定向海洋云增亮削弱后续厄尔尼诺

《SCIENCE ADVANCES》：Targeted marine cloud brightening weakens subsequent El Ni?o

　　

极端事件往往可归因于人为变暖与自然变率的复合作用。海洋云增亮（MCB，marine cloud brightening）作为一种旨在降低长期变暖的太阳地球工程提案，从理论上讲，可以通过转而针对季节至多年际现象，例如厄尔尼诺-南方涛动（ENSO，El Ni?o–Southern Oscillation），来缓解极端事件。然而，区域性MCB是否能够被有效用于有意调制ENSO，尚未得到检验。研究人员借助2019–2020年澳大利亚野火这一机会性实验，证明通过在东南太平洋进行MCB模拟，可以再现这种“自然”云增亮及其后续类似拉尼娜（La Ni?a）的响应。随后，研究进一步探讨了MCB如何改变1997–1998年和2015–2016年厄尔尼诺事件。于厄尔尼诺增长阶段启动的MCB会破坏通常放大厄尔尼诺状态的Bjerknes反馈，但在MCB终止后，这些效应会减弱。只有最早启动且持续时间最长的干预，才能恢复中性ENSO状态并削弱遥相关。削弱厄尔尼诺也可能带来非预期后果，包括在目标厄尔尼诺之后更早出现拉尼娜；不过，较早且较短的干预可能对冲这些效应。研究结果支持在太阳地球工程研究中，将气候变率及遥相关作为潜在干预目标加以考虑。

该研究发表于《SCIENCE ADVANCES》，聚焦太阳地球工程框架下海洋云增亮（MCB，marine cloud brightening）对厄尔尼诺-南方涛动（ENSO，El Ni?o–Southern Oscillation）的定向调控潜力。研究背景在于，过去数十年的许多极端天气灾害并非单一因素驱动，而是由短期随机事件、温室气体导致的长期人为增暖以及年际—季节尺度自然气候变率共同叠加形成。ENSO作为最显著的年际气候模态之一，会通过改变热带太平洋海表温度（SST，sea surface temperature）、信风、上升流及Walker环流，对全球温度与降水异常及其遥相关产生显著影响。厄尔尼诺年份通常伴随更高的全球平均温度，因此会放大人为变暖背景下的极端风险，并造成巨大的经济损失。传统太阳地球工程多以缓解长期平均增暖为目标，但理论上也可能通过针对季节到多年际气候事件来降低复合极端风险。海洋云增亮因可在区域尺度实施，成为可能的操作手段。既有研究已指出，东南副热带太平洋（SESP，Southeast Subtropical Pacific）云增亮与类似拉尼娜的平均态响应密切相关，但尚无研究在与ENSO预测相一致的初始化框架中，系统检验MCB对厄尔尼诺本身的季节尺度定向干预能力。

为此，研究人员首先利用2019–2020年澳大利亚野火作为“自然类比”，检验自然形成的云增亮是否可作为理解人为MCB影响ENSO的可靠参照。随后，研究人员针对两个历史上极强的厄尔尼诺事件——2015–2016年事件与1997–1998年事件——设计不同启动时机与持续时长的MCB情景，评估在春季可预报性障碍之后实施干预、削弱厄尔尼诺的物理可行性。总体结论表明：在东南副热带太平洋部署定向MCB，能够削弱厄尔尼诺峰值强度，尤其在增长阶段及早启动且持续时间较长时，效果最显著；其关键机制并非单纯辐射冷却，而是对Bjerknes反馈的扰动，进而增强Walker环流、加大纬向SST梯度并抬升温跃层坡度，使热带太平洋向中性ENSO甚至拉尼娜型态转变。同时，干预效果具有明显的事件依赖性，对2015–2016年混合型/中太平洋偏暖厄尔尼诺的削弱效果强于1997–1998年东太平洋型厄尔尼诺。研究还发现，削弱厄尔尼诺虽可减轻部分区域遥相关气候影响，但也可能诱发更早甚至更强的后续拉尼娜，并在欧洲、亚洲等地出现非预期远程效应。这一结果提示，未来太阳地球工程研究不应仅关注全球平均变暖，也应将自然气候变率与遥相关风险纳入评估框架。

研究采用的主要技术方法包括：基于Community Earth System Model version 2（CESM2）的Seasonal-to-Multiyear Large Ensemble（SMYLE）初始化季节—多年际预测系统，开展2年期集合模拟；以云滴数浓度（CDNC，cloud droplet number concentration）强迫表示MCB，在不同海域与时段施加扰动；设置2020–2021年拉尼娜、2015–2016年厄尔尼诺和1997–1998年厄尔尼诺三类历史个例集合试验；并结合Walker环流强度指数、温跃层坡度指数、简化热量收支分析、Ni?o 3.4指数及E-index等指标评估ENSO响应与区域遥相关变化。样本来源为SMYLE历史回报试验及其无MCB对照集合。

