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过去1000年火山和太阳对热带太平洋的强迫

MICHAEL E. MANN

Department of Environmental Sciences, University of Virginia, Charlottesville, Virginia

MARK A. CANE

Lamont-Doherty Earth Observatory, Columbia University, Palisades, New York

STEPHEN E. ZEBIAK

International Research Institute for Climate Prediction, Palisades, New York

AMY CLEMENT

Rosenstiel School of Marine and Atmospheric Science, University of Miami, Miami, Florida

摘要：利用热带太平洋耦合海洋-大气系统的Zebiak-Cane模式，通过数值试验研究了厄尔尼诺对1000年来自然辐射强迫变化的响应。模式再现了先前发表的经验结论，即在过去的火山辐射强迫下，热带太平洋呈厄尔尼诺态的趋势是统计显著的。在过去的火山和太阳辐射强迫的共同影响下，模式再现了过去几个世纪从化石珊瑚记录下来的厄尔尼诺平均状态和年际变率。因此，厄尔尼诺的动力学似乎在全球气候对过去辐射强迫变化的响应中发挥了重要作用。

1. 引言

厄尔尼诺-南方涛动（ENSO）与影响全球尺度气候的热带太平洋东部和中部表面的准周期（3-7年时间尺度）变暖（厄尔尼诺）和变冷（拉尼娜）有关。Bjerknes（1969）认为热带海洋-大气系统中这种不稳定的核心是基本的海洋-大气反馈机制（“Bjerknes反馈”），过去几十年的一项工作阐明了其自然年际振荡行为的基础因素。最近才对ENSO在人为气候变化中的作用(Meehl and Washington 1996; Trenberth and Hoar 1997; Rajagopalan et al. 1997; Cane et al. 1997; Knutson et al. 1997; Noda et al. 1999; Timmermann et al. 1999; Collins 2000a,b; Boer et al. 2000; Meehl et al. 2000) 或长期自然气候变化(Clement et al. 2000; Liu et al. 2000)进行了调查。

过去的研究利用热带太平洋耦合海洋-大气系统(Zebiak and Cane 1987)的简化Zebiak-Cane（ZC）模式，研究了ENSO对异常辐射强迫的潜在反应，包括与人为温室气体浓度增加有关的潜在反应 (Clement et al. 1996; Cane et al. 1997)。这些研究描述了一种“海洋恒温器”机制，即热带太平洋的加热导致盆地东部的冷却。这一结果来自东太平洋和西太平洋不同的表面温度响应：在西太平洋，温跃层很深，对表面加热的响应主要是热力学的，混合层随着温度的升高而调整。在温跃层较浅的东部，垂直平流冷却抵消了表面加热，产生较小的温度响应。纬向SST梯度的增加加速了信风，导致东部垂直平流进一步的温跃层变浅和冷却，进一步加速了风。这种“气候学”的皮耶克尼斯反馈，类似于年际尺度上的反馈，导致东赤道太平洋的冷却，以应对盆地的加热。Clement等人（1996）和Cane等人（1997）将这种反应称为“类拉尼娜”，因为东部有冷却，就像在 La Nintilde;a 事件期间那样，但西部也有变暖，通常不会在 La Nintilde;a 期间发生。此外，这种反应是“La Nintilde;a–like”（对盆地冷却的反应的反向模式是“类厄尔尼诺”）。它类似于典型的ENSO模式，但与单个的ENSO事件无关，而是与多年甚至十年时间尺度上平均状态和变率向此类条件的转变有关。因此，在本文中，我们使用“类厄尔尼诺”这一术语来表示赤道东太平洋较暖，ENSO变率增加，而“类似拉尼娜”这一术语则表示赤道东太平洋较冷，变率降低。

用较粗分辨率的全球模式通常不能很好地表示控制上述响应的反馈(Latif et al. 2001)。这种模式在热带太平洋的纬向梯度对更高水平温室气体对地表加热的响应是完全依赖于模式的 (Collins 2000b),这可能是因为模式中某些反馈的行为（例如云辐射反馈），这些反馈在不同的模式中响应不同，并且公认在ZC模式中是绝对不存在。

