超级厄尔尼诺事件驱动气候态制转变及其在全球变暖背景下增强的风险

《Nature Communications》：Super El Ni?o events drive climate regime shifts with enhanced risks under global warming

本研究针对全球变暖背景下气候态制转变（CRS）风险加剧的问题，通过多源观测与模型模拟（CESM2-LE/CMIP6），首次揭示超级厄尔尼诺（SE）事件能显著提升海表温度（SST）、地表气温（SAT）及表层土壤湿度等关键气候变量的CRS发生概率。结果表明，SE事件通过"再浮现"机制和陆-气反馈等途径触发持续性气候异常，且未来温室气体排放情景（SSP3-7.0）下该效应将进一步放大。这项发表于《Nature Communications》的研究为极端气候事件驱动系统性气候突变提供了关键证据，对早期预警系统构建和气候适应策略制定具有重要科学价值。

　　

当我们谈论气候变化时，常常关注的是缓慢而稳定的趋势，但气候系统中还隐藏着另一种更具威胁的变化——气候态制转变（Climate Regime Shifts, CRS）。这种转变如同电路的开关，一旦触发，整个系统就会从一种稳定状态跳跃到另一种状态，并可能持续数年甚至数十年。近年来，科学家们越来越担心，全球变暖可能正在增加气候系统发生这种突变的可能性。

在众多可能触发气候态制转变的因素中，超级厄尔尼诺（Super El Ni?o）事件尤为引人关注。厄尔尼诺-南方振荡（ENSO）本就是地球气候系统中最显著的年际变率信号，而超级厄尔尼诺作为其极端表现形式，每次出现都会给全球气候带来巨大扰动。历史上如1982/83、1997/98和2015/16年的超级厄尔尼诺事件，均导致了严重的自然灾害和经济损失。然而，一个关键科学问题尚未解决：这些强大的气候扰动是否能够产生长期"遗产效应"，驱动气候系统进入新的状态？

为了回答这一问题，由多位国际气候科学家组成的研究团队在《Nature Communications》上发表了最新研究成果。他们发现，超级厄尔尼诺事件确实会显著增加全球范围内气候态制转变的发生概率，且这一效应在未来全球变暖背景下将进一步放大。

研究团队采用了序贯t检验态制转变分析（Sequential t-test Analysis of Regime Shifts, STARS）方法，对多个观测数据集和气候模型模拟结果进行了系统分析。他们主要利用了社区地球系统模型第二版大集合（Community Earth System Model version 2 Large Ensemble, CESM2-LE）和耦合模式比较计划第六阶段（Coupled Model Intercomparison Project Phase 6, CMIP6）的模拟数据，同时结合了多种海表温度（SST）、地表气温（SAT）和表层土壤湿度的再分析资料。通过比较超级厄尔尼诺年与非超级厄尔尼诺年（non-SE）的气候态制转变发生概率，研究人员能够量化超级厄尔尼诺事件对气候系统稳定性的影响。

观测中的超级厄尔尼诺诱发气候态制转变

研究发现，超级厄尔尼诺事件对气候态制转变的影响远强于普通ENSO事件。对于海表温度，概率增加最明显的区域包括受ENSO遥相关强烈影响的地区，如中北太平洋、东南印度洋和西南太平洋等。这些盆尺度的响应揭示了海表温度态制转变的广泛且强化模式，凸显了超级厄尔尼诺事件在放大突发海洋转变方面的独特能力。

地表气温方面，超级厄尔尼诺事件显著增加了陆地区域的态制转变概率，特别是在对ENSO敏感的中高纬度地区，如东非、南美洲和海洋大陆地区。这些响应与ENSO调节大气环流和热通量的既定遥相关路径一致，凸显了超级厄尔尼诺事件加剧极端热浪的潜力，对生态系统和人类社会具有严重影响。

同样，超级厄尔尼诺事件明显增加了表层土壤湿度态制转变的概率，在包括中亚和澳大利亚中部在内的ENSO敏感区域出现了明显的热点区域。考虑到许多这些区域已经容易干旱化，超级厄尔尼诺对突发性土壤湿度转变的放大进一步增加了长期农业干旱的风险。

超级厄尔尼诺驱动气候态制转变的证据和可能机制

研究人员进一步分析了从概率分析中识别出的几个热点区域关键气候要素的时间演变。在中北太平洋，1997/98年超级厄尔尼诺事件后，冬季海表温度发生了明显的态制转变，平均值下降了约0.8°C。类似地，1997/98和2015/16事件后，西太平洋的海表温度异常从负值急剧转变为正值。

