过去千年太平洋年代际变率与北大西洋多年代际变率相互作用的演变

《Atmospheric and Oceanic Science Letters》：Changing interactions between the Pacific Decadal Variability and Atlantic Multidecadal Variability in the past millennium

　　

太平洋年代际变率（Pacific Decadal Variability, PDV）和北大西洋多年代际变率（Atlantic Multidecadal Variability, AMV）是年代际气候变率的关键模态。仪器记录表明，PDV和AMV可以相互调制，PDV引起同相位的AMV变化，而AMV引发反相位的PDV变化。然而，它们在過去千年的关系仍然未知。利用多个古气候重建（paleoclimate reconstructions）、再分析（reanalysis）和模型模拟（model simulations），研究人员分析了過去千年的PDV-AMV相互作用。结果显示，在小冰期（Little Ice Age, 1250–1850 CE）期间，PDV和AMV之间存在稳健的同期正相关。这种同相位关系主要源于内部变率（internal variability），并通过火山喷发得以增强，火山喷发通过大尺度环流（large-scale circulations）和海冰反馈（sea-ice feedbacks）诱导同时的负PDV和AMV相位。这与现代非对称的PDV/AMV相互作用形成对比，后者可能受到人为气溶胶（anthropogenic aerosols）区域异质性演变的影响。

**论文解读：過去千年太平洋与北大西洋年代际变率相互作用的演变机制**

**研究背景与科学问题**

太平洋年代际变率（Pacific Decadal Variability, PDV）和北大西洋多年代际变率（Atlantic Multidecadal Variability, AMV）是年代际至多年代际时间尺度上气候系统内部变率的关键模态，它们对区域乃至全球气候变化具有重要影响。基于20世纪以来的仪器观测资料，先前的研究揭示了PDV和AMV之间存在动态关联：PDV可引发北大西洋海表温度（Sea Surface Temperature, SST）的同相位响应，而AMV则倾向于触发太平洋的反相位响应。这种非对称的跨海盆相互作用，被认为与热带和中纬度大气遥相关通道有关。然而，仪器记录时间跨度有限，严重制约了对PDV-AMV相互作用长期演变的认知，尤其是不清楚在人类活动影响较小、外部强迫（如大规模火山喷发）频繁的過去千年，两者的关系如何演化，以及内部变率和不同外部强迫（如火山活动、人为气溶胶）在其间的相对作用。这些问题的解答对于理解气候系统在不同背景状态下的年际至年代际变率规律、提高未来气候预测能力至关重要。

**主要技术方法概述**

为探究過去千年的PDV-AMV相互作用，研究人员综合运用了多种资料与方法：
1. **观测资料**：采用HadISST、ERSST、COBE、Kaplan四种海表温度数据集，分析仪器记录时期（1850年至今）的PDV-AMV关系。
2. **重建资料**：使用了三种基于树轮、冰芯等代用指标重建的PDV指数，以及四种重建的AMV指数，时间跨度覆盖過去千年。
3. **再分析资料**：应用了四种覆盖過去千年的古气候数据同化再分析产品，包括NOAA末次千年再分析（Last Millennium Reanalysis, LMR）、NNU-2ka再分析、PHYDA次年度及季节资料。
4. **模型模拟**：主要采用社区地球系统模型末次千年集合计划（Community Earth System Model Last Millennium Ensemble Project, CESM-LME）的模拟输出，包括无外强迫的控制实验（CTRL）、全强迫实验（ALL）、以及仅考虑火山（VOLC）、太阳活动（TSI）、温室气体（GHG）、土地利用（LULC）和气溶胶（AER）的单因子强迫实验。
5. **数据分析**：通过滑动超前-滞后相关分析、合成分析、集合平均相关等方法，定量评估PDV与AMV在不同时段的相互作用及外部强迫的贡献。

**研究结果**

**3.1 仪器时期PDV和AMV的相互作用（Interactions between PDV and AMV in the instrumental period）**

通过四种观测数据集的50年滑动超前-滞后相关分析，发现自1850年以来，PDV与AMV存在非对称相互作用：PDV超前（leads）时两者呈正相关（同相位），而AMV超前时呈负相关（反相位）。这一特征在1920年后尤为显著（PDV领先22年时正相关最大，AMV领先17年时负相关最大）。四种再分析资料和重建资料合成的结果均能复现观测到的这一非对称关系，表明PDV和AMV的关系并非独立，且再分析与重建资料能够有效捕捉仪器观测的特征。

