《海洋系统内部调整导致非对称的南北半球变暖》

  • 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:2020-07-15
  • 在气候系统里,海洋热含量常用于表征由全球总热量以及能量的变化。最近几十年,进入地球的太阳辐射增强造成了90%以上地球总热量的增加。辐射的增强主要来源于温室气体浓度(如二氧化碳)的增加。从海洋热含量的长期趋势中可以看出,这些进入地球系统的热量大部分被海洋所吸收。在2005—2015年期间,前人观察到2000米以上全球海洋热含量趋势在南北半球并不对称,北半球海洋热含量没有显著的趋势,而在南半球的海洋热含量则表现出显著的增加趋势,其热含量的增加占全球海洋净热增益的67%~98%。然而,当前对控制南北半球的热含量变化非对称性的机制并没有统一的结论,制约了人们对气候变化的进一步理解。

    近期,一项发表于国际期刊《自然·通讯》(Nature Communication)的题为《Recent hemispheric asymmetry in global ocean warming induced by climate change and internal variability》(由气候变化和内部变率引起的全球海洋变暖的最新半球不对称性)的最新研究表明,南北半球增暖的非对称性是由地球内部自然因素变率导致的,而非人为因素的结果(Rathore等人,2020)。该成果的作者利用再分析、实测Argo浮标数据以及CMIP5数据,量化了南北半球2000米之上的热含量变化差异,并进一步分析CMIP5中前工业时期模拟输出的结果。结果表明,在前工业时期,海洋也出现了南北半球的非对称性增暖。由于前工业时期,并没有考虑人为因素的影响,所以南北半球的海洋非对称性增暖是与地球内部自然变率有关。同时,他们发现由实测数据得到2005—2015年期间南北半球的海洋的增暖与CMIP5中模式模拟的结果一致,所以他们得出地球内部自然变率是南北半球非对称增暖的主导因素,全球海洋热含量的变化是由地球内部自然变率与人为因素叠加的结果。

    此外,该项研究还指出其他强迫机制(如大气中的气溶胶浓度)对于的南北半球变暖的非对称性贡献均是次要的。尽管之前的研究表明北半球高浓度的气溶胶促成了北半球海洋的冷却,但是该研究表明地球内部自然变率可能是2005—2015年期间南半球(北半球)海洋热含量异常升高(降低)的主因。这项研究还强调,当下气候系统误差很可能是由地球内部自然变率导致的。该研究结果有助于解决气候系统能量和海平面收支不平衡的问题,并为改进气候模型,更好地模拟气候变化提供依据。

  • 原文来源:https://www.nature.com/articles/s41467-020-15754-3
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  • 《海洋所在ENSO非对称性动力学机制方面取得重要进展》