超级厄尔尼诺事件通过多种物理过程诱发广泛的海表温度态制转变。在中北太平洋，超级厄尔尼诺最初通过大气遥相关触发强烈的冷却异常。这种冷却通过"再浮现"机制持续存在，其中冬季海表温度异常在夏季消失，但由于混合层的季节性变化，在随后的冬季重新出现。

除了海表温度相关的变化，地表气温也显示出显著的态制转变。在海洋区域，这些转变反映了局地海表温度强迫和海气热交换。在陆地上，1997/98和2015/16年超级厄尔尼诺事件后，海洋大陆地区发生了显著的地表气温转变。

表层土壤湿度方面，澳大利亚中部在1997/98年超级厄尔尼诺后从干旱条件转变为湿润条件，平均值从约-20mm变为40mm。2015/16年超级厄尔尼诺事件后，该地区经历了另一次从湿润到干旱的转变。这些区域转变凸显了超级厄尔尼诺事件通过大尺度温度或降水异常破坏局地土壤湿度平衡，从而触发土壤湿度态制转变的能力。

气候模型模拟中的历史和预测的超级厄尔尼诺诱发气候态制转变

考虑到超级厄尔尼诺事件的观测记录有限，研究团队使用CESM2-LE对相同的气候变量进行了平行分析。尽管CESM2-LE在海表温度和地表气温的态制转变概率空间模式上与观测结果存在一些差异，但超级厄尔尼诺事件在几个ENSO敏感区域（如北副热带太平洋、中北太平洋和北大西洋）显著增加了气候态制转变概率。

在全球平均基础上，超级厄尔尼诺使地表气温和海表温度的气候态制转变概率比非超级厄尔尼诺年增加了约20%，这一结果在95%置信水平上显著。表层土壤湿度的态制转变也被稳健地检测到，其空间模式与在澳大利亚、北美和南美部分区域观测到的转变密切匹配。

ENSO遥相关及相关气候影响预计在全球变暖下会加强，这意味着超级厄尔尼诺诱发的气候态制转变可能变得更加频繁和严重。为了评估其在温室变暖下的未来变化，研究人员在CESM2-LE的SSP3-7.0情景下检测了这三个变量的气候态制转变。气候态制转变概率的空间模式表明，与历史时期相比，全球变暖下气候态制转变更加频繁。这种放大在超级厄尔尼诺事件中特别明显：虽然在较暖气候中普通ENSO事件在部分区域略微增加了气候态制转变概率，但超级厄尔尼诺事件产生了更强更广泛的增加，特别是对地表气温和海表温度。

研究结论与意义

这项研究通过多源观测数据集和气候模型模拟，首次系统证实了超级厄尔尼诺事件显著增加海表温度、地表气温和表层土壤湿度气候态制转变的发生概率。这些转变很可能由超级厄尔尼诺促进极端气候和天气事件的能力驱动，对全球气候变率、水文循环和生态系统稳定性具有关键影响。

研究进一步提出，超级厄尔尼诺可能作为固有年代际气候变率模式转变的催化剂。例如，超级厄尔尼诺可以通过"再浮现"机制在中北太平洋产生持续性海表温度异常，可能启动太平洋年代际振荡（PDO）的相位转变。观测到的PDO在1990年代末和2016年的负相位转变与1997/98和2015/16年超级厄尔尼诺事件密切对应。

尽管分析集中在物理气候变量，但超级厄尔尼诺事件也可能引发气候和地球系统其他组分的持续性甚至不可逆变化，包括海冰动力学以及海洋和陆地生态系统。在明显的北极变暖背景下（这加速了海冰融化并导致北极海冰厚度发生态制转变），超级厄尔尼诺可能进一步诱发两极海冰浓度和范围的转变，从而通过正反馈放大变暖和融化。

气候态制转变已经深刻影响了气候系统、生态系统、人类生计和全球经济。随着全球变暖预计将加强超级厄尔尼诺事件的影响，气候态制转变的概率和幅度预计将非线性上升，从而加剧环境和社会经济系统的脆弱性。通过识别最容易受这些转变影响的区域和气候变量，本研究为开发先进的早期预警系统提供了关键见解，这对主动有效的气候响应不可或缺。此外，这些结果可以为有针对性的适应策略提供信息，以加强脆弱生态系统和社区的恢复力，帮助减轻突发气候转变的不利影响。