**3.2 前工业时期PDV和AMV的关系（Relationships of PDV and AMV in the pre-industrial era）**

利用LMR再分析资料，300年滑动超前-滞后相关显示，前工业时期（1850年之前）PDV与AMV表现为显著的、近乎对称的同相位正相关，滞后时间在±10年内。这种同相相互作用在小冰期（Little Ice Age, LIA, 1250–1850 CE）和黑暗时代冷期（Dark Age Cold Period, DACP, 400–900 CE）尤为强烈，并在滞后零年达到峰值。相比之下，在中世纪暖期（Medieval Climate Anomaly, MCA, 900–1250 CE），同期相关减弱，并在任一指标超前约10年时出现对称的负相关。NNU-2ka、PHYDA等再分析产品及重建资料均一致证实，小冰期存在稳健的同相位PDV-AMV相互作用，这与仪器观测时期的非对称关系形成鲜明对比。

**3.3 不同PDV-AMV相互作用背后的机制（Mechanisms behind different PDV-AMV interactions）**

**3.3.1 塑造前工业时期同相位PDV-AMV关系的机制（Mechanism in shaping in-phase PDV-AMV relationships in the pre-industrial era）**

**3.3.1.1 内部变率与火山强迫的贡献（Contributions of internal variability and volcanic forcing）**
CESM-LME全强迫模拟成功复现了1200年后PDV-AMV同相位协变增强的特征。无外部强迫的控制实验（CTRL）显示，仅凭气候系统内部动力学过程就能产生同步的PDV和AMV变率，证明了内部变率是基础。通过对比全强迫集合平均（反映强迫响应）与集合成员平均（包含内部变率+强迫）的相关，发现1200-1400年间集合平均结果表现出更强的同相位相关，表明外部强迫（特别是火山强迫）在此时期放大了同相位相互作用。单因子强迫实验进一步证实，火山强迫模拟结果重现了小冰期持续的同相位PDV-AMV相互作用，且其集合平均的相关性更强，凸显了火山强迫的关键作用。

**3.3.1.2 火山喷发影响PDV-AMV变化的机制（Mechanisms of volcanic impacts on PDV-AMV changes）**
强火山喷发将硫酸盐气溶胶注入平流层，反射太阳短波辐射，导致全球降温。CESM-LME的火山强迫模拟揭示如下机制：
* **对PDV的影响**：火山喷发加强平流层经向温度梯度，强化极涡并向下传播，诱发正相位北极涛动（Arctic Oscillation, AO）。随后，增强的AO导致太平洋中部海平面气压（Sea Level Pressure, SLP）正异常，减弱表面西风，通过减少潜热通量导致西太平洋净热通量增加，并改变海洋大尺度环流，使暖水平流在副热带西太平洋辐合，最终引发负PDV位相。
* **对AMV的影响**：火山喷发通过直接辐射冷却导致SST下降，引发短期负AMV。同时，喷发后正AO减弱了副极地与副热带海洋环流，减少了向极地的海洋热输送，并诱导北极海冰扩张和反照率增强，从而在年代际尺度上维持北大西洋的异常冷SST。由于火山气溶胶在同一纬度带分布相对均匀，其引发的全球近乎同步的冷却，强化了小冰期内PDV与AMV的同相位相互作用。

**3.3.2 讨论：人为气溶胶在塑造观测到的PDV-AMV相互作用中的作用（Discussion: Anthropogenic aerosol in shaping observed PDV-AMV interactions）**

CESM-LME模拟无法单独重现仪器观测时期的非对称PDV-AMV关系，但将气溶胶强迫实验的PDV与全强迫实验的AMV进行超前-滞后相关后，结果与观测一致。这暗示观测到的非对称相互作用可能受到人为气溶胶的调制。分析表明，20世纪以来，欧美地区的人为气溶胶（如SO₂）在1970年代前急剧增加，导致北大西洋SST冷却（负AMV），随后减排则使AMV恢复。而东亚（尤其中国）气溶胶在1980年代后快速增加，通过下游波列响应减弱阿留申低压，导致负PDV位相。这种区域异质性和时间演化的差异，共同导致了现代仪器时期非对称的PDV-AMV相互作用。

**总结与结论**

本研究利用观测、重建、再分析和模型模拟资料，系统揭示了過去千年PDV-AMV相互作用的演变及机制。研究结论如下：在前工业时期（尤其小冰期），由于火山强迫在纬向上的均一分布，PDV与AMV表现为稳健的同相位正相关；该关系根植于内部变率，但被强火山喷发通过大尺度环流和海冰反馈显著放大。与之形成鲜明对比的是，现代仪器观测时期的非对称PDV-AMV相互作用，主要受到人为气溶胶区域异质性演变的调制：西欧和美洲气溶胶的增减影响AMV的位相转变，而东亚气溶胶的激增则与PDV的减弱相关联。这些发现阐明了不同外部强迫（火山 vs. 人为气溶胶）在不同气候背景下扮演的截然不同的角色，为理解PDV-AMV相互作用的长期演变提供了新视角，也有助于改进对未来PDV和AMV变率及其气候影响的预测。