不同的海温模式解释了太平洋沃克环流的年代际增强

《Atmospheric Research》：Contrasting SST modes explain decadal intensification of Pacific Walker Circulation

　　

• 冬季PWC在1976–2011年间表现出十年际增强，且增强在其上升支更为明显。• 全球海表温度的前两个EOF模式——热带增温模式（TWM）和类似ENSO模式（ELM）——共同解释了观测到的增强现象。• TWM削弱PWC；相反，ELM的增强作用超过前者两倍，比例为?0.37(±0.08)对1(±0.23)。引言

太平洋沃克环流（PWC）是一种平行于赤道的纬向大气翻转环流，维持了热带地区印太暖池与中东部太平洋之间的大气能量和物质平衡。观测证据表明，热带PWC自1860年代以来经历了长期减弱（例如Vecchi等，2006；Duffy和O'Gorman，2023）。模式预测也表明，在全球变暖背景下，21世纪PWC应继续减弱（例如Vecchi和Soden，2007；Meehl等，2013），这是辐射强迫与蒸发通量平衡的结果，并伴随其位置向东偏移（例如Yu等，2012；Bayr等，2014；Li等，2021）。过去和未来的PWC百年尺度减弱已被强调为对温室气体强迫增加的反应（例如Held和Soden，2006；Vecchi等，2006；DiNezio等，2013），尽管仅与全球变暖相关的对流质量通量减弱不足以预测沃克环流的响应（Kang等，2025）。

与全球变暖预期下PWC的长期减弱趋势似乎相矛盾（例如Held和Soden，2006；Vecchi等，2006；DiNezio等，2013），越来越多的证据表明PWC在1970年代至2010年代期间已经增强（例如Dong和Lu，2013；L'Heureux等，2013；Ma和Zhou，2016）。自1979年以来，澳大利亚北部的降雨量增加（例如Li等，2013）；热带太平洋的表层风速（例如Li和Ren，2012）、东西向水汽通量（例如Sohn和Park，2010）、海平面气压（SLP）（例如Kociuba和Power，2015）、海表温度（SST）梯度（例如Dong和Lu，2013；Sohn等，2013；Kang等，2025）均有所增加；热带大西洋—太平洋跨盆地变化发生（例如Yao等，2023）；副热带和温带SST发生变化（例如Toda等，2024）；PWC的位置也向西偏移（例如Bayr等，2014；Ma和Zhou，2016；Li等，2021），这与其近期的十年际增强强度一致。PWC近期的十年际增强及其机制因此在气候科学界引起了关注。

对近期PWC增强的机制解释大致可分为两类。一类强调内部变率的作用，特别是与太平洋年代际振荡（PDO）或北太平洋年代际振荡（IPO）相关的太平洋年代际变率以及类似ENSO的演变，这些过程能够暂时抵消温室气体引起的PWC减弱（例如Sohn等，2013；Kociuba和Power，2015；Chung等，2019；Ma和Zhou，2016；Dong和Lu，2013）。另一类强调人为强迫，其中气溶胶和温室气体引起的SST分布格局——如东太平洋相对冷却以及热带印度洋和大西洋增温——作用增强经向SST梯度，从而加强沃克环流（例如Luo等，2012；Held和Soden，2006；Vecchi等，2006）。哪一类占主导地位仍然是一个开放问题，部分原因是所涉及的SST信号本身既是内部过程又是外部过程的耦合结果。

由于赤道沿线的热带SST梯度是直接产生和维持PWC的驱动因素（例如Bjerknes，1969；Cornejo-Garrido和Stone，1977；Lau和Yang，2003；Ma和Zhou，2016；Yao等，2023），一些研究专注于SST的影响。Sohn等（2013）认为沃克环流的增强应是对热带太平洋（TP）东西向SST梯度增大的响应。Luo等（2012）提出，近年来热带印度洋（TIO，即40°E~120°E，20°S~20°N）作为整体盆地的增温增强有利于西太平洋更强的信风。McGregor等（2014）和Yao等（2023）认为，大西洋SST的近期增温趋势以及相应的主要大气气压中心的跨盆地位移是观测到的沃克环流增强、东太平洋冷却、北美降雨趋势和西太平洋海平面上升的关键驱动因素。Ma和Zhou（2016）通过分析CMIP5输出数据，提出类似拉尼娜的SST异常是近期PWC变化的主要强迫。

然而，这些盆地尺度的SST变化并非彼此独立，而是通过十年际时间尺度上的跨盆地相互作用联系在一起，从而调制PWC的十年际增强。热带印度洋充当ENSO的"电容器"：在厄尔尼诺期间通过全盆地增温"充电"，并在厄尔尼诺衰退后继续向印太—西太平洋气候反馈，延长和放大对沃克环流的影响（例如Xie等，2009；Luo等，2012）。热带大西洋增温已被证明能引起泛热带气候变化并移动主要大气对流中心，驱动沃克环流的跨盆地增强，同时伴随东太平洋冷却和西太平洋海平面上升（例如McGregor等，2014；Li等，2015a；Yao等，2023）。副热带和温带SST变化也通过风—蒸发—SST反馈和温带—热带热力学耦合到达赤道太平洋，贡献有利于PWC增强的纬向SST梯度（例如Toda等，2024）。这些跨盆地和纬向联系表明，PWC的十年际增强更可能是全球SST场的集体响应，而非由单一盆地驱动的结果。