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    • 编译者:cancan
    • 发布时间:2019-03-24
    • 近日,中国科学院海洋研究所王凡研究组在厄尔尼诺-南方涛动(ENSO)的非对称性动力学机制方面取得重要进展,首次定量阐明了形成ENSO非对称性的各海洋动力学反馈过程,相关研究成果在《Geophysical Research Letters》杂志在线发表。    ENSO是热带太平洋不规则周期性发生的气候变化,是全球气候系统中最为显著的年际变化信号,对我国乃至全球的气候都有着重要的影响。对ENSO循环动力学机制的认识是理解和预测ENSO事件的理论基础。ENSO循环本身既存在年代际的低频变化,其冷位相拉尼娜事件和暖位相厄尔尼诺事件之间也存在显著的非对称性,但对ENSO低频变化和非对称性的动力学机制仍缺乏定量的深入认识。   王凡课题组的官聪博士与合作者——美国国家海洋大气管理局太平洋海洋环境实验室(NOAA/PMEL)的Michael J. McPhaden教授开展合作,构建了完整的温度方差収支方程。该方法较传统的温度收支方程相比,可以明确表示单个海气动力过程是正反馈还是负反馈作用并便于对其贡献进行定量评估。他们将这一新方法首次引入到ENSO动力学研究中,率先定量诊断了各海洋反馈过程在ENSO低频变化中的作用,揭示了在21世纪初期ENSO温度异常中心从赤道东太平洋向赤道中太平洋发生纬向跃迁的物理机制(Guan and McPhaden, 2016)。     课题组进一步深入研究了各海洋动力学反馈过程在ENSO非对称性形成中的定量作用。研究人员基于温度方差收支方程,深入分析了赤道中东太平洋温度异常幅度的非对称性和ENSO冷暖位相的持续时间的非对称性。研究发现,厄尔尼诺期间东太平洋具有更强的正反馈过程,导致厄尔尼诺具有比拉尼娜更大的温度异常振幅;而在中太平洋,拉尼娜事件由于在发展期具有较强的温跃层正反馈和较弱的非线性阻尼效应,因而具有更快的温度异常增长率。同时发现,在厄尔尼诺衰退期温跃层反馈由正反馈转变为负反馈过程,使得厄尔尼诺较拉尼娜更快消亡,从而导致ENSO冷暖位相持续时间的非对称性,而温跃层反馈过程在ENSO事件衰退期的不同体现了充放电机制的非对称性。研究成果将显著提高对ENSO动力学机制的认识,为进一步提高ENSO预测水平提供有力的理论依据。      官聪博士、王凡研究员、胡石建博士及Michael J. McPhaden教授共同合作完成该项研究。研究得到了国家自然科学基金青年基金、国家留学基金和中国博士后科学基金等项目的支持。 相关成果及链接如下:   1.Guan, C., McPhaden, M. J., Wang, F., & Hu, S. (2019). Quantifying the role of oceanic feedbacks on ENSO asymmetry. Geophysical Research Letters, 46. https://doi.org/10.1029/2018GL081332      2. Guan, C., & McPhaden M. J. (2016) Ocean Processes Affecting the Twenty-First-Century Shift in ENSO SST Variability. Journal of Climate, 29, 6861-6879. https://journals.ametsoc.org/doi/full/10.1175/JCLI-D-15-0870.1.
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    • 编译者:yanyf@mail.las.ac.cn
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    • Helmholtz极地和海洋研究中心(AWI)的Alfred Wegener研究所的大气研究人员现已开发出一种气候模型,能够准确地描绘出经常观察到的急流,即北半球的主要气流。当科学家们将他们的全球气候模型与臭氧化学的新机器学习算法结合起来时,这一突破就来了。使用他们的新组合模型,他们现在可以证明喷射流在冬季和随后的极端天气条件下在中欧和北美的冷空气爆发是波动的过程,是气候变化的直接结果。他们的研究结果发表在2019年5月28日的自然在线门户网站科学报告中。 多年来,全球的气候研究人员一直在研究这样一个问题:喷气流在北半球上空的绕行过程 - 近年来频率越来越高 - 是气候变化的产物,还是随机现象追溯到气候系统的自然变化。 “喷射流”一词指的是中纬度地区强大的西风带,将主要的天气系统从西向东推进。这些风在大约10公里的高度环绕地球,由热带和北极之间的温度差异驱动,过去通常达到每小时500公里的最高速度。 但是现在,正如观察所证实的那样,风势越来越大。它们经常沿着与赤道平行的直线路线吹动;相反,他们以巨大的波浪横扫北半球。反过来,在冬季,这些海浪产生了从北极到中纬度地区的冷空气的异常侵入 - 就像2019年1月下旬袭击美国中西部的极端寒冷。在夏季,减弱的急流导致延长热浪和干燥条件,例如欧洲经历的那些2003,2006,2015和2018。 机器学习允许气候模型掌握臭氧的作用 这些基本连接已经有一段时间了。尽管如此,研究人员还是没有成功地描绘出急流在气候模型中摇摆不定的过程,或者展示了摇摇欲坠的风与全球气候变化之间的联系。波茨坦AWI的大气研究人员现在通过补充其全球气候模型以及臭氧化学的创新组件来克服这一障碍。 “我们开发了一种机器学习算法,它允许我们将臭氧层表示为模型中的交互元素,并在此过程中反映平流层和臭氧层的相互作用,”第一作者和AWI大气研究员Erik说。 Romanowsky。 “通过新的模型系统,我们现在可以逼真地再现喷射流中观察到的变化。” 根据该团队的调查结果,海冰撤退以及随之而来的大气波活动的增加正在造成极地平流层的臭氧升温。由于低极化温度形成了急流的电动机,平流层中的温度升高导致它变得不稳定。反过来,射流的这种弱化现在从平流层向下扩散,产生极端天气。 减弱的急流是由于气候变化造成的 此外,通过新模型,研究人员还可以更密切地分析蜿蜒射流的原因。 “我们的研究表明,急流的变化至少部分是由于北极海冰的消失。如果冰盖继续减少,我们认为以前在中间观测到的极端天气事件的频率和强度纬度将增加,“AWI大气研究负责人Markus Rex教授说。 “此外,我们的研究结果证实,美国,欧洲和亚洲冬季更频繁发生的冷期与全球变暖并不矛盾;相反,它们是人为气候变化的一部分。” 该团队的努力也代表了一项重大的技术进步:“在本研究中成功使用机器学习之后,我们现在首次在气候建模中采用人工智能,帮助我们实现更真实的气候模型系统。这具有巨大的潜力对于未来的气候模型,我们相信这些模型将提供更可靠的气候预测,从而为政治决策制定更强大的基础,“Markus Rex说。 在北极探险期间,MOSAiC计划收集最新的冰和大气数据,该探测将于9月开始,在此期间德国研究破冰船Polarstern将穿过中北极和海冰一整年。这将有助于他们将新气候模型应用于未来,以模拟北极气候和海冰的未来发展。正如马库斯雷克斯所解释的那样,“我们的目标是详细了解北极海冰撤退的进展情况 - 因为只有这样,我们才能够衡量北极变化将如何以及在多大程度上导致极端天气极端变化。中纬度地区。“                                                                               ——文章发布于2019年5月28日