在这里，我们研究了ENSO对过去1000年中与火山喷发和太阳辐射强迫变化相关的自然辐射强迫变化的响应。从过去几个世纪的古气候记录中得出的一些新的和独特的见解为这些调查提供了方向：（i）对重建的海表温度的分析。过去几个世纪的海表温度（SST）模式(Waple et al. 2002) 表明西太平洋暖池的暖化程度比中部或东部热带太平洋的暖化程度更高，这与过去估计的太阳辐照度增加有关，使人联想到对太阳辐照度增加而引起的拉尼娜异常。（ii）过去三个世纪基于代理的重建的经验分析 (Adams et al. 2003) 在热带火山爆发爆发后的头几年内发现了厄尔尼诺现象的统计证据（随后有反弹到拉尼娜现象的趋势）。根据相对较短的仪器记录(Handler 1984)，这一证据似乎证实了先前关于热带火山爆发和厄尔尼诺事件之间关系的说法，尽管这类说法存在争议 (e.g., Nicholls 1990; Robock 2000)。（iii）在过去的千年中，ENSO状态的世纪尺度变化似乎与半球或全球平均温度的变化相反。Cobb等人（2003）（根据平均状态和年际变化）提供了17世纪寒冷时期类厄尔尼诺状态的证据 (e.g., Crowley 2000; Mann et al. 2003) 以及十二世纪和十三世纪相对温和的类拉尼娜状态(Crowley 2000; Mann et al. 2003)。同样地，Hendy等人（2002），在16世纪末至19世纪的寒冷时期，发现了热带太平洋相对缺乏冷却的证据，而Jones等人（2001）显示了17世纪末/18世纪初向类厄尔尼诺平均状态转变的证据。Verschuren等人（2000）提供赤道东非（肯尼亚）的湖面证据，以证明17世纪中叶至18世纪中叶的潮湿高峰值期，以及千年早期（11世纪至13世纪）的干燥条件，让人联想到这种极端与厄尔尼诺和拉尼娜条件有关。前几个世纪的干旱和后几个世纪北美西南部沙漠的潮湿环境的相似模式(Woodhouse and Overpeck 1998; Cook et al. 2004)也赞成这种解释。

上述每一个观察结果似乎都表明了与Clement等人的恒温器机制一致的关系（1996）其中就像前面讨论东赤道太平洋的温度随辐射强迫的变化而负变化。在这项研究中，我们提出了一个内部一致的框架，即活跃在ZC模式中的Clement等人的“恒温器”机制的影响（1996），来解释每一个观测结果，采用一个相对简单受过去自然辐射强迫的估计变化影响的热带太平洋-大气耦合系统模式的试验。

1. 方法

利用热带太平洋-大气耦合系统的ZC模式(Zebiak and Cane 1987)进行了试验。虽然全球耦合的海洋-大气模式能够模拟ENSO（尽管存在一些缺点; Latif et al. 2001)，这些模式的计算成本太高，无法进行1000年的积分。如下文所述，隔离本研究中感兴趣的信号需要对千禧年强迫情景的多重实现进行整合。此外，在全球耦合模式中，在分析模式对特定强迫情景的响应时，必须考虑热带和温带过程以及它们之间的耦合。相比之下，在我们使用ZC模式的实验中观察到的任何反应，必须通过设计，由固有的热带太平洋气候机制产生。

当然，还有其他与云辐射反馈相关的潜在重要的反应，或大规模的季风反应，或热带地区的温带反馈，这些都不包括在ZC模式中。然而，如下所示，我们的模式结果与数据一致，表明了反应的本质，Clement等人的动态恒温器（1996），在自然界中运作是一个潜在的重要机制。至少在一个全球耦合的海洋-大气模式中观察到这种机制(Otto Bliesner et al. 2003)。我们可能是因为错误的原因得到了正确的答案，或者是一个不完整的答案，并且观察到的变化是由于ZC模式中没有过程造成的。利用全球耦合海洋-大气模式进行的类似试验将为我们的分析提供更多的见解。

应当注意的是，在这些实验中，平均状态的变化不能与年际变化分开。在ZC模式中，变率增加的间隔（个别年际事件的频率和幅度增加）与东赤道太平洋的平均暖化有关（但并非所有耦合模型中; e.g., Arblaster et al. 2002)。这是由于模式中基本（零异常）状态变率的偏差，厄尔尼诺事件通常以大的正偏差为特征，而拉尼娜事件的负偏差稍弱。当与厄尔尼诺事件相关的Nintilde;o-3变暖大于与拉尼娜事件相关的冷却时，ZC模式中年际变率的振幅增加与类厄尔尼诺平均状态相关，而年际变率的振幅减少与类拉尼娜平均状态相关。还应注意，ZC模式中的ENSO动力学对辐射强迫的响应不是线性的。Clement等人（1996）表明，小强迫具有较高的灵敏度，大强迫具有较低的灵敏度。响应的非线性也意味着对组合（例如，太阳 火山）辐射强迫的响应不仅仅是两个单独响应的总和。

