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《全球变暖抑制北太平洋年代际振荡 及其可预测性》

  • 来源专题：物理海洋学知识资源中心
  • 编译者： 张灿影
  • 发布时间：2020-05-25

  • 全球变暖对气候变率模态的影响是气候变化研究的前沿科学问题之一。太平洋年代际振荡（Pacific Decadal Oscillation，以下简称“PDO”）是北太平洋年代际变率的主模态，其正（负）位相表现为北太平洋海盆西部和中部海表面温度异常变冷（暖），而北美西部沿岸海域异常变暖（冷）的“马蹄型”空间模态。自1900年以来，PDO已发生多次位相转变，并且对其毗邻区域乃至全球范围的气候、生态环境和农业等产生深远影响。例如，PDO可通过调制东亚大气环流，影响中国不同区域的降水，诱发洪涝灾害等极端气候事件。然而，在全球变暖背景下，PDO的可预测性会发生怎样的变化及相关机制尚不清晰，这是目前国际上气候年际至年代际尺度预测的热点问题之一，对国家决策部门制定相关气候应对政策具有重要指导作用。

    Li等人（2020）利用多组再分析资料和CMIP5海气耦合多模式数据，结合北太平洋海气耦合理论模型，发现全球变暖将导致PDO可预测性减弱，且具有模式间一致性。其主要机制是伴随着全球变暖，海洋上层增暖快于下层，层结的加强诱发海洋斜压罗斯贝波传播加快。该过程将导致PDO年代际周期缩短，海表面温度信号强度减弱，从而使得PDO信号更难从背景场中被探测出来。此外，基于中纬度海气耦合理论模型，通过控制实验，研究还指出在影响海表面温度振幅的众多因素中，变暖背景下加强的海洋层结可解释60%以上的海温振幅变化，占据主导作用。该研究的发现意味着未来全球变暖幅度的增大将会使得PDO的预测面临更严峻的挑战，严重限制人类预测未来极端气候的能力。

    摘自：全球海洋科技发展动态2020年第四期李姝珺 编译

  • 原文来源：https://www.nature.com/articles/s41558-019-0663-x
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相关报告

