000年后，这表明数十年的太平洋风加速是最近观测到的尺度间断的一个重要因素（在模型中也是如此；附图7）。相对于控制温室效应实验，由于太平洋风力趋势导致的全球SAT平均异常降温在2012年达到了约0.11℃（图4c），与海洋储存的额外热量一致。
联合国政府间气候变化专门
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