以下为论文结果部分解读。

Wildfires as a natural analog for MCB
研究首先比较了澳大利亚野火与MCB试验在2020–2021年拉尼娜前的气候响应，以验证野火形成的自然云增亮是否可作为MCB类比。研究人员在2019年12月至2020年2月野火排放峰值期间，对野火导致CDNC增强最强的海洋区域施加MCB，结果表明，MCB成功再现了野火模拟中的多个关键机制：在SESP区域产生即时的负短波云辐射强迫，增加云液水路径，引发表面降温和边界层干燥，并促使赤道太平洋附近热带辐合带（ITCZ，Intertropical Convergence Zone）平均降水分布轻微北移。尽管MCB试验在局地短波云强迫上略强于野火，但两者在随后的拉尼娜峰值阶段都导致约?0.1°C的全球平均降温。更重要的是，MCB在野火增亮区域再现了强烈的热带太平洋冷却格局，以及西太平洋赤道干燥、中西太平洋ITCZ北移、赤道印度洋降水向极发散等降水响应。因此，研究确认澳大利亚野火导致的低云增亮及其后续类似拉尼娜响应，可以视为MCB影响ENSO的可信自然参照，也支持先前关于野火促进2020–2021年拉尼娜形成的判断。

Deliberate MCB to modify El Ni?o
在确认自然类比成立后，研究进一步转向有意削弱厄尔尼诺的MCB策略。与野火情景不同，此处采用更高的CDNC扰动，即500 particles/cm³，代表接近海盐注入所能达到的上限干预强度，并将干预区域限定于面积较小但更易增亮的SESP连续海区。考虑到ENSO预测存在春季可预报性障碍，研究将MCB启动时间设定在北半球夏季之后，并围绕2015–2016年和1997–1998年两次强厄尔尼诺，构建不同启动月与持续时长的策略。结果显示，在春季可预报性障碍之后于SESP部署MCB，可削弱两次厄尔尼诺，但效果强烈依赖干预时机。2015–2016年事件中，最早启动且持续时间最长的“Full effort”方案（6月至次年2月）在SESP造成最强降温，并使Ni?o 3.4区域SST下降?1.88°C，几乎在事件峰值末期恢复中性ENSO状态；而最晚启动、持续最短的“11th hour”方案（12月至次年2月）只产生较小降温与最弱的Ni?o 3.4降温。相较之下，“Early action”方案虽与Full effort同月启动，但持续时间较短，对SESP局地冷却较弱，却仍能产生中等程度的Ni?o 3.4降温，说明响应不完全由局地辐射强迫大小决定。对1997–1998年事件，MCB也表现出相似的相对排序，但总体幅度较小，提示不同类型厄尔尼诺及其背景云条件会影响干预效率。研究指出，2015–2016年事件前SESP云和液水条件更易被扰动，因此同等MCB更容易增强低云、提高云液水、降低比湿并造成更强地表降温；而1997–1998年东太平洋型厄尔尼诺沿南美沿岸低云减少更强，不利于MCB发挥作用。

此外，研究还识别到一些副作用。2015–2016年Full effort MCB情景下，欧洲和亚洲出现显著增温，而1997–1998年事件中未见同等特征，表明ENSO定向MCB可能触发其他气候变率模态并造成远程非预期效应。尽管两次事件空间温度响应图样不同，但Full effort MCB对全球平均温度的影响均未显著偏离对照组。

MCB also changes the timing and magnitude of the ensuing La Ni?a event following El Ni?o
研究进一步发现，MCB不仅削弱厄尔尼诺峰值，还会改变随后拉尼娜的发生时间与强度。2015–2016年事件中，除Early action外，所有MCB策略在厄尔尼诺峰值后的北半球秋季都使Ni?o 3.4区域SST相对对照更冷；其中持续时间最长的三种策略使Ni?o 3.4异常更早跌至?0.5°C以下，即比对照更早进入拉尼娜状态，并增强拉尼娜振幅。Early action则在次年维持相对更暖SST，提示在厄尔尼诺增长前期短时干预，可能通过抑制“充放电振子”（recharge oscillator）振幅而减弱厄尔尼诺，却不显著提前后续拉尼娜。对于1997–1998年事件，这类后续拉尼娜改变较弱或不显著，再次说明后续响应依赖于前期厄尔尼诺背景态。