a.模型试验设计

与ZC模式公式相一致的是，辐射强迫是作为一种反常的表面热通量进入海洋混合层中的。我们在公元1000-1999年的时间间隔内，分别进行了（a）仅火山强迫，（b）仅太阳强迫，和（c）联合（太阳 火山）自然强迫的试验。为了将模式的强迫响应信号与ZC模式的相当大的内部可变性隔离开来，我们计算了模型对不同1000年强迫情景响应的一系列实现的平均响应。每种实现的初始条件都不同；每种实现都是使用固定（公元1000–1999年平均值）辐射强迫的控制模拟的不同随机条件开始的。我们采用了Crowley（2000）的太阳和火山辐射强迫估计，在过去的1000年中，有一些微小的修改。由于Crowley（2000）提供了代表半球平均值的辐射强迫估算值，我们将估算值按1.57的因子进行缩放，以得出ZC模式所需的相关赤道辐射强迫估算值。这种缩放假定了大气顶部与余弦纬度依赖性与太阳常数或光学厚度均匀变化有关的辐射强迫异常。我们忽略了ZC模式热带区域（30°S到30°N）内作用力的轻微纬度依赖性。为简单起见，假设所有火山爆发都发生在爆发年的1月，并以日历（1月至12月）年平均值为基础检查响应。所有施加的辐射强迫假定在一年内均匀，每年规定一次。额外的试验证明了基本上相同的结果（i）如果火山作用力是按月规定的（通过将平滑的指数衰减拟合到与每个单独事件相关的年平均辐射作用力估计值），（i i）是否假设爆发发生在北方夏季或冬季，以及（iii）是否根据传统日历（1月至12月）或以冬季为中心（6月至5月）的年平均基础诊断平均反应。

作为对模式ENSO行为的诊断，我们评估了东热带太平洋地区与厄尔尼诺和拉尼娜事件（5°S–5°N和90°–150°W）密切相关的模型SST异常的Nintilde;o-3 指数。我们采用的惯例是，即“年”日期由发生厄尔尼诺事件的冬季1月定义。

b.辐射强迫估计

Crowley（2000）的半球火山辐射强迫是基于温带和热带火山爆发的贡献。然而，相关的火山喷发是那些能够在热带太平洋感兴趣的区域提供火山灰尘覆盖。因此，相关的火山强迫仅由热带30°S至30°N范围内发生的火山喷发提供。应注意，Adams等人（2003年），出于同样的原因，在研究ENSO对过去火山作用力的反应的经验证据时，只考虑了热带喷发。因此，根据现有的历史或地质信息(Simkin and Siebert 1994)，或两极冰芯火山气溶胶沉积证据（Crowley 2000），我们从Crowley（2000）的火山辐射强迫系列中删除了所有尚未确认的热带起源事件。根据最近对火山强迫时间的重新评估（T.Crowley 2003，个人通讯），某些火山爆发的时间已经改变了一到两年。太阳辐射强迫历史有些不确定，近年来已经产生了许多不同的太阳辐射重建(Crowley 2000; Lean et al.1995, 2002)，强调了这种强迫历史上仍然存在的不确定性。我们使用了基于Lean等人的拼接（1995）的Crowley（2000）的太阳辐射重建，用Be¹⁰宇宙同位素证据估计追溯回公元1000年，用40年的低通滤波器对所得数列进行平滑处理，以确保随着时间的推移保持均匀的频域保真度。重建是在现有太阳辐射重建的较低范围内，振幅比Lean等人大约小40%（1995年），比Crowley（2000年）考虑的其他几次重建小，远小于Gonzalez-Rouco等人最近使用的非常大的太阳强迫（2003年）。然而，振幅大约是基于11年太阳周期的振幅的替代重建的两倍 (Lean et al. 2002)。因此，我们选择了我们所认为的对这种不确定的长期强迫的“中等”估计。如果使用其他的太阳强迫历史，结果会略有不同。

在本研究中，我们不考虑现代（十九世纪和二十世纪）人为强迫的潜在影响。而Cane等人（1997）研究了人为温室气体浓度变化对二十世纪ENSO趋势的可能影响，由于温室气体和气溶胶辐射强迫的综合效应，总人为辐射强迫的大小和空间模式尚未得到很好的约束 (Ramaswamy et al. 2001)。例如，对印度尼西亚生物质量燃烧产生的气溶胶等物质的影响，可能代表着对印度-太平洋区域部分地区的一种重要但难以估计的辐射强迫 (Hauglustaine et al. 1999)。此外，在不断增加的强迫的非平稳情况下，与热带水团俯冲相关的温带反馈的复杂影响可能更为显著，这表明在这种情况下，更可能抵消

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