简言之，所有热带海洋盆地的SST变化似乎都对PWC的十年际增强有所贡献。然而，SST变率通过跨盆地相互作用（例如Li等，2015a；Yao等，2023）或ENSO（例如Jin，1997）、PDO/IPO（例如Mantua等，1997；Zhang等，1997）等大规模海气相互作用变率相互联系，以及热盐环流（例如Schmitz，1995；Rahmstorf，2003）。由此产生一个自然的问题：全球SST主要模式对PWC十年际增强的独立贡献是什么？回答这一问题可以为全球SST变化如何驱动PWC提供新的见解。受此启发，我们使用经验正交函数（EOF）技术将全球SST分解为几个独立模式，然后研究它们对近期PWC增强的独立和集体贡献。值得注意的是，这种基于模式的框架并不试图将PWC增强归因于内部变率或人为起源。相反，由于所提取的模式本身内含来自两条通路的SST变率，它提供了一种直接绕过归因难题的方式，阐明近年来主要SST配置如何热驱动观测到的PWC增强。

本文其余部分安排如下。第2节介绍数据、方法、模型和模型实验方案。第3节重新审视1970年代后（1976–2011年）PWC的增强和西移，指出其上升支和下沉支的不均匀特征。第4节通过分析CMIP5数据来检验热带太平洋SST梯度的驱动作用。第5节描述全球SST的前两个主导EOF模式，然后量化它们对近期PWC增强的贡献。第6节进行数值模拟以验证PWC对SST模式的响应。第7节结论和第8节讨论呈现了结果和讨论。

各节摘要

数据

我们仅分析北半球冬季（12月—1月—2月，DJF）的所有数据集，这是PWC的成熟阶段。在这一阶段，PWC上升支和下沉支的中心位置最接近用于计算南方涛动指数（SOI）的达尔文和塔希提站，因此SOI可以更准确地近似PWC的中心强度。尽管台站观测的SOI在未来排放情景下可能带来一些偏差（Power和Kociuba，2011），

基本事实：PWC上升支和下沉支增强的不均匀性和偏移

由于PWC强度在1976年左右急剧下降，如SOI的移动t检验所验证（补充信息的图S1），这与1976年左右太平洋环流格局的急剧变化一致（Zhang等，1997；Power和Smith，2007），我们分别考察1976年前后的PWC趋势。

全球SST的主导模式

基于"AMIP"运行的分析所验证，1970年代至2010年代年际PWC的十年际增强可归因于观测SST的热强迫（补充信息的第4节），这与几项先前的研究一致（Luo等，2012；Sohn等，2013；McGregor等，2014；Kociuba和Power，2015；Ma和Zhou，2016）。为进一步探索SST的大尺度或全盆地分布的贡献……

全球SST前两个主导模式的驱动作用

由于TWM（EOF1）和ELM（EOF2）与PWC的强关联性（表2），以及它们1976年后的显著趋势（趋势相关系数分别为0.58和?0.66），以及由它们重建的SST能有效捕捉1976年后的热带趋势变率（图9），分析优先关注这两种模式。相比之下，EOF3可忽略的趋势和PWC关联性使其被排除为近期十年际变率的关键驱动因素。

基于CAM5的数值实验

第5.3节提出了一个具有两个可检验假设的物理机制：ELM型SST强迫应增强沃克环流，而TWM型强迫应削弱它。本节使用CAM5纯大气实验评估这两个假设。我们首先验证TWM+ELM联合强迫能重现观测到的PWC增强，确认实验框架（第6.1节）。然后我们分离这两个模式来检验各自假设（第6.2节）。最后，我们……

结论

本研究的主要结论总结如下：

1. 我们验证了1976–2011年冬季太平洋沃克环流已经增强，近年来PWC表现出更强的十年际增强特征。我们报告了1976年后的增强是不均匀的，在PWC的上升支更为显著。

2. 我们发现全球SST前两个主导EOF模式的组合可以解释大部分增强趋势（104%……）

讨论

本研究量化了自1970年代末以来全球SST两个主导模式对观测到的太平洋沃克环流增强的对立热驱动效应。在此我们讨论这些发现的更广泛意义。

本研究的新颖之处在于对全球SST两个主导模式的物理解释，而非EOF技术本身。虽然ELM与ENSO和IPO变率相关，但它作为全球EOF模式获得，在统计上……

CRediT作者贡献声明

Xiao-Feng Li：撰写—初稿，可视化，资源，项目管理，方法论，调查研究，资助获取，形式分析，数据整理，概念化。Jianping Li：撰写—审阅与编辑，资源，项目管理，资助获取，概念化。Yun Li：撰写—审阅与编辑，方法论。Song Yang：撰写—审阅与编辑，资源，项目管理，资助获取。Cheng Sun：方法论，数据整理。Jingjing……

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的会可能影响本文所述工作的竞争性经济利益或个人关系。

致谢

本研究由广东省气候变化与自然灾害研究重点实验室（2023B1212060019）、国家自然科学基金委（42175026；42475036）、南方海洋科学与工程广东省实验室（珠海）（SML2023SP209）资助。H.J.F.由英国研究与创新局资助的"气候+生物多样性+水"联合中心资助（NE/Y006496/1）。S.B.和H.J.F.由欧洲研究委员会INTENSE（ERC-2013-CoG-617329）资助。

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