  • 《海洋试点国家实验室在太平洋年代际涛动预测研究取得重要进展》
    • 来源专题：中国科学院文献情报系统—海洋科技情报网
    • 编译者：liguiju
    • 发布时间：2019-12-20
    • 2019年12月16日，国际著名学术期刊Nature（《自然》）子刊Nature Climate Change（《自然气候变化》）在线发表了题为“The Pacific Decadal Oscillation less predictable under greenhouse warming”（《温室气体增暖背景下北太平洋年代际振荡可预测性减弱》）的最新研究成果。该杂志同时发表题为“Warming reduces predictability ”的评述文章。该成果由青岛海洋科学与技术试点国家实验室（以下简称“海洋试点国家实验室”）海洋动力过程与气候功能实验室青年学者李姝珺博士为第一作者，海洋试点国家实验室主任吴立新院士和海洋试点国家实验室领军科学家蔡文炬教授为联合通讯作者的科研团队共同完成。 太平洋年代际振荡（Pacific Decadal Oscillation，以下简称“PDO”）是北太平洋年代际变率的主模态，其正（负）位相表现为北太平洋海盆西部和中部海表面温度异常变冷（暖），而北美西部沿岸海域异常变暖（冷）的“马蹄型”空间模态（图1）。自1900年以来，PDO已发生多次位相转变，并且对其毗邻区域乃至全球范围的气候，生态环境和农业等产生深远影响。例如，PDO可通过调制东亚大气环流，影响中国不同区域的降水，诱发洪涝灾害等极端气候事件。然而，全球变暖背景下，PDO的可预测性会发生怎样的变化及相关机制尚不清晰，是目前国际上气候年际至年代际尺度预测的热点问题之一，对国家决策部门制定相关气候应对政策具有重要指导作用。 本研究利用多组观测资料和CMIP5海气耦合多模式数据，结合北太平洋海气耦合理论模型，发现全球变暖将导致PDO可预测性减弱，且具有模式间一致性（图2）。其机制是伴随着全球变暖，上层海洋层结的加强诱发海洋斜压罗斯贝波传播加快，导致PDO年代际周期缩短，且海表面温度信号强度的减弱，从而使得PDO更难被探测。该研究的发现意味着未来全球变暖幅度的增大将会使得PDO的预测面临更严峻的挑战，严重限制人类预测未来极端气候的能力。 由吴立新院士领衔的科研团队，长期致力于海洋动力过程与气候变化预测领域的研究。此次成果围绕联合国未来十年海洋科学支撑可持续发展的六大路线图之一——“一个可预测的海洋”，首次揭示了北太平洋年代际变率可预测性对全球变暖的响应，彰显出海洋试点国家实验室在海-气相互作用及年代际尺度预测领域的全球引领作用。 论文引用：S. -J, Li, L. -X, Wu*, Y. Yang, T. Geng, W. -J. Cai*, B. -L. Gan, Z. -H, Chen, Z. Jing, G. -J. Wang and X. -H. Ma, 2019: The Pacific Decadal Oscillation less predictable under greenhouse warming.Nature Climate Change, doi:10.1038/s41558-019-0663-x 原文链接：https://www.nature.com/articles/s41558-019-0663-x
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  • 《中国科学院海洋研究所在北太平洋海水涩度年代际变化研究方面取得新进展》
    • 来源专题：中国科学院文献情报系统—海洋科技情报网
    • 编译者：liguiju
    • 发布时间：2022-03-20
    • 近日，中国科学院海洋研究所张荣华研究团队在北太平洋涩度年代际变化及其气候效应研究方面取得新进展，首次从Argo观测资料中发现海水涩度信号存在一个完整的年代际循环过程。研究结果发表在学术期刊Advances in Atmospheric Sciences上。 众所周知，海水是咸的，其盐度和温度共同确定密度，又进一步决定海水压力从而控制海水的运动和变化。海洋中温度和盐度的分布、变化及其相互间关系涉及海洋热力学和动力学，一直是海洋科学研究的基本问题。之前的研究大多关注温度的作用，随着盐度观测资料的增多，学者们发现盐度在全球水循环、气候变率和可预报性等方面也起重要作用。海洋中存在两种类型的温盐关系，对应于不同的强迫和反馈过程，对密度等产生不同的影响和气候效应。一种是温盐变化对密度影响是非补偿性的，对密度产生显著的增强效应。这类温盐扰动主要反映了风场的强迫作用，主要反映在温跃层深度变化上，其信号在表层也较为明显(如在海面高度异常中有清楚地显现)，动力学上主要反映了行星波的波动过程(如向西传播的第一斜压罗斯贝波等)。另一种是温盐变化对密度的影响是相互补偿的，可引入涩度这一状态量来描述对海水密度相互补偿的温度和盐度变化现象，如暖而咸（或冷而淡）的海水具有高（低）的涩度，可通过等密度分析来具体定量估算，如在水团分析中经常用涩度来度量在给定的等密度面上海水有多涩（暖而咸）的程度，证实了温盐扰动对密度的影响具有相互补偿的特征。 已有分析表明，涩度信号具有很好的守恒性，便于追踪，是海水物理属性年代际尺度变化现象的一个载体，从而可用涩度来表征年代际时间尺度上温盐扰动所具有的清晰一致的结构特征和时空演变。但由于缺少观测资料，目前对涩度的认知还很有限，例如其时空结构和演变过程及其对海洋环境和气候的影响还不十分清楚；其在连接热带外与热带间充当年代际时间尺度上次表层海洋通道的作用还没有明确的观测证据，特别需要利用长期观测资料来更系统地刻画涩度信号的时空演变，认知其在热带外海洋过程对热带影响中的作用。 为此，张荣华研究团队利用Argo观测到的温度和盐度数据，研究了北太平洋涩度年代际异常及其在海盆尺度上的时空演变特征。利用等密度分析得到涩度变率的三维空间分布。首次发现北太平洋涩度变率存在一个完整的年代际循环过程，分别由一个暖而咸和一个冷而淡的过程所组成。其中暖而咸的涩度正异常信号在2007-2013年间从东北太平洋潜沉进入次表层，之后沿北太平洋副热带流涡顺时针向西南热带海区平流，于2014-2015年到达热带太平洋西边界海区，信号强度明显减弱。另一个海水特性相反的冷而淡的涩度负异常在2014-2020年间也有着类似的演变过程。进一步，通过追踪涩度年代际异常的平流轨迹，发现等密度面上流函数等值线可以充分显示出从东北太平洋露头区到热带西边界的潜沉通道。在海盆尺度上涩度信号演变和相位转换过程中，温跃层潜沉通道中的温度和盐度变化具有高度一致性，反映出对密度的补偿特性。此外，当涩度信号中心传到热带太平洋海区时对应于局地温盐结构的改变，从而产生远程的下游效应。如影响热带海区的层结和稳定度、上层海洋混合等动力过程，从而对热带海洋热力和动力场产生影响（包括海表温度）。这样在年代际尺度上，起源于东北太平洋潜沉过程的涩度信号，表现出沿北太平洋副热带流涡的传播特征和时空演变。另外，还发现南北太平洋中涩度信号传播特征和时空演变的差别。例如，在北太平洋副热带海区潜沉的涩度信号在25 kg m-3的等密度面上随平均环流运动，约5年后到达热带区域；而在南太平洋则只需要2年左右的时间，这种南北太平洋的不对称性和相对重要性可能导致热带海气变率特征的差异性。 当前关于太平洋热带外与热带间相互作用的研究较多地关注于大气过程，对海洋作用的研究比较匮乏。该研究通过分析由盐度效应所引入的涩度这个变量，发现温跃层中的涩度信号在等密度面上有较好的守恒性，反映了海洋中的气候信号长时间记忆能力。这种通过涩度年代际变率的识别及其传播路径的确定，揭示出热带外海洋与热带间存在一个海洋通道，这一潜沉通道的发现有助于阐释北太平洋热带外-热带间海洋过程相互作用和机制，为建立发生在北太平洋的太平洋年代际涛动（PDO）和发生在热带太平洋的ENSO之间的关联提供观测证据，对于解释ENSO的多样性和年代际变化等有重要意义。 该研究由中国科学院海洋研究所博士研究生周光辉和研究员张荣华（通讯作者）共同完成。研究成果获得中国科学院海洋大科学研究中心、青岛海洋科学与技术试点国家实验室、中国科学院第四纪科学与全球变化卓越创新中心、中国科学院战略性先导科技专项、国家自然科学基金等项目资助。 相关文章链接： Zhou, G. H., and R.-H. Zhang, 2022: Structure and evolution of decadal spiciness variability in the North Pacific during 2004–20, revealed from Argo observations. Adv. Atmos. Sci., https://doi.org/10.1007/s00376-021-1358-6.
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