全球气候模式共振：快速增强的厄尔尼诺-南方涛动现象驱动大尺度气候同步化

《Nature Communications》：Global climate mode resonance due to rapidly intensifying El Ni?o-Southern Oscillation

本研究通过高分辨率地球系统模型(AWI-CM3 TCo319)模拟发现，在SSP5-8.5情景下，厄尔尼诺-南方涛动(ENSO)将发生显著变化：其振幅增强、规律性提升，并引发全球气候模式共振。研究人员采用扩展充电振子模型(XRO)和比约克内斯稳定性分析等方法，揭示ENSO增长率的增加主要源于温跃层调整阻尼减弱和埃克曼反馈增强。这种变化导致ENSO与北大西洋涛动(NAO)、热带北大西洋模式(TNA)等气候模式同步性增强，对全球气候可预测性产生重要影响。

　　

在气候变化的背景下，厄尔尼诺-南方涛动(ENSO)作为地球上最显著的年际气候变率现象，其未来演变趋势一直是科学界关注的焦点。ENSO通过改变全球大气环流，引发极端天气事件，对农业、水资源和生态系统产生深远影响。然而，当前气候模型对ENSO在未来变暖情景下的响应预测存在较大不确定性，特别是关于其振幅、规律性及其全球遥相关的变化方向。

传统观点认为，随着全球变暖，ENSO可能会变得更加频繁或强度增加，但具体的物理机制和全球影响仍不明确。更关键的是，ENSO如何通过遥相关影响其他区域气候模式，如北大西洋涛动(NAO)和印度洋偶极子(IOD)，以及这些相互作用在变暖背景下如何演变，都是亟待解决的科学问题。

sw)、长波辐射(Q_Lw)、潜热通量(Q_LH)和感热通量(Q_SH)的热力阻尼分量。g在移动21年窗口内，回归的纬向风应力异常τ_x′到月度ENSO SST指数上的纬度剖面(160°E-150°W平均)。虚线曲线和阴影表示由局部最小值定义的经向边界的集合平均和一个SD展宽。h,i移动21年窗口内的海盆温跃层调整率(-ε)和充电/放电效率(-F2)。在h和i中，红色曲线表示ENSO纬向风应力异常τ_x′的经向宽度(见"方法")。'>

为了深入探究这些问题，由Malte F. Stuecker和Axel Timmermann领导的研究团队利用阿尔弗雷德·韦格纳研究所气候模型(AWI-CM3)进行了高分辨率模拟。该模型的大气分量水平分辨率约为31公里(TCo319)，具有137个垂直层，海洋分量水平分辨率从5公里到1°可变，具有47个垂直层。研究人员进行了从1950年到210年的瞬态模拟，使用历史强迫(1950-2014)和高排放共享社会经济路径(SSP)5-8.5情景(2015-2100)，并进行了三个额外的集合模拟以评估结果的稳健性。

研究采用的主要技术方法包括：样本熵(SampEn)分析用于量化ENSO规律性；充电振子(RO)模型和扩展充电振子(XRO)模型用于描述ENSO动力学；比约克内斯稳定性分析用于识别ENSO反馈变化；Floquet特征分析用于确定耦合系统的稳定性；相位同步分析用于量化气候模式间的动力学联系；以及多锥形法(MTM)功率谱分析。

ENSO振幅和规律性的显著增加

研究发现，在SSP5-8.5情景下，ENSO的振幅和规律性均呈现显著增加趋势。通过样本熵分析表明，ENSO的规律性从21世纪中期开始明显增强，其行为从间歇性转变为更加周期性的振荡。到2080-2100年，ENSO的海表温度异常标准差增加了约40%，且其周期性更加明显，表现为更规则的厄尔尼诺和拉尼娜事件交替。

ENSO regime转变的物理机制

通过充电振子模型和扩展充电振子模型分析，研究揭示了ENSO增长率增加的主要物理机制。比约克内斯稳定性分析表明，ENSO增长率的增加主要源于温跃层调整阻尼的减弱和比约克内斯反馈的适度增强。具体而言，温跃层调整阻尼的减少与ENSO风应力异常的经向拓宽有关，这导致离开赤道的风应力旋度增加，激发更长的罗斯贝波，这些波在西边界的反射效率降低，从而导致温跃层调整的阻尼减弱。

全球气候模式共振现象

研究发现了显著的全球气候模式共振现象。不仅ENSO的振幅和规律性增加，其他气候模式如北大西洋涛动(NAO)、热带北大西洋模式(TNA)、印度洋海盆(IOB)模式、印度洋偶极子(IOD)和北太平洋经向模(NPMM)的振幅也显著增强，增幅达40-75%。这些模式与ENSO的相位同步性在21世纪后期明显增强，表现为相位差分布更加集中，表明全球气候系统正在向增强的ENSO信号共振。

ENSO-NAO遥相关的强化

特别值得注意的是ENSO与北大西洋涛动(NAO)之间遥相关的强化。回归分析显示，在2080-2100年期间，无论是用开尔文表示的Nino3.4 SST指数还是归一化的Nino3.4 SST指数，回归系数振幅均增加，并出现清晰的负NAO型态。这表明不仅ENSO信号本身的放大加强了遥相关，而且大气对赤道东太平洋相同增暖幅度的响应敏感性也提高了。

ENSO风应力结构变化

ENSO风应力结构的变化是驱动上述变化的关键因素。研究发现ENSO相关的纬向风应力异常在经向上显著拓宽，这种结构变化影响了热带太平洋的热力动力学。风应力异常的经向拓宽导致风应力旋度增加，激发的罗斯贝波在西边界反射效率降低，从而减少了温跃层调整的阻尼，增强了ENSO的增长率。

-1])和500 hPa位势高度异常(Z500A)(等值线，±5,±15,...[m])的回归；b 2015-2035年DJF期间Nino3.4 SST异常与降水异常(阴影，[mm day^-1 K^-1])和Z500异常(等值线，±5,±15,...[m K^-1])的回归；c 2015-2035年DJF期间Nino4降水异常与降水异常(阴影，[mm day^-1 (mm day^-1)^-1])和Z500异常(等值线，±5,±15,...[m (mm day^-1)^-1])的回归。d-f分别与a-c相同，但为2080-2100年DJF(P2)的集合平均结果。点划线和深色等值线表示使用单侧Student t检验在95%置信水平上的统计显著性。'>

本研究通过高分辨率气候模拟揭示了在温室气体浓度增加背景下，ENSO将发生根本性转变，表现为振幅增强、规律性提高，并引发全球气候模式共振。这种转变的物理机制主要源于温跃层调整阻尼的减弱和大气随机噪声的增强。特别重要的是，研究发现ENSO与北大西洋涛动等全球气候模式的同步性显著增强，这表明全球年际变率可能出现同步化现象。

研究的创新之处在于首次提供了ENSO强化如何引发全球气候模式共振的直接证据，揭示了温室变暖下气候系统各分量之间相互作用增强的物理机制。这些发现对理解未来气候变化的影响具有重要意义：ENSO振幅和规律性的增加意味着厄尔尼诺和拉尼娜事件的交替将更加可预测，但其强化的大尺度遥相关可能会对全球水文气候产生增强的"反复冲击"效应，需要额外的规划和适应策略来最小化气候损失。

尽管在部分CMIP6模型预测中也发现了类似的ENSO规律性和振幅增加，但未来工作需要评估AWI-CM3中看到的ENSO regime变化的详细动力学和可能性，特别是在更广泛的气候模型中的普适性。这项研究为了解温室变暖下全球气候系统的协同变化提供了新的视角，对改进气候预测和适应策略制定具有重要价值。