Early MCB disrupts ENSO growth feedbacks
为解释MCB削弱厄尔尼诺的动力学机制，研究人员检验了其对ENSO增长与衰减物理过程的影响。结果显示，若削弱作用仅由辐射冷却导致，则短波辐射强迫越强，应对应越大的Ni?o 3.4降温；但除Full effort外，其余策略并不满足这一简单关系，说明MCB必须通过大气—海洋耦合动力反馈改变ENSO演变。研究表明，在未受扰动的成熟厄尔尼诺中，通常存在Walker环流减弱、赤道SST梯度趋于均一、温跃层坡度变浅等特征；而MCB会相对增强Walker环流、增大纬向SST梯度并加陡温跃层坡度，使东太平洋大气与海洋状态向中性ENSO恢复。尤其是6月启动的策略，持续时间越长，厄尔尼诺峰值期Walker环流强化与温跃层坡度增大越明显；而在增长阶段之后才启动的11th hour策略，对Walker环流与温跃层坡度几乎无显著影响，其作用主要局限于SESP局地辐射冷却。由此可见，在北半球夏秋季厄尔尼诺增长阶段施加MCB最有效，因为它破坏了通常放大厄尔尼诺的非线性Bjerknes反馈，而一旦停止干预，这些动力效应会随时间衰减。简化热量收支分析进一步证明，MCB对2015–2016年厄尔尼诺的冷却主要由海洋热量辐散而非表面热通量变化主导；而1997–1998年事件的海洋辐散响应较弱，支持其背景条件更不利于MCB克服导致Walker环流减弱的反馈机制。研究同时讨论了南太平洋经向模态（SPMM，South Pacific Meridional Mode）与北太平洋经向模态（NPMM，North Pacific Meridional Mode）的可能作用，指出MCB可能激发负位相SPMM或相关经向模态，但在耦合模式框架中很难严格分离MCB直接效应与不同气候模态的因果贡献。

Regional climate impacts of modifying El Ni?o with MCB
在区域影响层面，研究评估了MCB削弱厄尔尼诺后，是否能减轻其遥相关造成的温度和降水异常。研究人员基于CESM2大集合（LENS2）标准差，对2015–2016年与1997–1998年厄尔尼诺生长期至峰值期（6月至次年2月）温度和降水异常显著的区域进行聚类，并计算Full effort、Early action及11th hour三种典型策略引起的区域异常变化。对于2015–2016年事件，三种MCB策略总体上都能削弱大多数区域的厄尔尼诺温度和降水效应：原本因厄尔尼诺而变暖的区域趋于降温，原本变湿的区域趋于变干，反之亦然。其中Full effort减弱暖异常和干异常的效果最大，也能减弱多数冷异常和湿异常，但在东非和东南亚等个别区域，冷却效应反而有所增强；在西非，干燥略有增加但不显著。Early action和11th hour总体效应较弱，且多不显著，但仍在多数区域呈现减弱厄尔尼诺影响的趋势。研究指出，MCB并不能完美逆转厄尔尼诺的所有区域影响，尤其对厄尔尼诺诱发的区域冷却减弱效果通常不如对暖异常和降水异常的削弱效果显著。更重要的是，少数地区存在MCB放大而非减轻厄尔尼诺影响的情形，这构成潜在伦理风险。

对于1997–1998年事件，区域效果整体更弱、空间一致性更差。虽然多数暖异常和湿异常仍被削弱，但约41%的冷异常和干异常在不同策略下反而增强。这表明ENSO定向MCB的区域效应高度依赖背景态、厄尔尼诺类型和干预策略，且MCB似乎更适合削弱中太平洋型厄尔尼诺，而非东太平洋型事件。研究还利用E-index评估潜在经济含义，发现MCB导致E-index下降，提示其可能带来较大的全球经济收益，特别是在类似2015–2016年的事件中；但由于传统ENSO指数与具体遥相关影响之间可能因MCB而“解耦”，未来仍需发展新的厄尔尼诺影响评估方法。

讨论部分总结指出，本研究通过初始化季节—多年际预测框架，展示了在春季可预报性障碍之后实施定向MCB、以季节尺度削弱厄尔尼诺并减轻部分遥相关影响的物理可行性。研究的重要意义在于，它将太阳地球工程的目标从长期全球平均增暖控制，拓展到对自然气候变率事件的主动调节，提出了一种可能以较短干预时长实现风险缓解的思路。然而，研究也明确强调其局限性：分析仅基于单一地球系统模式CESM2，结果可能受云过程偏差、气溶胶—云敏感性偏高、初始化后模式漂移及SPMM/NPMM表征偏差影响；实验仅考察两个极端历史个例，尚不清楚对更常见、中等强度且可预报性更低的厄尔尼诺事件是否同样适用；模拟时长仅2年，对更长期ENSO频率、振幅、平均态及多年拉尼娜概率的影响仍待研究。论文因此主张，未来应开展多模式比较、测试不同幅度与区域策略，并系统评估与其他气候变率模态的相互作用。

研究结论部分可译为：本研究通过展示在春季可预报性障碍之后实施MCB的潜在有效性，提出了一种可能性，即太阳地球工程（SG，solar geoengineering）虽然最初被设想为降低温室气体导致增暖的方法，但也可能成为通过针对包括厄尔尼诺在内的季节至多年际事件来调节气候变率的手段。鉴于长期人为增暖与短期自然变率常常叠加并共同导致极端天气事件，研究结果表明，除针对温室气体强迫响应外，也值得考虑针对自然变率本身的干预。这种方法有可能通过持续时间更短的干预实现类似的物理风险降低，并且相较持续部署，承担更低的社会—技术风险。